（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）大型起重船在海浪中的运动响应研究.pdf

中文摘要 本文针对起重船在规则波和不规则波上航行，在规则波和随机波上作 业时的船体运动响应问题进行了深入的理论研究。建立了合理的数学模 型，编制了计算程序。本文应用经典的切片理论完成了对起重船的水动力 系数分析，分别计算了起重船在规则波和随机波上航行和作业的船体运动 响应。并考虑了起重船作业时的定位锚钢缆系统和起吊重物对船体运动响 应的影响。通过一系列的计算分析，得到了一些重要的结论，对起重船及 同类船型的水动力问题和起重船在随机波上作业时的运动响应预估提供 了有价值的参考。 主要研究内容如下： 1 计算船体的附连质量系数和阻尼系数。采用f r a n k 源汇分布法( 其 中用f a l t i n s e n 法对奇异频率进行修正) 计算各个切片的附连质量系数和阻 尼系数。将各个切片所得的附连质量系数和阻尼系数分别沿船长方向积 分，得到整个船体的水动力系数。所得结果与k i m 论文中的结果相比较， 相当接近。文中根据计算结果，分析了超浅吃水型船的水动力系数与常规 船型的差异和特点； 2 ，利用s a l v e s e n 切片理论计算规则波中起重船在调迁，即在海上自 航时的运动响应。在确定航向角和遭遇频率后，用船体运动和载荷计算软 件s m f 来求解成船体六自由度的运动方程。该软件是基于s a l v e s e n 、t u c k 和f a l t i n s e n 的经典理论完成的，主要用于船体在规则波中六个自由度的运 动响应和船体波浪载荷的预估： 3 计算起重船在不规则波中调迁时的运动响应。给出船舶在随机波 中航行的运动响应谱： 4 计算起重船作业时，在规则波中的运动响应。与调迁时不同，这 时要考虑定位锚系统和起吊重物对船体运动口向应的影响： j 分析起重船在随机波中作业时的运动响应谱。 本文提出了一套有效的求解起重船在波浪上运动响应的计算理论，丌 发了计钟：软件, q m f ，填补了我田对起重船水动力响应深入研究的空白，为 起重船在波浪上运动响应的预估提供了科学的参考。 关键训：大型起重船超浅吃水附连质量系数阻尼系数幅值响应算了 响j 、v 谱 a b s t r a c t a st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eoceane n g i n e e r i n g ，d e r r i c kb a r g es h i p s b e c o m el a r g e ra n dl a r g e r t h ed e r r i c kb a r g es h i p s b ti sg r e a t e rt h a n t h e g e n e r a ls h i p s b t b a s e d o nt h ed e r r i c kb a r g es h i p s c h a r a c t e ro f u l t r a s h a l l o wd r a f t ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h eh y d r o d y n a m i cc e e f f i c i e n t f o r e v e r yd e g r e e so ff r e e d o mo nt h ec o n d i t i o no ft h eg e n e r a lo ceane n v i r o n m e n t t h e nt h i sp a p e rc a l c u l a t e st h ed e r r i c kb a r g es h i p s w a v e - i n d u c e dm o t i o n so f t h es i x d e g r e e so ff r e e d o mont h er e g u l a rw a v e si nd i f f e r e n ts t e e p n e s s a st h e f u r t h e rs t u d y i n g ，t h ep a p e rc a l c u l a t e st h ed e r r i c kb a r g es h i p s r e s p o n s e s s p e c t r u mo nt h ec o n d i t i o no ft h ei r r e g u l a rw a v e s a l lt h e s es t u d y i n ga r ev e r y i m p o r t a n tt oa n a l y z et h eh y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n ta n de s t i m a t et h em o t i o n so f t h ed e r r i c kb a r g es h