39-107 深水半潜式起重船耐波性研究

尼矩阵；
K
为静水回复力矩阵；
q (1) WA
为一阶波浪力；
q(2) WA
为二阶平均慢漂波浪力；
q
posi
为水平系泊缆上的
力。
2.3 模型的建立与求解
使用面元法计算船体的水动力参数时，首先需要建立驳船湿表面模型（如图 4）。驳船的湿表面部分被
近似为在每个单元上均匀分布了源汇强度，源汇表征了流场速度势的分布，通过边界积分方程和 Green 函
时域计算则利用快速 Fourier 变换（FFT），产生波浪激励的时间序列，将已确定的波浪谱转化到时间
域，以求得相应的入射波浪时间历程，考虑驳船所受波浪力以及其他外力，然后直接用数值方法求解时域
内运动的常微分方程，本文中采用的是三阶 Runge-Kutta 方法。时域分析中运动方程为：
(M
+
A∞
)
x +
∫t 0
h(t
−τ
)
x(τ
)dτ
+
D1x
+
Kx
=
q(t,
x,
x )
(3)
q(t,
x,
x )
=
q(1) WA
+
q(2) WA
+
q posi
(4)
其中： x 为船体的六自由度运动矢量； M 为船体的质量矩阵； A∞ 为频率无穷大时的附加质量矩阵；
h (t −τ ) 为时延函数矩阵； q(t, x, x) 为船体受到的合外力矢量； D1 为船体运动由粘性作用产生的线性阻
图 6 半潜式起重铺管船模型
图 7 起重准备状态不规则波浪试验
222
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
wave(m2s/rad) wave(m2s/rad)
0.6
M easured
Target
0.4
0.2
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
ω(raad/s)
图 8 白噪声试验的波浪谱
3.5
力（如抗风、抗浪）进行分析。主要包括作业耐波性能研究[4]、水动力耦合性能分析[5]、稳性分析[6]等。
2 数值模拟
2.1 船型参数与环境工况 本文以一艘最大起重能力为 16 000 t 的半潜式起重铺管船为研究对象（如图 2），其全长 220 m，型宽
220
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
数方法可以求解湿表面的速度势，最后在整个湿表面对速度势积分求得一阶波浪力以及附加质量和阻尼系
数。本文中使用 DNV 开发的 HydroD 软件[7]计算得到驳船的水动力参数，并求解频域运动方程。
图 4 船体湿表面模型
图 5 时域模拟的模型图
时域非线性耦合分析使用 Ocina 公司的 orcaflex 软件[8]进行求解，分别考虑船体和定位力耦合计算求 解。通过频域的附加质量和阻尼系数求得时延函数，并通过将一阶二阶频域波浪力参数通过时频转换到时 域力，建立系缆的模型，最终求解运动方程得到运动和受力。图 5 为时域分析模型图。
(a)船型
(b)驳型
(c)半潜式
图 1 三种不同类型的起重船
国内在海洋工程起重船设计、制造方面起步较晚, 但到目前已经有了长足发展。由原先的起重能力几
百吨发展到现在的几千吨，同时船舶数量也日趋增多。其中，值得一提的是振华港机研制的蓝鲸号起重船
（如图1b），具有7500 t的单吊起重能力，是目前国内起重能力最大的起重船，也是世界上单吊起重能力
Meas ured
Target
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0Fra Baidu bibliotek0
0.5
1.0
1.5
2.0
ω(raad/s)
图 9 不规则波浪试验的波浪谱
模型试验主要包括：静水中自由衰减试验，用以得到各方向运动的固有周期及阻尼系数；白噪声试验， 得到了波频范围内的 RAO；不规则波下船体六自由度运动和受力试验，分别得到不同工况下运动和受力情 况的测量数据。图 6 为试验中该半潜式起重铺管船的模型，图 7 为在起重准备状态的不规则波浪试验。
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
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深水半潜式起重船耐波性研究
许 鑫，杨建民，李 欣
（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240）
摘要：大型深水起重船是海洋油气开发、海上风电设备安装中不可缺少的一项重要装备。以一艘最大起重能力达 16 000 t
