潛水作業支持船錨泊定位數值分析與模型試驗研究

鄭宏亮 范井峰

（1.海軍駐廣州廣船公司軍事代表室；2.海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室）

潛水作業支持船錨泊定位數值分析與模型試驗研究

鄭宏亮1范井峰2

（1.海軍駐廣州廣船公司軍事代表室；2.海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室）

采用準動態方法對潛水作業支持船開展錨泊定位分析，并和模型試驗結果比較。通過對數值計算結果和模型試驗結果分析可知，數值模擬結果是可靠性，潛水作業支持船錨泊定位系統滿足工程應用需求。

潛水作業支持船 錨泊定位分析 準動態方法

0 引言

潛水作業支持船（Diving Support Vessel，簡稱DSV）是專門為潛水人員服務設計，支持潛水人員完成水下安裝、檢查、維修等作業的工程船。隨著海洋石油工業的快速發展，海上應急打撈作業及其他突發事件不斷增加，潛水作業支持船的作用日益突出[1]。

DSV在海上特定海域作業時船體運動需限制在一定范圍內，其常用的定位方式有兩種：動力定位和錨泊定位。采用動力定位方式的DSV具有機動性強和定位精度高等優點，但動力定位成本較高。當DSV作業水深相對較淺時，采用錨泊定位方式即能夠達到定位精度，又能夠節省成本。因此，淺水中DSV的定位方式多采用錨泊定位。

DSV錨泊定位系統需依據作業海況下船體運動和錨索受力等設計。錨泊定位數值分析和模型試驗對錨泊定位系統的設計至關重要。本文采用準動態方法對作業水深為100米的DSV開展錨泊定位數值分析，并根據模型試驗的結果驗證數值結果的可靠性。在此基礎上開展了水深為80米和60米時錨泊定位數值分析，研究了水深對DSV錨泊定位系統的影響。

1 數值方法

準動態方法首先根據三維頻域勢流理論計算船體水動力系數、一階波浪力、二階波浪力和運動幅值響應傳遞函數（RAOs），然后求解船體時域運動。在求解船體時域運動時每一個時間步內低頻運動（縱蕩、橫蕩和首搖）和波頻運動（垂蕩、橫搖和縱搖）分別計算。低頻運動響應通過求解時域運動方程得到，船體低頻

運動求解方程如下：

[]2

在低頻運動位置和船體首搖角基礎上，根據頻域計算得到的運動幅值響應結果，結合波浪時歷，從而得到波頻運動響應時歷。

準動態方法考慮了船體附加質量和二階波浪漂移力，忽略了船體阻尼、一階波浪力和錨索自身拖曳力和慣性力的影響。

2 模型試驗

DSV錨泊定位模型試驗在上海交通大學海洋工程深水試驗池開展。根據DSV船體主尺度參數、錨索長度、作業海況和試驗設施，選定模型和實體之間縮尺比為1:40。DSV等浮式海洋結構物在波浪中運動的相似率問題，忽略粘性的影響，保持模型與實體間的Froude數和Strouhal數相等，滿足兩者的重力相似和慣性相似[3]，即

式中V，L和T分別為速度、特征線尺度和主要周期，下表m和s分別表示模型和實體。DSV錨泊定位模型試驗包括靜水衰減試驗、水平剛度試驗和風浪流試驗。靜水衰減試驗測量了船體自由漂浮和帶錨索狀態下的運動固有周期和阻尼系數；水平剛度試驗測量了錨泊系統縱向和橫向水平剛度；風浪流試驗測量了作業海況下DSV船體六自由度運動和錨索受力時歷。

2.1 船體和錨泊系統模型

本文所研究的DSV主尺度參數見表1。根據DSV主尺度參數和型線圖，采用玻璃鋼等材料制作船體模型。模型的制作除滿足相應的精度要求外，其排水量、重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑通過通過添加和改變模型內壓鐵的重量和位置進行調整。