i pf o rt h es e c u r i t y t h em a i np a r t so ft h i sp a p e ra r es h o w na sf o l l o w ： 1 t h ea d d e dm a s st o e f f i c i e n t sa n dt h ed a m p i n gc o e f f i e i e n t so ft h ed e r r i c k b a r g es h i p sa r ea c c u r a t ec a l c u l a t e dt h et h r e e d i m e n s i o n a ld e r r i c kb a r g es h i p canb ed i v i d e di n t o2 0 一e q u a lt w o d i m e n s i o n a is t r i p s t h ep a p e rc a l c u l a t e s e v e r ys t r i p sa d d e dm a s sc o e f f i c i e n t sa n dd a m p i n gc o e f f i c i e n t sb yt h ef r a n k t h e o r y ，w h i c hm o d i f i e dt h ei r r e g u l a rf r e q u e n c yb yt h ef a l t i n s e nt h e o r y t h e p r o p e rt h e o r yo b t a i n st h er e a s o n a b l er e s u l t ，w h i c hi s i nc l o s ep r o x i m i t yt ot h e k i m sr e s u l t 2 b a s e dons a l v e s e ns t r i pt h e o r y , t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h es a i l i n gs h i p s r e s p o n s ea m p l i t u d e so ft h ee v e r yd e g r e e so ff r e e d o m ，w h i c ha c c l i m a t i z ei t s e l f t ot h er e g u l a rw a v e s 3 u n d e rs a i l ，t h es h i p sr e s p o n s es p e c t r u m sa r ec a l c u l a t e do nt h ei r r e g u l a r w a v e si nt h i sp a p e r 4 w h e nt h ed e r r i c ko nt h es h i pi s w o r k i n g ，t h es h i p s w a v e - i n d u c e d m o t i o n so nt h es e aa r ec a l c u l a t e di nt h isp a p e r i nt h es a m et i m e ，t h es h i p s m o o r i n gs y s t e ma n dt h el i f t e dh e a v ya r et a k e ni n t oa c c o u n tn e c e s s a r i l y a l lt h et h e o r ya n dm e t h o d sw e r ec r e a t e di nt h isp a p e ra r ep r e c is ea n dr e f i n e d t ot h eh y d r o d y n a m i c so ft h el a r g ed e r r i c kb a r g es h i p st h e yf i l lt h er e s e a r c h b l a n ko ft h isd o m a i ni nourc o u n tr yt h ec o n c l u s i o n sa r ev e r yu s e f u lt o r e s e a r c ht h el a r g ed e r r i c kb a r g es h i p sa n dt h ed e s i g n i n go ft h e m k e yw o r d ：t h ed e r r i c kb a r g es h i p s ；u l t r a s h a l l o w ；a d d e dm a s sc o e f f i c i e n t ； d a m p i i gc o e f f i c i e n t ；r e s p o ns ea m l ) l i t u d eo p e r a t o r s ；r e s p o n s e s s p e c t r u n l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨童盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矽管琵签字日期：沙。