海上風(fēng)機(jī)穩(wěn)樁施工平臺(tái)吊裝過程中的多船水動(dòng)力干擾特性與動(dòng)力響應(yīng)分析

張智博，盧 浩，苑桂博，陳明勝

(1.保利長大工程有限公司 港航分公司，廣東 中山 528400;2.武漢理工大學(xué) 船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

我國海岸線長達(dá)1.8萬km，具備豐富的海上風(fēng)能資源條件。據(jù)中國氣象局資源詳查結(jié)果，我國近海5 m到50 m水深，70 m高度風(fēng)電可裝機(jī)容量約為5億kW·h[1]。同時(shí)，國家規(guī)劃積極穩(wěn)妥推進(jìn)海上風(fēng)電開發(fā)，我國海上風(fēng)電迅速發(fā)展。據(jù)全球風(fēng)能委員會(huì)(GWEC)最新統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，中國以全球海上風(fēng)電裝機(jī)總量的28.12%躍居全球第二[2]。

在海上風(fēng)電場(chǎng)的快速建設(shè)中，樁式基礎(chǔ)(單樁基礎(chǔ)、三樁式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和多樁基礎(chǔ))[3]應(yīng)用最為廣泛。穩(wěn)樁平臺(tái)具有能夠精確快速沉樁的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于海上固定式風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)施工作業(yè)中。穩(wěn)樁平臺(tái)分為上部穩(wěn)樁施工平臺(tái)和下部導(dǎo)向架，穩(wěn)樁施工平臺(tái)通常使用起重船進(jìn)行吊裝，穩(wěn)樁施工平臺(tái)的起吊過程存在多浮體之間的水動(dòng)力干擾作用，同時(shí)還存在穩(wěn)樁施工平臺(tái)與起重船、運(yùn)輸船之間的耦合作用。

多浮體水動(dòng)力干擾問題在實(shí)際海洋工程中被廣泛研究，孫明等[4]采用在間隙自由液面邊界條件中加虛部形式速度勢(shì)的阻尼對(duì)Spar平臺(tái)上部模塊起吊期間的起重船和運(yùn)輸船、就位期間的起重船和Spar平臺(tái)兩個(gè)多浮體系統(tǒng)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究；何強(qiáng)[5]采用同樣方法開展了T型布置起重船與運(yùn)輸船的頻域響應(yīng)幅值算子(RAO)分析。Li[6]結(jié)合理論計(jì)算、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，對(duì)平行和非平行并靠船舶之間的水動(dòng)力共振與遮蔽效應(yīng)進(jìn)行了研究。另外，多物體之間的機(jī)械耦合對(duì)海洋結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)的影響更顯著，高健等[7]分析了起吊作業(yè)、起吊方向?qū)?00 t起重船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，得出起吊作業(yè)對(duì)船體運(yùn)動(dòng)有一定抑制作用；駱寒冰等[8]開展數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，分析橫浪—系泊系統(tǒng)—藍(lán)鯨號(hào)起重船—吊纜—上部組塊耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。黃恒等[9]使用AQWA軟件計(jì)算了運(yùn)輸船上汽車吊裝卸作業(yè)過程中吊纜張力的時(shí)程規(guī)律。Kanotra等[10]對(duì)通過吊索、船間系索和防護(hù)裝置耦合在一起的起重船、運(yùn)輸船、上部模塊起吊系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力分析，比較了不同吊索預(yù)張力、環(huán)境條件等對(duì)吊鉤動(dòng)力放大系數(shù)的影響規(guī)律。

針對(duì)“長大海升”號(hào)起重船起吊大型穩(wěn)樁施工平臺(tái)的過程，使用AQWA[11]軟件開展多浮體水動(dòng)力分析與時(shí)域響應(yīng)仿真計(jì)算，對(duì)T型布置的船舶間隙施加黏性阻尼自由液面邊界條件來研究水動(dòng)力干擾特性，并對(duì)人工黏性阻尼系數(shù)進(jìn)行敏感性分析。采用頻域—時(shí)域分析方法分析起重船起吊穩(wěn)樁施工平臺(tái)的過程，探求船舶遮蔽效應(yīng)的影響，分析不同的起吊速度和波浪周期對(duì)穩(wěn)樁施工平臺(tái)起吊過程的影響規(guī)律。

