摘要：大型深水起重机是海上油气开发和海上风电设备安装中不可或缺的设备。通过数值模拟和模型试验，研究了最大起重量16000t的半潜式铺管船的制备性能。基于三维线性势流理论，分析了不同波浪作用下船舶的RAO，时间曲线和运动统计量的频域和时域。
关键字：深水起重船；半潜式起重船；动态分析
1、前言
模型试验包括静水衰减试验，白噪声试验和不规则波试验。结果表明，数值模拟结果与模型试验值接近，测试结果与理论分析吻合良好，数值模拟方法的可靠性较高。该半潜式铺管船具有良好的波浪运动性能，可在波浪高度为3m，平均穿越时间为8.3s的海况下有效工作。
2、相关背景
中国的海上起重机设计和制造起步较晚，但取得了很大进展。提升能力从百吨级增加到千吨级，船舶的数量保持继续增长。其中值得一提的是，振华集团的“振华30”起重机的起重能力为12000t，是目前中国乃至世界上最大的单吊起重设备。我国目前还没有装备半潜式超大型起重船舶，这极大的制约着我国深海油气资源的开发和利用。因此，加大力度进行半潜式起重船舶的设计和制造是十分必要的。与此同时，国外深水半潜式起重船舶的关键技术已经取得了较大进步，大型海上起重机的发展速度较快。
3、数值的模拟
3.1参数环境
本文以最大水头16000t的半潜式铺管船为研究对象，总长220m，型宽90m，主甲板距离基线48m。船体的下部用于为双体船浮力舱提供浮力，每个浮力舱有五个垂直柱。两个起重机位于主甲板的左侧和右侧。单台起重机的最大起重量为8000吨。在最大起重条件下，井架的最大摆动半径为50米，吊钩的最大高度为主甲板以上130米。起重机采用DP3动态定位方式，左右浮箱底部安装14个螺旋桨。为了研究了浮式起重船舶的制备状态，研究浮式起重船舶的运动性能。垂直重心的位置相对于基线是正的。质心是旋转半径的参考点。由于本文主要研究起重机船的垂直运动，为了便于模型的试验操作，将DP3动态定位系统进行简化，约束条件使用水平拉伸的四个软弹簧，模拟船舶的水平运动的。
3.2模型建立
有必要采用表面单元法，利用驳船湿面模型计算船舶水动力参数。驳船是潮湿表面的一部分，并且大致均匀地分布在每个单元的源强度和源特征上。边界积分方程和绿色速度势函数法用于求解湿面的速度分布。最后，通过对湿表面的速度势进行积分来获得第一波浪力，附加质量和阻尼系数。由DNV开发的HydroD软件用于计算驳船的流体动力学参数，并且在频域中求解运动方程。利用Ocina的Orcaflex软件，进行了时域非线性耦合分析，分别考虑了船体和定位力的耦合计算。在频域中获得延迟函数的附加质量和阻尼系数，在时频域中在频域中转换第一和第二波浪力参数，建立电缆模型，最后将运动方程求解为获得行动和力量。
3.3模型的检验
模型试验选择在上海交通大学的海洋工程国家重点实验室深水实验室进行。该模型的设计良好，可扩展。在测试过程中，所有测量数据以20次/秒的采样率进行记录。为获得足够的实验数据用于统计和光谱分析，每种测试条件下的记录时间应不少于15分钟。模型试验主要包括静水无衰减试验（获得各方向运动的自然周期和阻尼系数）和白噪声测试（获得了波频率范围内的RAO）。通过实验研究了船舶在不规则波浪作用下的六自由度运动和力。汽车只有白噪声测试序列波的宽带分量作为垂直轴的许多规则的输入。光谱密度函数，圆形频率入射波的横轴，RMS~0.21.4rad/，可以测量船舶运动响应测试值。通过光谱响应谱密度分析，得到单位响应谱密度，rao。在不规则波测试中，测得的波高为3.0m，平均过零期为8.3s。将得到的波形谱与理论值进行比较，可以看出波形模拟的精度非常高。另外，可以看出入射波的循环频率为0.4-1.5rad/s，周期为4.19-15.7s。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆主要能量集中在0.5~0.7rad/s的周期频率，周期为9~12.6s。