j 年，明7 ；同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复印手段保存、汇编以供查i 强和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：矽崆凌 导师签名：参 双 签名日期：p - j 年，各月，；门签字h 期：o 叼年心月f i 第一章综述 第一章综述 1 1 国内外起重船及相关理论发展现状 1 1 1 起重船的发展现状 起重船( f l o a t i n gc r a n e ) ，在国际上对起重船的定义为“ac r a n e m o u n t e d o na b a r g eo rp o n t o o n w h i c hc a nb et o w e do ri ss e l fp r o p e l l e d ”。在国内对起 重船是这样解释的【1 】：起重船也称浮吊即浮动吊车。内河、港湾使用的非 自航起重船，通常在方箱型驳船甲板上，设置起重机或吊杆，另再配置动 力装置、移船定位设备、船舶系统及生活设施等。若欲自航则再加装推进 系统。 起重船形式较多，大体有以下几种分类方法： ( 1 ) 按使用地区分为内河、港湾、海洋起重船； ( 2 ) 按起重机结构可分为单硬杆、四联杆、硬变幅、软变幅等； ( 3 ) 按起重机功能可分为固定、固定变幅、半回转及全回转起重船。 此外还可按臂架式、旋转机构及支承型式等来区分。 起重船应用领域非常广泛，是海洋开发的必要工具。起重船不仅是港 口船舶装卸、港建水工作业、造船工程、桥梁建筑、水下救捞的熏要= _ i i ：具， 而且是全方位开发海洋必不可少的工具。由于随着全球人口增加与当今科 学技术的发展，人类生存空间逐步向海洋与空中拓展。海洋蕴藏着丰富的 可供人类生存、生活的资源，如：石油资源，动力资源，化工、生物资源 等。海洋是人类科研开发的重要领域。目前，全球对海洋的丌发利用已经 进入了日趋完善和成熟的阶段。根据统计，2 1 世纪将是一个海洋开发利用 空前迅猛发展的世纪，这种开发也将是全方位的，从现在人类需求来看， 这种开发利用主要集中在以下方面【2 】： ( 1 ) 海底石油资源的开发利用： ( 2 ) 海底矿物资源的开发利用： ( 3 ) 海水及其所含物质资源的丌发利用； ( 4 ) 海洋作为交通、通讯通道的利用； ( 5 ) 海洋资源( 包括波能、潮汐能、温差能等) 的丌发利用； ( 6 ) 海洋空间的开发利用。 第一章综述 除以上几方面外，还有利用海上的风能的。例如，丹麦的h o r n sr e v 正在海上建造世界上最大的风力发电场 3 】。该风力发电场建成后年发电 6 0 0 g w h ( 6 0 亿瓦) ，占全国总发电量的2 。 无论对海洋以什么样的形式开发利用都必须以海洋工程设施为桥梁， 起重船正是海洋工程设施建设所必不可少的工程船舶。我国自五十年代以 来已分别建造了1 5 t 至1 8 0 t 的各式中小型起重船，在海港建设和其它工作 中已经发挥它们的作用。六十年代开始，我国对海洋开发事业，主要是海 上石油勘探给予重视，由于海上油田勘探需要吊装各种固定平台的金属构 架，相继建成了2 0 0 t 全回转起重船和5 0 0 t 固定式起重船。在当时，2 0 0 t 到5 0 0 t 己被视为大型起重船。就现在来说，大型起重船的起吊能力一般不 小于5 0 0 t 。在2 0 世纪末，我国已建造了起吊能力在1 0 0 0 t 以上的起重船。 表1 1 1 是国内几艘具有代表性的起重船。 表1 1 1国内具有代表性的起重船 新世纪伊始，我国海洋领域的开发发展势头空前高涨。一是国家顺应 全球发展潮流，积极向海洋进军，在第十个五年计划“继续实施可持续发 展战略”制定了“加强对海洋资源的综合开发利用和保护”的战略政策【4 i ， 十六大提出了“实施海洋开发”的战略 5 】。二是国内投资环境逐渐完善， 我国的海洋资源吸引了大笔外资。并且，我国的劳动力资源具有明显的竞 争优势。海洋开发的大环境已经形成，势必迅猛发展。中国海洋石油工程 有限公司虽然刚组建一年，但海上平台吊装，海底石油管线敷设的项目很 多，蓬莱管架吊装项目、东方卜1 项目、曹妃甸项目、渤南项目、赴韩外 海合作项目等，一个接一个，这些项目都需要使用大型起重船。南洋号5 0 0 t 起重船在八所港成功吊装二氧化碳吸收塔。该塔呈洒瓶状，长5 0 m ，竖起 来相当于1 7 层楼高，其重量达3 5 0 t ，是特大型超限设备。在珠江口虎门 第一章综述 大桥附近，一艘油船与挪威籍“宝塞斯”号相撞，有“华南第一吊”之称、 曾参与“烟台海难”救捞的“南天龙”大型起重船及时将沉船打捞上来减 少了污染。 在国外，二十世纪四十年代，随着集装箱和叉式起重机在船舶货运中 的广泛应用，人们开始研究改造起重船【6 】。