表1 DSV船體主尺度參數

DSV采用4根與船長方向呈45°夾角的錨索組成。受水池寬度影響采用了截斷系泊系統。錨索布置如圖1所示。錨索采用直徑為56 mm鋼絲繩，具體參數如表2。

圖1 DSV錨泊系統布置

2.2 環境條件

DSV作業水深100 m，作業海域環境條件為三級海況，具體參數見表3。在進行模型試驗時，風采用API風譜，流采用定常流，波浪譜采用JONSWAP譜，試驗模擬的能量譜與目標譜之間的對比如圖2所示。

表3 環境條件

圖2 波浪譜測量值與目標值比較

3 結果與分析

3.1 水平剛度試驗結果

將DSV錨索預張力調整到目標值。在模型重心位置系上細鋼絲繩，并使其保持水平狀態。鋼絲繩拉動船體至某一位置，測下此時錨泊系統回復力。通過測量一系列位置對應的回復力，獲得特定角度下錨泊系統的水平剛度。目標DSV錨泊系統縱向和橫向水平剛度如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，試驗測量得到的錨泊系統水平剛度與目標值吻合較好，試驗精度可靠。

表2 錨索參數

3.2 數值分析與模型試驗結果比較

采用BV船級社基于準動態方法開發的ARIANE軟件計算了DSV作業海況，迎浪、首斜浪和橫浪時，船體運動偏移和錨索受力。數值分析結果和模型試驗結果進行比較見圖5和圖6。

圖5描述了迎浪、首斜浪和橫浪下船體運動偏移數值計算結果和模型試驗結果比較，圖6描述了導纜孔處錨索最大受力數值計算結果與模型試驗結果比較。三種浪向下均為第2根錨索受力最大。從圖5可以看出，迎浪和首斜浪下船體所受到的風、浪、流等環境力較小，船體運動偏移較小，數值計算結果和模型試驗結果相差較小。橫浪時船體運動幅度較大，數值計算結果和模型試驗結果偏差較大，但仍在誤差允許范圍內。從圖6可以看出，迎浪時最大錨索受力較??；首斜浪時主要是第2根錨索受力，受力較大；橫浪時所受環境力較大，錨索受力較大。三種浪向下，數值計算的結果均比模型試驗結果偏低。這主要是由于準動態方法忽略了船體阻尼系數和錨索動力的影響，并且準動態方法在計算是每一時間步長內錨泊力作用到了船體上，船體運動未引起錨索受力變化?？紤]到準動態方法的特點，B V船級社規范NR493[4]規定，準動態方法錨索張力安全系數不小于1.75，確保準動態方法計算的結果在工程應用中是可靠的。從錨泊定位模型試驗結果可以看出，DSV運動偏移最大為5.62，滿足作業需求；錨索受力最大為641.22kN，錨索破斷強度為1830kN，錨索安全系數為2.85，滿足工程要求。

圖3 DSV錨泊系統縱向水平剛度

圖4 DSV錨泊系統橫向水平剛度

圖5 船體運動偏移數值計算和模型試驗結果比較

圖6 最大錨索受力數值計算和模型試驗結果比較

4 結束語

本文采用準動態方法對作業于100 m水深的DSV開展錨泊定位分析，計算了作業海況，迎浪、首斜浪和橫浪下船體運動偏移和錨索受力，并和模型試驗方法進行對比，得到如下結論：

⑴ 準動態方法計算的結果和模型試驗結果吻合較好，說明準動態方法在進行DSV錨泊定位分析時滿足精度要求，能夠用于DSV錨泊定位系統的設計；

⑵ DSV船體運動偏移和錨索安全系數均滿足工程應用需求，該錨泊定位系統的設計是合理的。

[1] 蔡長松，嚴國華，張印桐. 飽和潛水系統在作業船甲板的布置[J]. 中國造船，2010（S1）：95-101

[2] Bureau Veritas. Ariane 7 Theoretical Manual [CP]. 2007.

[3] 楊建民，肖龍飛，盛振邦. 海洋工程水動力學試驗研究[M]. 上海交通大學出版社，2008

[4] Bureau Veritas. ClassificatioNof Mooring Systems for Performanent Offshore Units, 2012.

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.007

2016-11-15)

鄭宏亮（1979--），男，工程師，船舶船體。

范井峰（1978--），男，工程師，船舶船體。