4、结果分析
根据升力的准备程度，分析了船舶在频域内的运动特性。数值方法采用频域和白噪声试验，得到了驳船在0.1~1.5rad/s频率和角度范围内六自由度运动的传递函数。比较波浪、俯仰和俯仰角度、船首斜波和横波。最大波动距离分别大于15s、1.6s、2.7s、2s。可见，半潜式船体的设计有效地避免了自然海洋中波浪的频繁循环。一般来说，船舶的自然滚动时间在10和15s之间，这对剪切波的运动响应非常重要。半潜式船体很好地解决了这个问题。可以看出，升沉，滚转和俯仰的高峰期不会随着入射波的角度而变化，而只会随着船舶本身的自然周期而变化。峰值波动值随着弓的夹角的增大而增大，即当波浪横向时，峰值波动值最大。峰值距离随着弓中包含的角度的增加而减小，即，当弓接近波时的最大值，并且剪切波形为零。通过对各种方案的比较，可以发现拱塔方案在浮体稳定性、运动性能、定位性能、结构强度、运行效率等方面具有很大的优势。因此，在新设计的深水半潜式立管敷设船中，应优先考虑船首布置方案。桥塔安装在船首，当安装管道(即处于旋转状态)时，船身向后移动，以确保安全运行。建议在主吊车的适当位置设置倒置观察室，并派人观察。监控摄像头安装在桥的后部，实时显示桥的后部。由于吊塔不能由自己的吊车吊起，所以需要安装在底座上。为确保航行安全，塔应以一定角度平放。还对特殊支架进行了测试。这就取消了操作。没有外界的帮助。并完全依靠船舶自身的设备和机构来完成。建议通过加大旅游塔的角度调整，设计开发j型管道敷设系统，使塔顶进入主工作标准起重机的二次吊钩，塔顶为带支架的主起重机的维修继电器。随着弓中包含的角度增加，滚动顶峰增加，即第一波为零，剪切波最大。时域数值计算方法主要模拟船舶在入射波序列作用下的时程和运动响应，预测船舶在理论海况下的运动情况。波形参数选择如下：波高为3m，平均过零期为8.3s，总时间为1.5h。通过时域法模拟船体在静水中的自由衰减。通过理论分析与模型试验结果的对比，验证了重心调整和转动惯量模型试验的正确性，分析得到船体在水中的粘滞阻尼系数。绘制了船体在静水中滚动和俯仰衰减的运动曲线。轧制的自然循环为28.26s，自然循环为15.77s，与RAO的峰值一致。在时域计算中调整线性阻尼，通过计算数值模拟和模型试验结果，两条衰减曲线吻合度较好。修正阻尼后，再模拟入射波的参数条件，得到海况下的运动预测，实际尺度为1.5h。
综上可知，数值计算和模型试验的结果吻合度较高，验证了时域计算的可靠性。从第一波法、斜波和横波船体运动的统计数据,可以得出,数值计算和模型试验的结果是一致的,和升沉运动保持0.6米,1度左右滚动,螺距角0.7度左右,易Bo大约3米高,8.3秒不规则波周期的平均零交叉,半潜式起重船舶动态性能好,符合规范的要求的振幅。
5、结束语
本文使用频域分析的方法对某型半潜式起重船就绪状态下的RAO和白噪声试验结果进行计算。经对比结果分析，该方法可靠性较高。另外，半潜式船体的设计有效避免了海洋中频繁的波浪循环。半潜式起重机在线性阻尼下的粘度由自由衰减试验确定。为了利用改进的计算模型模拟YiBo3的高度为米，零周期时域为8.3秒的不规则波动，可以通过波浪作用获得不同的船体向下运动。结果与不规则波测试结果非常一致。对于在这种海况下的半潜式起重机，其运动范围小，满足可接受的操作要求。
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论文作者:刘超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/15
标签：船舶论文; 起重机论文; 船体论文; 模型论文; 波浪论文; 时域论文; 起重船论文; 《基层建设》2019年第23期论文;