到了五十年代未，各工业国家 为了解决能源问题，大力发展海上石油勘探和开采事业，海上移动式和固 定式建筑越来越多。为了尽量缩短海上建造安装时间，以降低外海作业受 风浪袭击的风险，减少因受风浪袭击造成的“窝工”损失。而且，这类工 程结构组件的尺度和重量越来越大，因此需要大型的起重船。从六十年代 初的2 0 0 t 至七十年代初的6 0 0 t ，再至1 9 7 4 年的2 0 0 0 t 全回转起重船，1 9 7 8 年已建成3 0 0 0 t 起重量的全回转起重船了。现今，在北海有1 2 0 0 0 t 和 1 4 0 0 0 t 起重量的起重船 7 】。表1 1 2 列出日本的几艘起重船的主尺度 8 1 。 据韩国网站( w w w s e a 0 0 7 k o r e a c o m ) 最近的部分统计 9 - 1 4 ：日本有千吨起吊 能力以上的起重船2 4 艘，韩国的七家公司有1 5 艘起重船( 5 0 2 0 0 0 t ) ， 新加坡的h o n gh a n gg r o u p 有1 1 艘( 1 0 0 t 一5 0 0 t ) ，比利时的j a nd en u l 、 荷兰的v a no o r da c z 、挪威的o d e g a a r db e r g i n ga s 有2 艘，德国的 b u g s i e r 、英国的h u m b e rw o r kb o a t sl i m i t e d 各有3 艘，希腊的t s a v l i r i s 有1 艘。 表1 1 2日本的几艘起重船 特大型起重船的出现，使海上工程周期大为缩短且造价降低，同时又 提高了安全性。目前，世界上拥有起重船较多的国家有日本，韩国，中国， 挪威等国，这些大型起重船中大约可分为三种形态。 ( 1 ) 用大型油轮改装而成。如t h o r 号和o d i n 号均采用油船的前半部 分，船长分别为1 6 6 米及1 7 9 4 米，并分别将两船用浮箱加宽至4 0 米和 第一章综述 4 2 7 米。它们的造型相仿，艏部为上层建筑，顶上设直升飞机平台，艉部 设置一台全回转起重机，起重量分别为2 0 0 0 t 和3 0 0 0 t 。 ( 2 ) 自航起重兼敷管船。以法国“e t p m ”1 6 0 1 和1 6 0 2 号为代表 的自航单体起重兼敷管船，除具海洋起重船的良好特性外，尚同时设置敷 管装备，可以承担海底管线敷设作业。 ( 3 ) 半潜式起重船。这种船型在国外杂志上被称为第三代起重船，下 面以n a r w h a l 号和b a l d e r 号为例介绍它们的一些性能：n a r w h a l 于1 9 7 8 年建成，用于海况十分恶劣的北海，它在浪高达1 6 2 米、周期1 2 秒、风 速6 0 米秒的海况下，年工作日仍可达3 0 0 天。b a l d e r 也建成于1 9 7 8 年， 甲板上有二千及三千吨全回转起重机各一台，船上配有“动态稳定压载系 统”，由电子计算机控制，可自动调整船上的压载水，以便使船在恶劣的 海况下也可保证在尽可能小的摇摆下工作。 海洋起重船的发展说明，由于海上工程向外海发展，起重船必须在严 酷的海况下工作，因而非自航的方驳型已被摒弃，而代之以各种自航船型 和半潜船型。除在选择合适船型上下功夫外，亦采取各种措施以提高起重 船在海洋中的适用性，如采用动力定位可保证船体迎浪进行超重操作。最 近 15 。”，在挪威有一种新型起重船，船体有多个大型浮筒组成，可“起吊” 万吨以上的重物。这种起重船主要用于移动海面上的大型建筑装置。当在 海上勘探的时候，经常遇到这种情况，在一个地点勘探完要换一个地点的 时候，需把所有的装置拆开，运到新的地点再重新组装，费时费力。有了 这种新型的起重船，不必把装置拆开整体运到新的地点就可以了，相当方 便。国际上称之为“起重船应用的新领域”。 1 1 2 船舶运动响应理论的概述 船舶在海上航行或作业都会受到海浪的作用，引起船舶运动。船舶的 运动包括产生线位移的纵荡、横荡、升沉和产生角位移的横摇、纵摇、首 摇，它们不仅影响船上人员的舒适性，而且直接影响到船在波浪中的航速、 甲板上浪、船体弯矩等物理现象及船上设备的安全使用。自2 0 世纪5 0 年 代以来人们就从理论和试验两方面进行耐波性的研究。船舶耐波性分析的 起始得益于u r s e l l 在1 9 4 9 年发表的具有里程碑意义的两篇论文【18 , 1 ，还 有s td e n i s 和p i e r s o n 的关于船舶在波浪上运动响应的沦文 2 0 l 。随之而来 的便是将数值计算应用于此领域求解响应幅值算子的飞速发展。近几年 来，因为海上开发和计算能力的提高，使得人们把愈来愈多的目光放在船 第一章综述 舶耐波性的研究上。 1 切片理论 船舶运动问题的研究有三个基本途径：船模试验、实船试验和理论的 分析方法。这三者都有它处理问题的方法，但也不是完全孤立的，都有一 定的联系和依存关系。下面介绍一种理论分析的方法确定船舶在波浪中的 运动响应一一切片理论。 切片理论可以大范围内解决各船型和海况的耐波性能的预估，它是从 上世纪5 0 年代开始应用的。