船舶曳引系統(tǒng)沖擊力穩(wěn)定性分析與驗證

陳文博，高 嵐，潘志翔，李 遲

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

烏江地形地質(zhì)條件復(fù)雜，烏江航道1 000 DWT運輸船標準船型體態(tài)較大，由于長距離隧洞內(nèi)光線暗、船-岸富余距離較小，對航行的穩(wěn)定性有較高的要求，因此采用一種船舶曳引系統(tǒng)來通過隧洞。這種應(yīng)用于隧洞中的曳引系統(tǒng)，通過應(yīng)用于船塢中的引船系統(tǒng)改進而來[1]，由驅(qū)動機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、傳動機構(gòu)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，設(shè)置在船塢兩側(cè)的牽引系統(tǒng)帶動牽引車隨船運行，并為船舶提供牽引力與橫向拉力。

引船系統(tǒng)在國內(nèi)外較寬航道中已經(jīng)有較多的應(yīng)用，如國外巴拿馬船閘[2]，國內(nèi)的齊俊麟論證了這種引船技術(shù)在三峽船閘的應(yīng)用前景[3]。當(dāng)前的研究表明，此類牽引系統(tǒng)在正常通航環(huán)境下，能夠有效維持船舶進出穩(wěn)定性，而對于此類牽引系統(tǒng)在受到側(cè)面沖擊力等突發(fā)情況時，船舶穩(wěn)定性的相關(guān)研究是缺乏的。因此本文通過模擬曳引系統(tǒng)運行過程，探究了船舶受到?jīng)_擊力時特殊條件下的運動情況，重點研究了纜繩內(nèi)部預(yù)緊力以及牽引速度對船舶偏移量的影響，其相關(guān)結(jié)論可為船舶曳引系統(tǒng)在隧洞中的應(yīng)用提供理論支持。

1 船舶曳引系統(tǒng)運動學(xué)分析

1.1 船舶曳引系統(tǒng)仿真分析

引船系統(tǒng)設(shè)計研究表明，當(dāng)牽引絞車沿引船軌道運行時，除承受縱向拉力外，還要承受橫向回復(fù)力[4]，圖1為被牽引船(船模)離散體模型。

圖1中，x為船模在t時刻發(fā)生的橫向位移，f(t)為船模在t時刻受到的沖擊力，k為模擬牽引繩彈性系數(shù)，c為阻尼系數(shù)。

圖1 被牽引船(船模)離散體模型

理論上，牽引繩等效拉力可近似看作彈簧恢復(fù)力。關(guān)于船模橫向平移問題，曳引系統(tǒng)收放牽引繩橫向偏移時，由于偏移位移相對于船體寬度來說較小，且伺服電機響應(yīng)速度較快，牽引外力可看作突加載荷。通過黏性阻尼器和無質(zhì)量彈簧等效的牽引繩不會在橫向位置減少自由度，且根據(jù)計算的單根牽引繩的等效剛度和等效阻尼，可以對不同受力情況下的阻尼和剛度進行定義。根據(jù)水的黏性阻力系數(shù)與標準船型下的船模濕水面積，從STARCCM+模擬得出阻尼比為0.7。單側(cè)纜繩總等效剛度為280 N/mm，以牽引角度30°為例，每根牽引繩等效剛度為162 N/mm。

建立曳引系統(tǒng)三維模型，確定模型中柔性連接處以及船體接觸處庫倫摩擦代換等效參數(shù)，將模型連接處進行布爾操作，傳動機構(gòu)和電機等關(guān)鍵部位在ADAMS仿真軟件內(nèi)進行參數(shù)化建模并給予替換。ADAMS導(dǎo)入模型后，根據(jù)實驗室實驗需求和環(huán)境要求，從STARCCM+中算出轉(zhuǎn)化為ADAMS相關(guān)等效參數(shù)進行模擬分析。經(jīng)過相關(guān)參數(shù)和運動副的設(shè)定，在建模過程中對除計算域外的結(jié)構(gòu)做出簡化，并進行曳引系統(tǒng)運動學(xué)仿真。船舶曳引系統(tǒng)模型見圖2。

圖2 船舶曳引系統(tǒng)模型

1.2 外部沖擊載荷對船舶穩(wěn)定性的影響

曳引系統(tǒng)在運行之前，內(nèi)部載荷大小對穩(wěn)定性的影響可以從2方面考慮：一方面纜繩預(yù)緊力大，船模所處的位置就相對固定；另一方面如果纜繩預(yù)緊力過大，外部激勵作用下的響應(yīng)速度也就相對要快，對船體和牽引車都產(chǎn)生較大的沖擊力，同時對牽引繩強度和耐用性要求較高。根據(jù)模擬沖量相似的方案[5]，仿真時分別設(shè)置纜繩對船舶的預(yù)緊力為20 N和10 N，并設(shè)定作用于船模質(zhì)心x軸正方向、大小為1 800 N和3 200 N的作用力在第2秒施加力達到峰值之后，立刻在第3秒消失。不同預(yù)緊力時，1 800 N和3 200 N沖擊力下船模質(zhì)心位置橫向偏移分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同預(yù)緊力時，1 800 N沖擊力下船模質(zhì)心位置橫向偏移