1 分析理論基礎(chǔ)

1.1 勢(shì)流理論

三維勢(shì)流理論被廣泛用于研究結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用問題，該理論在理想流體、不可壓縮、無旋的假設(shè)前提下處理問題，流場(chǎng)中的各點(diǎn)速度勢(shì)滿足速度勢(shì)控制方程——拉普拉斯方程：

(1)

速度勢(shì)同時(shí)需要滿足海底邊界條件、自由液面邊界條件、物面邊界條件和無窮遠(yuǎn)邊界條件。波浪總速度勢(shì)可分解為入射波浪勢(shì)φI、繞射波浪勢(shì)φD和輻射波浪勢(shì)φR。其中入射波速度勢(shì)可看作已知，基于控制方程和邊界條件采用格林函數(shù)法求解反射勢(shì)和輻射勢(shì)[12]。對(duì)于多浮體系統(tǒng)，浮體之間主要受到輻射波和遮掩效應(yīng)的影響，通過對(duì)單浮體速度勢(shì)的拓展得到多浮體非定常速度勢(shì)[13]：

(2)

其中，X=(X，Y，Z)是固定坐標(biāo)系中的位置矢量；t是時(shí)間；i為虛數(shù)單位；ω是波浪傳播頻率；m表示第m個(gè)浮體，φRjm是其他浮體保持不動(dòng)時(shí)第m個(gè)浮體的第j自由度運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的輻射勢(shì)。

1.2 雙船間隙液面黏性修正

由于勢(shì)流理論沒有考慮流體黏性和能量耗散，相鄰船體的水動(dòng)力干擾使兩船間隙內(nèi)的流體在某一窄頻帶內(nèi)發(fā)生共振，產(chǎn)生異常的波面升高。這種強(qiáng)水動(dòng)力相互作用會(huì)引起船舶的阻尼系數(shù)呈現(xiàn)近似狄拉克函數(shù)形狀的變形，使附加質(zhì)量系數(shù)呈現(xiàn)在某一窄頻帶內(nèi)出現(xiàn)極大值和極小值現(xiàn)象[14]。這種強(qiáng)烈的共振波與實(shí)際不符，并且其引起阻尼系數(shù)的強(qiáng)烈變化會(huì)導(dǎo)致在計(jì)算脈沖響應(yīng)函數(shù)時(shí)出現(xiàn)誤差。文中在雙船間隙自由液面施加帶有阻尼的邊界條件，來模擬流體的黏性和能量耗散帶來的影響。對(duì)船體間隙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要滿足自由液面的阻尼邊界條件，該自由液面邊界條件為：

(3)

式中:αd為人工黏性阻尼系數(shù)；f1為與間隙寬度有關(guān)的系數(shù)，g是重力加速度。

1.3 運(yùn)動(dòng)方程

浮體的頻域運(yùn)動(dòng)方程可以寫成：

(4)

在實(shí)際作業(yè)中，船舶受到環(huán)境載荷、系泊力和吊索力等外部載荷，頻域分析無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)動(dòng)力響應(yīng)，因此使用時(shí)域分析方法進(jìn)行計(jì)算，船舶的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

(5)

式中：A(∞)為浮體無窮大頻率附加質(zhì)量矩陣；K(t)為脈沖響應(yīng)函數(shù)，卷積積分表示流體記憶效應(yīng)；x為船舶位移；fwave(t)為波激力；fwind(t)為風(fēng)力；fc(t)為流力；fm(t)為系泊力；fs(t)為吊索力。

時(shí)域方程中的脈沖響應(yīng)函數(shù)K(t)可借助浮體在頻域中計(jì)算得到的阻尼系數(shù)進(jìn)行余弦變換得到：

(6)