虽然推导一整套描述船在波浪中运动的微分 方程是由克雷洛夫于1 8 9 8 年开始的，但是一直到1 9 5 3 年在d e n i s 和p i e r s o n 等人于理论上获得成功【2 ，并在几个水池建立了耐波性试验设备后，船舶 运动才变为一个积极的研究领域。1 9 5 7 年，k o r v i n k r o u k o v s k y 建立了计 算纵摇升沉运动的切片理论，首先提出船舶在规则波中运动的理论【2 ”。 1 9 5 8 年，j a c o b s 在此基础上计算了船舶波浪外荷。之后k a p l a n 和 g e r r i t s m a 等学者完善和发展了这一理论 2 3 , 2 4 ，称为“原始切片理论” ( o r i g i n a ls t r i pt h e o r y ) 。6 0 年代末和7 0 年代初，又发展了一种切片方法， 它几乎同时在四个国家( 以四种语言) 出现。t a s a i 和t a k a g i 假定二因次 剖面上的流体动力 25 1 ，由该剖面相对于周围流体平均速度来确定的情况下 导出运动方程。其辐射力项不包括端部效应。s a l v e s e n ，t u c k 和f a l t i n s e n 等学者在建立了最初的数学模型之后才引进切片的假定作为简化的分析 手段 2 。他们与t a s a i 等方法的差别在于计算扰动力方法和有无端部效应 等方面。苏联的鲍罗廷和西德的索丁等也提出了类似的分析。除由于方尾 或大球鼻艏等端部效应外，这四种新发展起来的切片方法在定量上差别很 小，所以将它们都称为“新切片理论”( n e ws t r i pt h e o r y ) 。 原始切片理论的特点是物理概念清楚，数学推导比新切片理论简单， 而新切片理论则在理论上更完善。它们的共同点是在求流体作用力时，对 船体施行切片，使三维问题二维化，故都被称为切片理论。切片理论的方 程最初是各个单自由度的振动方程，2 0 世纪5 0 年代后出现了较复杂的耦 合的“对称运动”和“反对称运动”的方程。在规则波中，遭遇频率是影 响船体响应的重要因素。在计算船体的波浪响应时可取一系列的波浪频率 值，得到一系列的船体遭遇频率，从而又得到一系列的船体运动响应。这 种随频域的改变得到一系列计算结果的方法又被称为频域方法。它计算船 体的波浪响应大体上分为以下三个阶段： ( 1 ) 将船体分为若干个横截断面，一般分2 0 4 0 个，计算各段的二因 第一章综述 次水动力系数：附连质量、阻尼以及波浪力( 力矩) 和回复力( 力矩) ； ( 2 ) 沿船长方向将第一阶段所得的数值进行积分，从而得到船体的耦 合运动的总系数。通常将船体垂直面和水平面的运动区别开来考虑，他们 是升沉和纵摇的耦合一一对称运动；横荡、横摇和首摇的耦合一一反对称 运动； ( 3 ) 最后对运动方程进行求解。 切片水动力系数的计算是一个非常重要的环节，对船舶在自由表面的 水动力数值计算研究已有3 0 多年的历史了。1 9 7 6 年，c h a p m a n 用有限元 方法计算板的刺穿问题2 ”。1 9 7 8 年，s a l v e s e n 2 8 1 利用切片理论( 其中用到 w e h a u s e n 和l a i t o n e 的格林函数 29 j ) 解决船体问题。1 9 9 2 年，b a 、g u i l b a n d 和c o i r i e r 利用上面的方法解决了定常流问题【3 0 1 ；1 9 8 0 年和1 9 9 6 年，i n g l i s 和p r i c e 、n o n t a k e a w 解决非定常流问题”，” 。p o n i z 使用n o b l e s s 的格林 函数分析了奇异问题 3 3 , 3 4 1 。通常，切片水动力系数的计算有如下两种方法： ( 1 ) 保角变换法 ( 2 ) 切片轮廓线上的奇点法 第一种方法计算切片的水动力系数是基于1 9 2 9 年l e w i s 3 ”和1 9 4 9 年 u r s e l l ”1 的工作，1 9 7 8 年和1 9 7 9 年，b i s h o p 和p r i c e t 3 6 , 3 7 1 作了很有用的总 结。该方法用保角变换的方法将切片截面映射为单位圆，最简单的刘易斯 保角变换( l e w i s m a p p i n g ) 用三个参数定义映射，它们由切片的宽度、吃 水和截面积计算得来。 第二种方法利用自由表面下单位脉动点源势函数的精确解，在物面上 布置不同强度的点源以代替物体扰动效应，从而得到流场的速度势。这种 方法也叫做源汇分布法或边界元法。 切片理论的最新应用。切片理论有着一些局限性，但随着专家的不懈 努力，各个问题逐渐得到合理的解决。计算机和自动化系统的飞速发展， 使综合性船舶操纵和监控系统的开发成为可能。现在已可以用科学的手段 对船体运动、海况和船身载荷做出较精确的测量。用此系统可监控、记录 船体的运动，并可依照选定的操纵规范和实际需要提出合理的操纵意见。 n o r w e g i a nm a r i n et e c h n o l o g yr e s e a r c hi n s t i t u t e 研发的船舶操纵和船身载 荷监控系统【38 】还有一些附加功能，例如提供天气、航线的选择，压载水的 分布优化，船身运动阻尼系统的优化等。