横向补给状态下两船的摇荡运动特性

2014-12-07何学军谭智尤

舰船科学技术 2014年10期

何学军，谭智尤，余鹏

(海军工程大学勤务学院，天津300450)

0 引言

目前，我国设计的综合补给船上干、液货横向装置采用的都是高架索法的形式，对高架索补给系统的研究也越来越多。航行于海洋中的船舶，在风、浪、流等外在激励的扰动作用下将产生摇荡运动。摇荡运动对船舶的航行安全及营运效率都会产生不利的影响，当摇荡幅度过大时甚至导致船舶倾覆事故。

根据船舶的耐波性［1］要求，要使船舶在波浪上具有优良的横摇性能，一是设法增加横摇阻尼，如安装减摇装置;二是航行中随时调整航速、航向。浮体运动分析从Froude 对横摇运动的研究，发展到无航速、有航速时船舶的摇荡三维流体动力学计算［2］。勾莹，滕斌等［3］应用边界积分方程方法研究了波浪与2个相连三维浮体的相互作用问题，并考虑了两浮体之间的水动力干涉。何林、黄胜［4］等分析补给航行中两船之间的水动力和对船舶操纵的影响，为舰船海上横向补给间距、航速以及补给站位的优选提供一定的技术指导。石丽娜［5］以拖船和一条无自航能力的被拖船所组成的拖航系统为研究对象，采用AQWA 程序对该系统进行仿真，研究和分析了影响拖航系统性能的各种因素。

1 两船有限元模型的建立

以两船横向补给系统为研究对象，以三维建模软件UG 建立仿真模型，利用多体水动力学分析软件AQWA 对其进行仿真分析。AQWA［6］具备完整的船舶与海洋结构分析能力，本文主要用其AQWA－Line、AQWA－Naut和AQWA－Drift 模块。两船具体参数如表1所示，进行适当的参数设置后得到的有限元模型如图1所示。

表1 补给船和接收船的主尺度参数Tab.1 Principal dimensions of two ships

图1 两船的有限元模型Fig.1 The FEM of the two ships

2 横向补给状态下两船耦合运动方程

高架索连接下补给船和接收船两船联立运动方程可表示为［7］:

式中:ω为入射波频率;Mijd，Mijr分别为补给船d和接收船r的质量阵;μij，λij分别为流体附加质量矩阵和附加阻尼矩阵;Cij为静水恢复力矩;ηj为浮体运动响应列阵;Fi为波浪激励力列阵;TF为高架索瞬时张力。

高架索瞬时张力在其船舶运动方程中可用系数矩阵表示为:

式中:HA=Tcosα;VA=Tsinα;HB=Tcosα;VB=Tsinα。其中HA，VA和HB，VB分别为补给门架和接收门架上的挂索点的水平张力及垂直张力;xA，yA，zA和xB，yB，zB为两船挂索点相对于各自舰船重心处的x，y，z 向坐标;T为高架索恒张力;α为索道与y 轴方向的夹角。

3 两船摇荡运动特性数值计算结果及分析

船舶航行时，作用于船上的波浪周期已不是波的真实周期，而应是遭遇周期。航速、航向改变了波浪遭遇周期，从而影响船舶在波浪上的摇荡运动性能。取高架索运送货物2 t，高架索恒张力T 取90 kN，索道与Y 轴夹角为α =180°－4.0°，发送柱高10 m，接收柱高5 m，补给点高度差为5 m。取两船船中在同一平面上，两站同时补给，两补给占位纵向相距50 m，船舷横向间距60 m，无限水深。

图2 分别是正迎浪补给时补给船在不同航速下的横摇、垂荡和纵摇辐射阻尼、RAO 频响曲线。相对于横摇运动，船速对船舶迎浪航行时的垂荡和纵摇运动影响较大。航速越大，横摇辐射阻尼的变化并没有引起峰值频率明显变化;垂荡、纵摇运动阻尼力不可忽略，其中航速对纵摇阻尼影响比对垂荡阻尼影响更明显，RAO 峰值频率也有明显变化。故不能把静水有阻尼垂荡、纵摇周期看作是有航速时的垂荡、纵摇固有周期。

随着航速的增加，横摇、纵摇运动幅值随之增加，垂荡运动幅值则变化不定;同时纵摇运动幅值峰值继续向低频区移动，更加远离其纵摇固有周期，不易发生共振。考虑船舶操纵性的需要，航速不能太低，同时横摇和纵摇都具有较小的摇幅，存在一最佳的航速范围。

图2 补给船横摇、垂荡、纵摇的辐射阻尼、RAO 频响曲线Fig.2 Frequency response curves of Radiation Damping and RAO in the rolling，heaving，pitching direction

图3 给出了补给船各方向RAO 在不同浪向角下的频响曲线。相对其他浪向角，迎浪180°时具有较小的运动幅值响应。浪向角为145°时，补给船处于迎风面，其纵向运动幅值要大于－145°时的幅值，体现了大船对小船的遮蔽效应;但对横向运动则相反，其原因是大船对小船的水动力作用更明显，侧向力较大。其中垂荡和纵摇是六自由度运动中最为激烈的。

取P－M 波谱，有义波高取为3 m，跨零周期7.2 s。浪向角为－170°时，有、无高架索各自由度方向上的运动幅值时间历程响应作对比，其中无高架索即自由两船耦合运动幅值时间历程响应如图4所示。高架索下两船耦合运动幅值时间历程响应如图5所示。在高架索补给条件下，补给船的各运动幅值要小于自由两船耦合运动幅值，说明高架索张力的存在会减弱两船的耦合程度。