當(dāng)頻率趨于正無窮大時(shí)，B(ω)趨近于0，因此在數(shù)值計(jì)算中通常引入一個(gè)頻率上限n，當(dāng)頻率超過該上限時(shí)，阻尼系數(shù)可忽略不計(jì)。在數(shù)值計(jì)算中，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，計(jì)算中最大頻率S可能會(huì)低于n。在這種情況下，頻率S～n之間的阻尼系數(shù)可通過外插法得到，如式(7)所示：

(7)

式中：Ba(ω)是在高頻率范圍S～n內(nèi)對(duì)B(ω)的近似。

2 多浮體起吊系統(tǒng)

2.1 穩(wěn)樁施工平臺(tái)安裝方案

海上穩(wěn)樁平臺(tái)如圖1所示。穩(wěn)樁平臺(tái)安裝過程分為導(dǎo)向架運(yùn)輸與搭設(shè)、穩(wěn)樁施工平臺(tái)整體運(yùn)輸和起吊、穩(wěn)樁施工平臺(tái)與導(dǎo)向架對(duì)接幾個(gè)步驟。穩(wěn)樁施工平臺(tái)安裝作業(yè)使用的施工船為“長大海升”號(hào)雙臂起重船，如圖2所示，船長、型寬、型深和吃水分別為110 m、48 m、8.4 m、4.8 m；運(yùn)輸船船長、型寬、型深和吃水分別為125 m、35 m、7.5 m、5 m；穩(wěn)樁施工平臺(tái)主要尺寸為46 m×45.04 m×5.7 m(長×寬×高)，整體質(zhì)量為1 600 t。

圖1 穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of pile stabilizing platform

圖2 “長大海升”號(hào)起重船F(xiàn)ig.2 “Chang Da Hai sheng” crane vessel

2.2 計(jì)算模型

選取施工海域水深26 m，起重船船艏與運(yùn)輸船右舷垂直相對(duì)，兩者之間間距為16.7 m。如圖3所示，固定坐標(biāo)系設(shè)置為：X軸沿起重船船長指向船艏，Y軸沿起重船船寬指向左舷。起重船使用八點(diǎn)錨泊方式，系泊纜繩分為兩段，一段是與錨相連的錨鏈，另一段是鋼絲繩；運(yùn)輸船使用四點(diǎn)錨泊方式，系泊布置見圖3，系泊纜參數(shù)見表1，計(jì)算中假定錨具有足夠抓力、系泊纜具有足夠的強(qiáng)度。

圖3 船舶與系泊纜布置Fig.3 Layout of vessels and mooring lines

表1 系泊纜特性Tab.1 Characteristics of mooring lines

建立邊界元水動(dòng)力分析模型，如圖4(a)所示，在起重船和運(yùn)輸船間隙施加帶有一定阻尼的蓋子模擬阻尼邊界條件。在滿足計(jì)算精度的前提下，選擇1.8 m網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算。由于水面線以上結(jié)構(gòu)對(duì)水動(dòng)力特性無影響，因此省略了甲板以上結(jié)構(gòu)的建模。雙船起吊系統(tǒng)模型如圖4(b)所示，將吊索簡(jiǎn)化成4根線彈性繩索連接起重船與平臺(tái)，并對(duì)4根繩索施加相同的纜索絞車，兩船之間無連接。通過Fender模擬運(yùn)輸船甲板上的支撐結(jié)構(gòu)，文中主要研究該吊裝系統(tǒng)中起重船和被吊平臺(tái)的響應(yīng)，運(yùn)輸船與平臺(tái)的相互作用并不是文中研究?jī)?nèi)容，因此支撐結(jié)構(gòu)模型并沒有展示。

圖4 AQWA計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of AQWA

3 頻域水動(dòng)力分析

使用AQWA對(duì)T型布置船舶進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到由于輻射波產(chǎn)生的船舶附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)、單位波幅規(guī)則波下船體的頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