该系统分四个部分： ( 1 ) t r a d i t i o n a ln a v i g a t i o ns y s t e m s ( 2 ) w e a t h e rr o u t i n g ( 3 1a c t i v eo p e r a t i o n a lg u i d a n c e 第一章综述 ( 4 ) h u l lm o n i t o r i n gs y s t e m s 它的a c t i v eo p e r a t i o n a lg u i d a n c e 系统就是基于切片理论的，并在此理 论上提出各种修正。 2 响应幅值算子的计算 简单来说，船体可看成一个电子滤波器，它获得一个输入信号( 波浪 激励) 后通过滤波产生一个输出信号( 船体响应) 。在很多情况下，这各 简单的方法很有效，可获得有用合理的结果。船体的滤波函数或者响应幅 值算子f r e s p o n s ea m p l i t u d eo p e r a t o r s 简写为：r a o s ) 对于刚性船体的六个 自由度( 纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和首摇) 是不同的，每一自由度 的运动有其自身的特性和r a o 。船体每一自由度的运动响应可简化为获得 输入信号( 激励波谱) 后通过滤波( r a o ) 得到输出运动响应谱。一般来 讲，所有的运动都影响其他自由度的运动，例如，考虑船体作垂直上下的 升沉运动时，如果浮力等效作用点的位置不在船体浮心垂直上下方，就会 导致纵摇运动的产生，反之亦然。这种现象被称之为耦合。在实践中，因 为船舶的对称性，有些耦合的影响可忽略不计( 为零或很小) 。通常我们 考虑垂直面的升沉和纵摇的耦合，个别的考虑横荡、横摇和首摇的耦合， 纵荡一般忽略。图1 1 1 是船舶迎浪响应时的升沉和纵摇的r a o s 口”。 2r j 2 s 芒2 2 5 毛 2 1 7 5h e i v 目r 0 嚣狲 量1 石- 圹、 o岁一 磐 盆嘬 叱口乃 、 0 5 i 口_ 2 5 飞电、 2 。意f r 。毒，。5 6 h e a v er a c = 10 7 1e n c o u n t e rf r e q u e n c y = 13 2 0r a 图1 1 1 典型的升沉和纵摇r a o s 图1 升沉和纵摇的r a o s 表明： ( 1 ) 低频( 长波) 时，船体随波而动，像个浮子似的上下浮动，而且 随频率的降低趋近于1 。 ( 2 ) 高频时( 短波) 且当频率非常高，以致于沿船长方向上有很多波， 第一章综述 它们对船的影响相互抵消，船体不受波的影响了。 f 3 ) 在这两种极限之间，通常有一个峰值，恰好在船体的固有频率处。 在此共振处船体运动幅值有可能几倍于波高，其大小取决于船舶响应 相应自由度运动的阻尼。与横摇相比，一般船舶升沉和纵摇的运动阻尼是 较大的。 有很多方法可以估算船体的r a o s ： f 1 1 传统经验 ( 2 1 船池试验 ( 3 1 数值模拟 用数值模型的方法预估船体运动响应非常有用，因为它为复杂设计阶 段的大量数据的估定提供了一个便宜的方法。一旦设计只集中于一两种方 法，便可以对那些要求较高精度的采用船池试验的方法。反之，采用数值 模拟的方法。对该数值方法的研究可分为两个途径：时域和频域。 时域方法模拟波浪经过船体，将时间分为细小的步长，在每个时间步 长里，用对船体各部分的水压力和摩擦力求积的方法计算船体受波浪的瞬 时作用力。用牛顿第二定律，计算船体的加速度。然后对时间求积分，计 算船体新的速度和位置。 尽管该过程听起来直截了当，但是现阶段该方法还在大学和其他科研 机构里发展。主要原因有两个，一是作用于船体水动力的正确预算；二是 完成该程序对计算机的能力要求太高( 即使对于现在的计算水平来说) 。 频域方法较之简单和具有较小的计算强度。在该方法中大部分用到切 片理论2 6 ( s t r i pt h e o r y ，s a l v e s e ne ti n1 9 7 0 1 ，基本上，船体运动被看作是 被迫的、带阻尼的、小幅正弦运动。两个假定条件：船体细长和傅劳德数 不能太大。切片理论将船体分为为若干个横截面，计算其在理想流体里的 水动力系数，然后根据这些值求得运动方程里的系数，进而得到船体的运 动响应。 时域与频域的不同之处在于频域方法一步求出一个特定频率下的运 动响应，而时域方法则需对许多时间步长进行计算才得到一个规则周期的 运动响应。所以对计算量而言，时域方法较频域方法高出几个数量级。 3 船舶运动数值预报的发展趋势 传统上，船舶运动预报是基于线性势流假定和船体刚体假定。尽管现 在3 d 理论解法正在广泛发展，但它基于实时的测量，不能广泛应用于各类 船舶上【4 叫，所以现在仍在沿用切片理论。为了改善和延伸预报的正确性， 第一章综述 研究者对以前忽略的力( 力矩) 提出多种近似解法，如大波高对恢复力( 力 矩) 的影响、试验粘滞阻尼模拟、带状势流粘性解。这里将该研究领域分 为两个部分：非线性和粘性分析。