的半潜式起重铺管船为研究对象，分别用数值模拟和模型试验的方法研究其在波浪作用下起吊准备状态的运动性能。数值模 拟方法基于三维线性势流理论，分别从频域和时域两个方面分析，得到船体在不同浪向下运动的 RAO、时例曲线以及统计 值；模型试验对该起重铺管船进行静水衰减试验、白噪声试验和不规则波试验，分析结果并与数值模拟方法相对比。结果表 明，数值模拟和模型试验得到的结果非常吻合，数值模拟方法具有较高的可靠性；半潜式起重铺管船在波浪中拥有良好的运 动性能，在有义波高 3 m、平均过零周期 8.3 s 的工作海况下能够有效地进行作业。
关键词：起重船；频域分析；时域模拟；模型试验
1引 言
随着海洋石油开发、大型海上工程、沿海风电设备安装和海难救助事业的发展，大型起重船作为不可 缺少的一种工程船舶，其需求正在迅猛地增加[1]。
海洋工程起重船，通常是指在船艏甲板上加装吊车后具有了水面上起重能力的船舶。1963年，Heerema 公司通过将一艘邮轮进行改造，使其具有了150 t的起重能力，这是世界上第一艘起重船。随着技术的发展， 起重船的起重吨位变得越来越大，同时也针对不同的定位、目标和环境发展出形式多样的新型海洋工程起 重系统。当起重吨位超过2 000 t以后，出现了船型（图1a）和驳型（图1b）的浮式起重船，如Saipem公司 的Saipem 3000和Castoro Otto[2]；Acergy公司的Sapura 3000和Seaway Polaris[3]。这些工程船舶都具有几千吨 的起重能力，而且具有多种不同的用途。随着起重吨位的进一步增大，各大海洋工程公司开始采用半潜式 起重系统（semi submersible crane vessel, SSCV）（图1c）。这类半潜式起重船类似于半潜式平台，船体主 要由三部分组成：浮体、上层甲板和起重机。下层的浮体起到提供稳性支持的作用，因而其起重能力大大 增加。目前世界上已经有6艘半潜式起重船（SSCV），起重最大的起重能力已经达到了14 200 t，但过万吨 起重能力的仅有两艘（见表1）。
90 m，主甲板距基线 48 m。该船下浮体为双体浮箱用来提供浮力，每个浮箱上有 5 个立柱。两座起重机位 于船尾主甲板左右两侧，单座最大起重能力为 8,000 t，当最大起重状态时，吊臂最大回转半径为 50 m，主 吊钩最大高度为可达到主甲板以上 130 m。该起重船采用 DP3 动力定位方式，左右浮箱底部共包含 14 个 螺旋桨。
2 −4 −5 exp − 1.25
f γ T −4
exp
⎡ ⎢⎣
−
p
f
−1
2
/
2σ
2
⎤ ⎥⎦
sp
p
（1）
α=
0.0624
0.230 + 0.0336γ − 0.185/(1.9 + γ )
其中， S ( f ) 为谱密度函数， Hs 为波浪的有义波高， Tp 为谱峰周期， f 为波浪频率， g 为重力加速度，
通过图 10~12 的 RAO 曲线可看出，驳船的垂荡和纵摇峰值出现在周期为 15 s 以上，垂荡峰值为 1.6， 纵摇峰值为 2.7，横摇的峰值出现在 30s 附近，最大峰值为 2。由此可以看出对于半潜式船体的设计，使得 摇荡运动峰值均有效的避开了自然海域中出现较为频繁的波浪周期；尤其是对横摇的改善最为显著，一般 船体横摇的固有周期在 10~15 s 之间，对横浪状态下运动响应会十分显著，半潜式船体则很好地改善了这 个问题。通过比较图 10~12，可以看出垂荡、横摇和纵摇的峰值处的周期不随入射波角度的变化，只和船 体自身的固有周期有关；垂荡的峰值大小随船首夹角的增大而增大，即横浪时的垂荡峰值最大；纵摇的峰 值大小随船首夹角的增大而减小，即首迎浪时最大，横浪时为零；横摇的峰值大小随船首夹角的增大而增 大，即首迎浪时为零，横浪时最大。
1988
14,000
1979
8100
1978
3360
1979
1820
1978
6945
主尺度/(m×m×m)
201.6×88.4×49.5 198×87×43 154×86×42
146.3×51.9×36.6 --
154×86×42
图 2 16 000 t 起重铺管船总布置图
图 3 简化的定位方式布置图
为了研究浮吊作业中该起重船的运动性能，分别选取起吊准备状态（即空勾）为数值模拟的工况，船
体和重物的质量、重心、惯量数据见表 2。其中船体的纵向重心位置相对于船尾，指向船首为正；垂向重 心位置相对于船体基线，向上为正；回转半径均以该物体重心为参考点。由于本文主要研究起重船的垂向
运动（即垂荡、横摇、纵摇），且为了便于模型试验的操作，因此对于 DP3 动力定位进行了简化，采用四