3.1 單船—雙船對(duì)比分析

多船系統(tǒng)中，一個(gè)船體運(yùn)動(dòng)引起的輻射波場(chǎng)會(huì)對(duì)相鄰船體產(chǎn)生影響，這種影響主要由附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)展現(xiàn)出來。對(duì)單艘起重船和T型布置的雙船系統(tǒng)中起重船的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算頻率范圍為0.05～2.50 rad/s，得到圖5和圖6中的對(duì)比結(jié)果。

圖5 不同狀況下起重船附加質(zhì)量對(duì)比Fig.5 Comparison of additional masses of crane vessel under different conditions

圖6 不同狀況下起重船附加阻尼對(duì)比Fig.6 Comparison of additional damping of crane vessel under different conditions

由于兩船的相互影響，在間隙內(nèi)發(fā)生了流體共振，使起重船的附加質(zhì)量在流體共振頻率附近的某一窄頻帶中先增大到某一極大值后減小到一個(gè)極小值；阻尼系數(shù)會(huì)迅速增大到一個(gè)很高的極大值，而后又迅速減小，呈現(xiàn)出近似狄拉克函數(shù)形狀。計(jì)算結(jié)果與Lewandowski[15]和Chen等[16]得到結(jié)果所呈現(xiàn)的現(xiàn)象相符?？傮w上，縱蕩和縱搖附加質(zhì)量隨著波浪頻率增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定值，阻尼系數(shù)同樣呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)頻率無窮大時(shí)，阻尼系數(shù)趨于0。

3.2 間隙自由液面阻尼修正對(duì)比

前文可知，附加阻尼系數(shù)出現(xiàn)的突變會(huì)得到不精確的脈沖響應(yīng)函數(shù)，影響后續(xù)時(shí)域計(jì)算誤差。所以對(duì)兩船間隙自由液面施加一個(gè)有阻尼的邊界條件，減弱過大共振帶來的計(jì)算誤差。選取不同的人工黏性阻尼系數(shù)αd，對(duì)比起重船的水動(dòng)力系數(shù)變化和脈沖響應(yīng)函數(shù)衰減情況，分析該系數(shù)對(duì)間隙流體共振的影響規(guī)律。

選取系數(shù)αd為0.02、0.05、0.10和0.00(無修正)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如圖7和圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)行自由液面修正后，水動(dòng)力系數(shù)突變現(xiàn)象減弱，此方法對(duì)船體間隙流體共振具有抑制作用，并且人工黏性阻尼系數(shù)越大，共振頻率附近的水動(dòng)力系數(shù)減小越明顯，對(duì)間隙流體共振抑制作用越強(qiáng)。

圖7 起重船在不同間隙阻尼系數(shù)下的附加阻尼Fig.7 Damping of crane vessel under different clearance damping parameters

圖8 起重船在不同間隙阻尼系數(shù)下的附加質(zhì)量Fig.8 Additional mass of crane vessel under different clearance damping parameters

為了深入理解人工黏性阻尼系數(shù)的影響，使用Matalb程序[17]對(duì)方程(7)進(jìn)行求解得到脈沖響應(yīng)函數(shù)衰減曲線，如圖9所示。圖9(a)結(jié)果表明，單獨(dú)起重船的脈沖響應(yīng)函數(shù)在不到50 s的時(shí)間內(nèi)衰減到0，而雙船系統(tǒng)中脈沖響應(yīng)函數(shù)有顯著的持續(xù)振蕩，持續(xù)較大的振蕩值將會(huì)導(dǎo)致時(shí)域計(jì)算的誤差。由圖9(b)、(c)兩圖可知，采用施加有阻尼自由液面邊界條件的方法，脈沖響應(yīng)函數(shù)得到了修正，當(dāng)αd=0.10，脈沖響應(yīng)函數(shù)基本上和單船的相同，但實(shí)際中兩船之間必然存在流體共振，文中僅為了一定程度減弱過大的間隙流體共振，故選取αd=0.05。