计算机的高速计算和并行处理能力使这 些问题的解决成为可能。 a ) 非线性分析 切片理论长期以来为船舶工程界所使用，但他的不足也为业内所熟 知。船舶的运动是非线性的，而切片理论是线性的。在造船界，人们试图 对每一艘要造的船舶进行计算，对耐波性等各项指标审核后进行船舶设 计。研究发现用不同的方法所得的船舶波浪载荷是不同的，在波浪较小的 情况下，非线性时域分析 4 1 】与切片理沦所得的结果较为一致，但对于较大 波浪的波浪载荷，结果相差明显 4 2 1 。 s m i t h 43 在1 9 6 6 年的报告中指出，经在驱逐舰上的实测，波浪引起的 船体中垂力矩远大于其弯曲力矩。从那时起很多人丌始研究船体波浪载荷 的非线性特性。研究有两个方向，一个是制造精确模型，计算各非线性因 素。另一个方向是在一种类似于切片理论方法的基础上计算重要的非线性 因素。许多非线性波浪载荷计算是基于极端波浪条件下的船舶运动响应的 时域仿真。这种技术随着计算机计算能力的提高，应用的领域逐渐加大。 这种仿真方法利用较高级的数值计算过程，在时域中直接解决水动力问 题。这些高级的数值求解过程有3 dg r e e n 函数法 4 4 , 4 5 1 、3 dr a n k i n e 源法( k r i n g a n ds c l a v o u n o s l 4 6 1 ) 和d e s i n g u l a r i z e 方法【4 7 】。近几年，日本的上野道雄( 1 9 9 5 ) 等人在模型船上采用波力测定装置1 4 引，将模型试验测得的运动响应与用 s a l v e s e n 法求解的运动响应作对比，对同型船舶进行修正。革建波和王俸 辉( 2 0 0 1 ) 以伏特娜系统来探讨非线性参数激振现象 4 9 1 ，并利用蒙地卡屣模 拟分析驶上驶下船最有可能因参数激振而造成的横摇模式。 b ) 粘性分析 尽管对势流的研究具有相当的限制，但在试验显示还是要考虑粘性阻 尼，尤其在进行横摇预报时。在2 d 物体横摇的研究中，k o r p u s 和f a l z a r a n 0 ( 1 9 9 7 ) 离散了r a n s 方程，其中包括许多高级的扰动模型，不包括自由表面 的影响。w i l s o n 等人f 1 9 9 8 ) 开始将稳流r a n s 编码向波浪上的船体表而应 用。给出了w i g l e y 船体在规则迎浪中的计算。 总之，以目前关于非线性船舶运动和在粘性流体中的运动的技术发展 水平来讲还需简化方法或限定简化实体。相信，计算能力和理论的快速发 展使船舶运动的自然真实模拟逐渐变为可能。 第一章综述 1 2 本文的主要工作 随着海上开发的发展，起重船在外海的施工环境变的复杂多样 5 0 , 5 i 】。 起重船在海浪上运动响应的研究，是其在外海安去作业的保证。但是，起 重船运动响应的研究是涉及到多个研究领域。它们是船体在波浪上的运动 响应，随机波海浪谱的应用，定位锚系统和起吊重物对船体运动响应的影 响。本文针对大型起重船的超浅吃水船型的特点，求解分析了这类肥胖型 船的水动力系数。运用理论分析和数值计算的方法，全面系统的求解了大 型起重船在波浪上的运动响应。 本文工作在吸收前人工作成果的基础上，密切联系工作实际，从理论 研究的角度出发，研究了大型起重船在波浪上的运动响应。文中所建立的 理论与已有理论相容，文中的计算结果与国外已发表的有代表性的研究成 果相比较验证，取得了良好的一致性。 具体完成的研究内容如下： 1 采用切片理论计算船体的附连质量系数和阻尼系数。将研究的起 重船实船的设计水线以下的船身在沿船长方向上分为2 0 等份。每一份为一 个切片，采用f r a n k 源汇分布 5 2 1 法( 其中用f a l t i n s e n 法对奇异频率进行修f ) 计算附连质量系数和阻尼系数。将各个切片所得的附连质量系数和阻尼系 数分别沿船长方向积分，得到整个船体的水动力系数。所得结果与k i m 【5 3 】 论文中的结果相比较，相当接近。文中根据计算结果，分析了超浅吃水型 船的水动力系数与常规船型的差异和特点； 2 利用s a l v e s e n 切片理论【5 4 1 计算规则波中起重船在调迁，即在海上 自航时的运动响应。在确定航向角和遭遇频率后，用船体运动和载荷计算 软件【55 i 来求解成船体六自由度的运动方程。该软件是基于s a l v e s e n 、t u c k 和f a l t i n s e n 的经典理论完成的，主要用于船体在规则波中六个自由度的运 动响应和船体波浪载荷的预估； 3 计算起重船在不规则波中调迁时的运动响应。采用第1 7 届i t t c 建 议的波浪谱 5 6 】和切片理论的计算结果，分析得出了船体各自由度的运动响 应谱； 4 计算起重船作业时，在规则波和随机波中的运动响应。计算并分 析了定位锚系统和起吊重物对船体运动响应的影响，给出了起重船在随机 波上作业时的运动响应谱。 第二章起重船柏：规则波中的运动响应 2 1 海浪 第二章起重船在规则波中的运动响应 海面上发生波浪的原因很多。如风产生的风浪，日月吸引力的改变产 生潮汐波，海底火山或地震活动产生地震波，船舶运动产生船波等等。