圖4 不同預(yù)緊力時，3 200 N沖擊力下船模質(zhì)心位置橫向偏移

從圖3和圖4知，針對10 N和20 N的預(yù)緊力，在同樣施加1 800 N或3 200 N的作用力下，雖然橫向偏移大小相差無異，但是預(yù)緊力為10 N時曲線出現(xiàn)了整體的偏移。在預(yù)緊力不變的情況下，船體產(chǎn)生整體偏移并逐漸趨于穩(wěn)定，但是卻整體偏離航道中心線，在沖擊力作用下船模處于偏航運行。船模運行開始階段可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)緊力為10 N時整體的橫向振蕩較大，這是由于預(yù)緊力較小，系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)力不足，牽引車運作時船模響應(yīng)遲緩造成的船體偏移，雖在正常運行后基本處于平衡，但依然出現(xiàn)整體偏移，不滿足長距離通航的要求。

從仿真結(jié)果中可以看出，牽引初期曳引系統(tǒng)預(yù)緊力偏低會導(dǎo)致船舶穩(wěn)定性降低，因此設(shè)置牽引繩預(yù)緊力為20 N。

2 船舶曳引系統(tǒng)沖擊力實驗分析

根據(jù)實際通航隧洞環(huán)境、通航建筑物之間的連接渠道和渡槽等特殊限制性航道的特征，船舶在長距離封閉水域條件下運行時，航速應(yīng)低于2 m/s。結(jié)合船舶寬度、吃水與航道尺度的關(guān)聯(lián)性模型，對長距離通航隧洞曳引系統(tǒng)進行試驗分析。設(shè)置航寬0.8 m，水深0.25 m，速度分別為0.335 m/s、0.313 m/s、0.219 m/s時的橫向偏移量，探究船舶在運動中受到?jīng)_擊力時的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

通過等比例縮小船舶與曳引系統(tǒng)，按照相似準則構(gòu)建與實際相符合的船體結(jié)構(gòu)、隧洞通航環(huán)境與曳引系統(tǒng)，并對船模數(shù)據(jù)進行采集，反映曳引系統(tǒng)的各種性能。實船速度與船模速度對比如表1所示，通航隧洞實際尺寸與模型尺寸對比如表2所示。

在運動過程中，船模始終在中軸線附近前進；受到波動影響后，由岸壁位置傳感器和拉力傳感器雙變量反饋迅速調(diào)整船體姿態(tài)，使船模重新穩(wěn)定。在第一個位置受到?jīng)_擊力后，船模質(zhì)心偏移波動并不大。在第二個位置受到?jīng)_擊力時，船模質(zhì)心的偏移量短時間內(nèi)發(fā)生多次響應(yīng)，這是由于牽引繩吸收了大部分能量，由相對松弛到迅速張緊，達到了牽引繩所能形變的最大值，牽引繩內(nèi)張力迅速激增，并伴隨船體震蕩，在水中阻尼力和牽引繩拉力維持船體穩(wěn)性的過程中，牽引繩多次受到逐漸減小的沖擊力帶來的脈沖作用力，直至橫向激勵帶來的能量耗散完畢，船模質(zhì)心恢復(fù)航線位置。不同速度下，船模最大偏移量見表3。

表1 實船速度與船模速度對比 m/s

表2 通航隧洞實際尺寸與模型尺寸對比 m

表3 不同速度下，船模最大偏移量

船模在不同速度下受到橫向激勵后，曳引系統(tǒng)都能夠快速做出響應(yīng)，使船模質(zhì)心重新恢復(fù)到航線位置。在受到?jīng)_擊力以外區(qū)域，船模橫向運動處于動態(tài)平衡狀態(tài)，預(yù)緊力數(shù)值保持基本恒定。由于船模在0.313 m/s時相對于另外2個速度下偏移量更為明顯，因此進一步分析船模在0.313 m/s速度下的縱向位移和橫向位移。圖5為速度為0.313 m/s、1 800 N沖擊力時，船模位移；圖6為速度為0.313 m/s、3 200 N沖擊力時，船模位移。

圖5 速度為0.313 m/s、1 800 N沖擊力時，船模位移

圖6 速度為0.313 m/s、3 200 N沖擊力時，船模位移

由圖5、圖6知，船模受到?jīng)_擊力作用前，離岸距離為正常航行狀況，受到側(cè)向沖擊力作用下，船模橫向位移有限，整體船模在牽引車牽引下運行平穩(wěn)?？梢缘贸鲈诓煌剿傧?，船模均可抵抗橫向沖擊力，其中當(dāng)引船速度為0.335 m/s時，受沖擊力影響較小，且能夠更快通過隧洞。

3 結(jié)束語

基于動力學(xué)計算進行仿真研究發(fā)現(xiàn)，在受沖擊力作用時，若曳引系統(tǒng)預(yù)緊力偏低會導(dǎo)致船舶穩(wěn)定性降低，合理的提高牽引預(yù)緊力有利于提高船舶穩(wěn)定性。通過模型分析可以看出，船舶曳引系統(tǒng)能夠承受一定量的外部沖擊力，但是對于其能承受的最大沖擊力還需進一步的研究。