圖9 脈沖響應(yīng)函數(shù)衰減曲線Fig.9 Attenuation curve of impulse response function

3.3 運(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)

兩船之間除了存在流體共振，同時(shí)存在由于波浪傳播引起的遮蔽效應(yīng)。為初步探討該吊裝方案中運(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)，首先計(jì)算了自由漂浮的起重船在單位波幅規(guī)則波中的響應(yīng)(RAOs)，圖10為迎浪作用下有無運(yùn)輸船時(shí)起重船不同自由度的RAOs，圖11為順浪和迎浪作用下有運(yùn)輸船時(shí)起重船的RAOs。由于勢(shì)流理論沒有考慮到流體黏性，會(huì)過大預(yù)報(bào)船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)，因此在AQWA中手動(dòng)施加了黏性橫搖阻尼進(jìn)行一定的修正，其取值參照Tromans[18]提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

B44=0.5Cd(bc·Lpp+n·Ak)·(6.5+Vp)·(Td+B)·ρ·HS/(0.17+Td/B)

(8)

式中：Cd為阻力系數(shù)，典型值取1.5；n是船底舭龍骨數(shù)量，文中取0；Ak是一個(gè)龍骨的面積，m2；bc表示模擬船體角部旋切能力的寬度，為0.2～1.0 m；Vp是絕對(duì)流速和0.5中的較大值；B是船寬，m；Lpp是船長，m；HS是有效波高，m；Td是吃水，m。

圖10結(jié)果顯示，迎浪作用下，運(yùn)輸船存在時(shí)起重船的縱蕩、垂蕩和縱搖RAO值比無運(yùn)輸船時(shí)小，而橫搖運(yùn)動(dòng)則相反，這是因?yàn)檫\(yùn)輸船的存在改變了波浪的傳播方向，波浪發(fā)生反射和繞射后作用在起重船上，從而降低了起重船的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)；而由于波浪繞射起重船的橫搖比沒有運(yùn)輸船時(shí)要大，同時(shí)橫搖運(yùn)動(dòng)計(jì)算中存在由于勢(shì)流沒有考慮黏性和經(jīng)驗(yàn)公式取值的誤差。

圖10 迎浪作用下有無運(yùn)輸船時(shí)起重船RAO值Fig.10 The RAO of crane vessel with or without barge in heading sea

圖11顯示，由于運(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)，總體上迎浪作用下比順浪作用下起重船的RAO值小，但這種現(xiàn)象和波浪頻率有關(guān)，某些頻率下出現(xiàn)相反的現(xiàn)象；兩船之間的流體共振使順浪作用下起重船的RAO曲線會(huì)有更明顯的起伏不平，而迎浪作用下，運(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)在一定程度上減弱了間隙流體共振對(duì)起重船運(yùn)動(dòng)的影響。

圖11 順浪和迎浪環(huán)境下起重船RAO值Fig.11 RAO of crane vessel in following sea and heading sea

4 運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算

基于時(shí)域分析進(jìn)一步探究了運(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)、波浪周期和起吊速度對(duì)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。選取基礎(chǔ)工況為：波高1.0 m，波浪周期4 s，定常風(fēng)風(fēng)速8 m/s，均勻流流速0.75 m/s，假定風(fēng)、浪、流同向，起吊速度0.020 m/s，計(jì)算模型如圖4所示。由于文中主要分析穩(wěn)樁施工平臺(tái)起吊過程中的響應(yīng)，因此選取平臺(tái)在空中起吊過程中的某一時(shí)間段進(jìn)行分析，其中吊索張力為4根吊索總受力。