通 常所说的海浪是指风浪。风浪是海面上分布最广的，对于船舶航行和海洋 工程实际活动影响最大的波浪。 由于海平面上风运动形式的多样和复杂，所以风兴起的海上波浪在形 式上也是极复杂的，风浪的大小及其运动，就某种意义上说是紊乱而不规 则的。不可能用一个简单的数学公式来描述，所以经常又称为不规则波浪， 一般用数理统计方法研究。用经典流体力学方法进行简化的波浪称为规则 波。本章研究的是在规则波中起重船的运动响应。 规则波的波面方程为 f = s i n 0 + 占) ( 2 1 1 ) 表征二因次规则波的要素有： 波长a 两相邻波峰或波谷问的水平距离； 波高阡一从波高到波峰的垂直距离； 波幅乞：h = - ； 波数七：孥； l 波浪陡度( 或称波陡) 占= 兰垃； 波周期，两相邻波峰( 或波谷) 经过海上同一固定点的时间间隔； 波浪频率0 9 = 娑； 波速c = 鲁= , o k 。 从流体力学中可知，对于水深超过害的波( 2 ( o 兄去) ，其波长、周 期及波速具有下列关系： 第二章起重船杠规则波中的运动响戍 ，2 j 等枷s 瓶 c = 瓦g t = 愿“z s 打 五= 等 2 2s a l v e s e n 法求船体在波浪上的运动响应 船舶在海上工作、航行或完成战斗任务时，必然受海浪的扰动产生振 荡运动。如果把船体作为刚体，则这种运动一般应有六个自由度。为了描 述船舶运动情况，必须先对坐标系统和航向角进行定义。本文取垂直轴向 上的右手坐标系统随船移动的平衡坐标系统，亦即s a l v e s e n 坐标系。 计算船舶波浪运动响应有t a s a i t a k a g i 法、g e r r i t s m a 法、s a l v e s e n 法等多种方 法，本文采用的是s a l v e s e n 切片理论。下面是该理论的简介。 起重船在海浪上的坐标如图2 2 1 所示，o x y z 为随船坐标系，其原点设在 静水面上，o z 轴通过船的重心，o x 为 船艏方向。仉表示船体的刚体运动；叩、 叩：、分别为进退、横荡、升沉；仉、 仉、仇为横摇、纵摇和首摇。 图2 2 1萨尔维森坐标系 当起重船以航速可在任一航向前 进时，定义船前进方向与波浪传播方向之间的夹角为航向角。如图2 2 2 所示，卢= 1 8 0 。表示船舶前进方向与波浪传播方向相反，称为迎( 顶) 浪： = 0 。表示船舶前进方向与波浪传播方向一致，称为顺( 随) 浪；= 9 0 。表 示船舶前进方向与波浪传播方向垂直，称为横浪：口= 1 3 5 。被称为船首斜浪。 幽2 2 2 航向角 幻 d 1 1 1 心 ，矽三：塞oi 斋 第二章起草船在规则波中的运动响应 定义遭遇频率为波浪相对于船舶，亦即波浪相对于s a l v e s e n 坐标系的 频率。用。表示 。= 一k uc o s f l 式中，国表示波频，k 为波数。当起重船零航速作业时，有扩= 0 和珊。= 棚。 船舶在波浪上的运动方程可以分为两组：进退、升沉、纵摇和横荡、 横摇、首摇。前三者组成对称运动方程( 2 2 1 a ) ，后三者组成反对称运动 方程( 2 2 1 b ) 。这里现将两组方程中用到质量矩阵交待一下： m & = m0 0m 00 0 一m z 。 m z 。0 oo 00 m z ，0 0 一m z ，0 0 mo0o 0 1 40 一6 00 i s 0 0 1 4 6 0 1 6 上面矩阵中，z 。是船的重一【、, , n z k n 的距离；m 为船舶质量；i j 为惯性 矩：厶是惯性积，因为船舶左右对称，所以只有l 。，如果船舶前后也对 称，1 4 6 = 0 。 1 ) 对称运动方程 ( a 1 1 + ，) 巧l + b l l 冲1 + a 1 3 茚3 + b 1 3 呻3 + a l5 帮5 + b 1 5 疗5 = e p 耐 0 ) ， 由竺趔：0 ，求得峰值对应的频率 1 、上 矿矿。 ( 3 - 2 2 ) 上式是海浪谱最早的一般表达式。几十年来，在此基础上建立了各种 适用的具体海浪谱，下面介绍几种常见的形式。 1 纽曼谱 对于充分成长的海浪，1 9 5 2 年纽曼建议采用下列海浪谱： s d o ，) 7 2 4 0 x p _ 砑1 4 5 8 2 第三章不规则波作用下起重船的运动响应 2 我国沿海海域海浪谱 1 9 6 6 年由国家科委海洋组提出我国沿海海域海浪谱，其表达形式如 下： 嘶) 2 警唧c - 荒j b2 s ) 。 z a ， 3 皮尔逊一莫斯柯维奇( p i e r s o na n d m o s k o w i t z 简称p m 谱) 洲= 鼍华e 冲卜4 ( 去 4 m 2 s ) 式中矿海面上1 9 5 m 高度处的风速m s 1 ： g 重力加速度m 2 s ) 。 p m 谱的一般形式为： & 白) = 了ae x p 式中，a 、b 是反应风、浪要素的参数，在这罩a = 8 1 x 1 0 - 3 9 2 ， 坝( 3 _ 2 6 冲黪靴2 滞问矫酣惨瓣。，厂 4 单参麴谱 1 9 6 6 年，第11 届i t t c ( i n t e r n a t i o n a lt o w i n gt a n kc