根水平拉出的软弹簧代替来模拟水平运动的约束（如图 3）。
根据作业海域波浪资料，作业水深为 500 m。环境选择只考虑波浪荷载作用，风和流均暂不考虑。波
浪谱选择 JONSWAP 三参数谱，有义波高为 3.0 m，平均过零周期为 8.3 s，公式如下[7]：
[ ( ) ] ( ) H T f T S( f ) = α
采集的波浪谱与理论目标值的比较，可知试验中的波浪模拟精度很高。此外可以看出入射波浪的圆频率发 生在 0.4 ~1.5 rad/s，即周期在 4.19 ~15.7 s；且主要能量集中在圆频率 0.5 ~0.7 rad/s，即周期在 9~12.6 s。
4 结果与分析
针对起重准备状态，首先从频域分析角度分析船体的运动性能。通过频域数值计算方法和白噪声试验 分别得到了波浪频率从 0.1 ~1.5 rad/s、浪向角从 0°~360°入射波作用下，驳船六自由度的运动传递函数 （RAO）。图 10~12 分别是船体在首迎浪、首斜浪和横浪作用下的垂荡、横摇和纵摇的 RAO，两者进行对 比，结果均吻合良好，从而证实了频域分析方法对于该船体具有较好可靠性。
白噪声试验通过有众多规则波组成的一段频率带较宽的波浪序列作为输入（如图 8），其中纵轴为波浪
谱密度函数 S ( f ) ，横轴为入射波的圆频率，有效值在 0.2 ~1.4 rad/s 之间，通过试验可测得船体运动的响
应值，并使用谱分析方法得到响应谱密度，最终得到单位响应运动谱密度，即 RAO。 不规则波浪试验中模拟的波浪的有义波高为 3.0 m，平均过零周期为 8.3 s 的不规则波浪，图 9 为试验
最大的起重船。目前我国在半潜式和超大型起重设备方面还没有相应的起重船，这在很大程度上限制了我
国对深海资源的快速开发利用，因此开展半潜式起重船的研究十分必要。
随着大型海上工程起重船舶的发展，各国对该类船舶的关键技术也开展了有针对性的研究。由于海上
作业受自然条件影响极其严重，为了增加船舶的海上作业能力和自存能力，有必要对船舶抵抗自然条件能
[−ω2 (M + A(ω)) + iω (C(ω) + D1 ) + K + Fe ]X (ω, β ) = F(ω, β )
(2)
其中，ω 为波浪圆频率； β 为波向角； M 为质量矩阵； A(ω) 为附加质量矩阵； C(ω) 为势流阻尼矩阵；
第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集
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D1 为线性阻尼矩阵； K 为静水回复力矩阵； Fe 为外部回复矩阵； X (ω, β ) 为船体六自由度运动矢量； F (ω, β ) 为波浪诱导荷载。
f p 为谱峰频率，有 f p =1/TP，γ 为谱峰因子，σ 为形状函数（ f > f p 时，σ =0.09； f < f p 时，σ =0.07）。
表 2 半潜式起重船的船体参数
名称
船体参数
吃水/m 排水量/t 重量/t 纵向重心位置/m 垂向重心位置/m 横摇回转半径/m 纵摇回转半径/m 首摇回转半径/m
25.33 250108.6 250108.6 102.24
28.68 42.03 69.51 69.68
2.2 计算理论[8]
数值计算过程中，对上文选择的工况分别进行频域和时域分析。频域分析中，使用三维势流理论计算
船体的附加质量、阻尼系数等水动力参数以及船体运动响应传递函数（Response amplitude operator, RAO） 等。速度势采用 Green 函数及边界元方法求解。频域中船体的运动方程可表示为：
名称
Thialf/ DB-102 Saipem 7000
Hermod DB-101 DB-100 Balder
所属公司
Heerema Saipem Heerema McDermott McDermott Heerema
表 1 目前世界现有的半潜式起重船[1]
建成年份
最大起重能力/t
1985
14,200
3 模型试验[5]
模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的深水试验池中进行，模型缩尺比为 1：64。模型 按缩尺比精心加工制作，模型尺度的加工误差小于 1%，重量和重心位置的误差小于 1 %，各轴向惯性半 径的误差小于 3 %。试验过程所有的测量数据以 20 次/秒的采样速度记录在计算机中，每个试验工况的测 量时间不少于 15 分钟(相当于原型 1.5 小时)，以获得足够的数据进行统计分析和谱分析。