4.1 起吊速度敏感性分析

根據(jù)“長大海升”號(hào)的起吊能力，主鉤滿載起吊速度為0～0.021 7 m/s，為了探究起吊速度對(duì)起重船運(yùn)動(dòng)和吊索張力的影響，選取0.010 m/s、0.015 m/s和0.020 m/s三種起吊速度進(jìn)行勻速起吊，波浪方向?yàn)橛耍渌麉?shù)為基礎(chǔ)工況參數(shù)。通過時(shí)域計(jì)算得到起吊系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)，圖12分別為起吊過程中的起重船垂蕩運(yùn)動(dòng)、縱搖運(yùn)動(dòng)和吊索總張力。

表2是起重船的運(yùn)動(dòng)峰峰值和吊索張力最大值。由圖12可得，不同起吊速度下系統(tǒng)的時(shí)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)差別不大；由表2可得起重船垂蕩峰峰值、縱搖峰峰值和吊索總張力隨起吊速度增大而增大。雖然仿真計(jì)算設(shè)定了勻速起吊，但是速度仍會(huì)有小的變化，進(jìn)而存在一定的加速度。速度越大，對(duì)應(yīng)的加速度也越大，進(jìn)而會(huì)有較大的吊索張力，這與實(shí)際情況相符。

表2 不同起吊速度下時(shí)域響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab.2 Time domain response statistics under different lifting speeds

圖12 不同起吊速度下的時(shí)域響應(yīng)Fig.12 Time domain response of different lifting speeds

4.2 波浪周期敏感性分析

波浪周期作為重要波浪要素之一，對(duì)海上施工有著較大的影響，施工海域波浪周期集中在3～9 s之間，文中選取4 s、6 s和8 s的波浪周期進(jìn)行仿真計(jì)算，其他參數(shù)參照基礎(chǔ)工況，波浪方向?yàn)橛恕Ｍㄟ^時(shí)域計(jì)算得到圖13的時(shí)域響應(yīng)和表3的統(tǒng)計(jì)值。圖13中可以清楚看出，周期為8 s的波浪作用下，起重船的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)以及吊索張力都明顯比4 s和6 s周期波浪中的大很多，從表3中也可以看出同樣的規(guī)律。這是因?yàn)楦鶕?jù)色散方程求得8 s周期波浪對(duì)應(yīng)的波長為94 m，接近起重船的船長，同時(shí)浪向?yàn)橛?，因此?huì)引起較大的起重船運(yùn)動(dòng)。從表3中得出起重船的垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)隨著波浪周期增加而增加，而周期為6 s的波浪環(huán)境中吊索總張力比4 s周期波浪環(huán)境中小一點(diǎn)，這可能是由于起重船與運(yùn)輸船之間的相互作用以及起重船和被吊穩(wěn)樁施工平臺(tái)之間的耦合作用對(duì)不同周期波浪的敏感性不同。

圖13 不同周期下的時(shí)域響應(yīng)Fig.13 Time domain response of different wave periods

表3 不同波浪周期下時(shí)域響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Time domain response statistics under different lifting speeds

4.3 運(yùn)輸船遮蔽效應(yīng)對(duì)起吊作業(yè)影響

水動(dòng)力分析結(jié)果顯示運(yùn)輸船的存在會(huì)形成遮蔽效應(yīng)，影響起重船的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由上節(jié)看出起重船與運(yùn)輸船之間的相互影響很可能與波浪周期有關(guān)，為此需進(jìn)一步探究運(yùn)輸船遮蔽效應(yīng)對(duì)吊裝系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。選取4 s、6 s和8 s的波浪周期，其他參數(shù)為基礎(chǔ)工況參數(shù)，分別計(jì)算迎浪作用下有無運(yùn)輸船、順浪作用下有運(yùn)輸船時(shí)吊裝系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)。圖14和圖15分別是周期4 s的規(guī)則波作用下吊裝系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)結(jié)果。由圖14可以看出，迎浪作用下，運(yùn)輸船的存在可以減小起重船運(yùn)動(dòng)和吊索總張力，圖15的結(jié)果表明，迎浪作用下起重船的運(yùn)動(dòng)和吊索總張力比順浪作用下小，這兩個(gè)現(xiàn)象都是由于運(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)減弱了起重船的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而減小了吊索總張力。圖15(a)和圖15(b)中順浪作用下的起重船沒有迎浪作用下運(yùn)動(dòng)得平穩(wěn)，這是因?yàn)橛俗饔孟逻\(yùn)輸船的遮蔽效應(yīng)減弱了起重船與運(yùn)輸船之間的流體共振，與水動(dòng)力分析結(jié)果相符。為了分析波浪周期對(duì)運(yùn)輸船遮蔽效應(yīng)的影響，分別統(tǒng)計(jì)不同周期波浪中的不同工況下的起重船運(yùn)動(dòng)峰峰值和吊索張力最大值如表4。

圖14 迎浪作用下有無運(yùn)輸船時(shí)時(shí)域響應(yīng)對(duì)比曲線(T=4 s)Fig.14 Comparison curve of time domain responses with or without barge in heading sea (T=4 s)

圖15 順浪和迎浪作用下時(shí)域響應(yīng)對(duì)比曲線(T=4 s)Fig.15 Comparison curve of time domain responses in following sea and heading sea (T=4 s)

表4 不同工況下時(shí)域響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab.4 Time domain response statistics under different conditions

從表4中可以看出兩點(diǎn)，第一點(diǎn)，當(dāng)只有起重船時(shí)，起重船的運(yùn)動(dòng)和吊索張力都會(huì)隨著周期的增加而增加，而運(yùn)輸船存在時(shí)，起重船的運(yùn)動(dòng)仍有相同的規(guī)律，但吊索張力則不會(huì)隨著周期的增加而增加，如4 s和6 s的迎浪條件以及6 s和8 s的順浪條件下會(huì)有相反的規(guī)律，這很大可能是由兩船之間的流體相互作用導(dǎo)致；第二點(diǎn)，可以看出有運(yùn)輸船時(shí)，周期為8 s的波浪環(huán)境中，順浪和迎浪作用下起重船運(yùn)動(dòng)峰峰值相差的倍數(shù)比4 s和6 s周期下要小，同時(shí)吊索張力也更加接近，這表明遮蔽效應(yīng)同樣與波浪周期有關(guān)。

5 結(jié) 語

基于勢(shì)流理論對(duì)T型布置船舶進(jìn)行多浮體水動(dòng)力分析，研究了兩船之間水動(dòng)力干擾特性，采用在兩船間隙內(nèi)施加黏性阻尼自由液面邊界條件的方法，一定程度上修正了雙船起吊計(jì)算模型，并選取阻尼系數(shù)αd=0.05進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。采用頻域—時(shí)域方法對(duì)平臺(tái)起吊過程進(jìn)行時(shí)域分析，從起吊速度敏感性、波浪周期敏感性、運(yùn)輸船遮蔽效應(yīng)三方面進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1) 應(yīng)用勢(shì)流理論進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算會(huì)過高預(yù)報(bào)兩船間隙的波面升高，通過對(duì)間隙流場(chǎng)施加有阻尼的自由液面邊界條件減弱了兩船間隙之間的流體共振，一定程度上改善了計(jì)算模型。

2) 起吊速度對(duì)起重船運(yùn)動(dòng)的影響較弱，速度越大響應(yīng)越大；周期為8 s的波浪會(huì)造成較大的船體運(yùn)動(dòng)和吊索張力，如果選擇迎浪或順浪作業(yè)，建議避免波浪周期為8 s的海況天氣。

3) 起重船和運(yùn)輸船之間存在遮蔽效應(yīng)，遮蔽效應(yīng)與浪向和周期都有關(guān)，施工過程中需綜合考慮各波浪參數(shù)，對(duì)于文中的吊裝方案，建議優(yōu)先選擇迎浪作業(yè)環(huán)境，運(yùn)輸船對(duì)起重船的遮蔽效應(yīng)可以一定程度減小起重船的運(yùn)動(dòng)，從而提高起吊過程的安全性和作業(yè)窗口期。