船舶水面拖航系統運動性能研究進程范文

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摘要：綜述船舶水面拖航系統運動性能研究的進展情況，按照經驗公式與圖譜研究法、水池試驗研究法和數值計算模擬研究法等3種方法進行分類，闡述拖航力計算方法、拖航系統水池試驗技術、拖帶船舶水動力載荷與運動特性和拖帶系統操縱運動模擬方法等方面的技術現狀，為拖航系統運動性能研究提供參考。

關鍵詞：水面拖航系統；運動性能；經驗圖譜；水池試驗；數值仿真

0引言

隨著船舶工業、海上工程和港口建設等不斷發展，與其相關的海上裝置的數量不斷增多、規格不斷增大，半潛式起重船等工程船、海上浮式生產儲油卸油裝置（FloatingProductionStorageandOffloading，FPSO）和海洋平臺等浮式結構物需通過拖航進行運輸，海上拖帶業務日益頻繁[1]。海上船舶在遇險之后需盡快通過拖航拖至安全海域、港灣或修船廠。根據日本相關機構對其近海海域的海難事故所做的調查報告，該海域需救助的遇難船舶日益增多，其中中小型船舶占70%左右，貨船和油船每年占20%~30%[2-3]。拖航作業需求不斷增多，拖航風險和拖航事故發生率不斷提升。根據世界近海事故數據庫（WOAD）所作的北海區域1980—1989年無動力船舶近海事故詳細報告，拖航事故約占風險總量的10%，屬于高頻事故[4]。影響海上拖航安全的主要因素[5]包括：主拖纜斷纜導致的拖船和被拖船操縱失控；被拖船過度偏蕩導致的拖帶失控；主拖纜纏繞螺旋槳導致的帶纜失敗及拖船失控。國際上導致大型移動裝置全損的首要原因是斷纜（約占20%），其中拖具原因經驗百分比達38%。就斷纜發生部位來看，拖船船尾經驗百分比達30%，彈性尼龍繩經驗百分比達28%，拖纜中部經驗百分比達7%[6]。為保證拖航作業順利開展，盡量降低拖航風險，船舶拖帶航行運動性能研究受到廣泛關注。近年來，相關學者從拖航力計算方法、拖航系統水池試驗技術、拖帶船舶水動力載荷與運動特性和拖帶系統操縱運動模擬方法等方面著手，開展了大量研究工作。本文按照經驗公式與圖譜研究法、水池試驗研究法和數值計算模擬研究法等3種方法進行分類，綜述船舶水面拖航系統運動性能研究現狀，為后續拖航系統運動性能研究提供參考。

1經驗公式與圖譜研究法

中國船級社于1997年頒布《海上拖航指南》（以下簡稱《指南》）[7]，并于2011年對其進行補充完善[8]。《指南》中給出海上拖航阻力估算方法，按摩擦阻力、剩余阻力和空氣阻力對拖航阻力進行分類，通過經驗公式對3種類型的阻力合成進行拖航阻力估算。文獻[9]按照《指南》中的方法對打樁工程船進行拖航阻力計算，并繪制拖航阻力曲線；文獻[10]根據《指南》中的方法計算工程船海上拖航阻力，對選擇合適拖力的拖船拖航進行指導；文獻[11]對半潛駁船拖航沉箱施工中的拖航阻力進行計算，有效選擇匹配的拖船進行施工，降低沉箱拖航施工成本。《美國海軍拖航指南》[12]指出，拖帶纜繩極限張力由穩態拖纜張力、偏航運動引起的拖纜張力和在波浪中運動引起的拖纜張力等3部分疊加而成。《美國海軍拖航指南》對多種拖帶航行工況進行計算統計，包括2種拖船類型（T-ATF166艦隊拖船和ARS50打撈救生船），5種被拖船類型（FFG1導彈護衛艦、YRBM潛艇修理停泊及食宿駁船、DD963驅逐艦、AE26彈藥船和LHA1直升機登陸突擊艦），4種風速（15kn、20kn、25kn和30kn），4種有義波高（1.22m、2.19m、2.77m和5.00m），3種拖帶航速（3kn、6kn和9kn），5種拖纜長度（300m、360m、450m、540m和630m），4種浪向角（0°、60°、120°和180°），計算在上述工況下拖纜的極限張力，并給出拖纜平均張力與極限張力的關系圖譜曲線。文獻[13]對比分析《指南》與《美國海軍拖航指南》中有關拖航阻力和動態纜繩張力計算的內容，以3000噸級多功能漁船拖航計算為例，說明船舶海上拖航纜繩張力的計算方法。經驗公式與圖譜研究法可用來計算拖帶力，但存在一定的局限性：1)《指南》中僅給出拖航阻力的計算方法，并沒有計及波浪的影響；而經驗公式和圖譜都是在現有常規船型實際拖航數據的基礎上總結歸納得出的，對新興船型拖航的適用性有待考究。2)拖帶航行是較為復雜的海上活動，拖帶力與風浪條件、拖航時間和裝具新舊等都有一定關系，經驗公式與圖譜研究法很難準確給出上述參數的變化對拖帶力的影響。

2水池試驗研究法

國內拖帶航行運動性能水池試驗研究方法多為按照一定的縮尺比以幾何相似（包括船體線型相似，拖纜的直徑、長度、安裝位置和龍須角相似等）和力學相似（包括拖纜軸向剛度相似等）為條件，在拖曳水池開展規則波和不規則波試驗，研究環境條件參數和拖纜配系參數等對拖航穩性、拖航系統動力學響應和拖纜張力的影響。黃祥兵等[14]在華中科技大學拖曳水池對某型船單纜拖帶運動進行試驗模擬，探討拖帶方式、被拖船系纜點位置、系纜方式、纜繩質地選擇、拖纜長度和拖帶速度等拖帶配系參數的改變對船舶動力學響應和系纜力的影響。試驗結果表明：被拖船在水平面內的振轉運動（見圖1和圖2）具有強烈的非線性特征；拖帶速度越大，被拖船系纜點位置越遠離船的重心，船舶越易出現振轉運動；纜繩的彈性系數是單點拖帶系統抗沖擊力的關鍵因素之一。趙戰華等[21]在中國船舶科學研究中心深水拖曳水池中開展半潛式自航工程船拖航模型試驗，在水池一端布置16單位搖板式造波機模擬長峰不規則波，用細鋼絲繩模擬拖纜，進行有呆木和無呆木工況下的靜水橫搖衰減試驗、靜水中的拖航試驗和波浪中的拖航試驗。試驗結果表明：半潛式工程船在波浪中航行時，呆木可明顯減小船的搖擺運動，對穩定其航向有明顯的作用；有無呆木對拖纜力的影響不大，在波浪中拖航時，波浪對改變拖纜力的大小起主要作用。由于試驗設備和條件的限制，上述拖航試驗模型都以單一被拖船為研究對象，將拖纜一端系固于拖曳水池中的拖車上來模擬拖航運動，而實際上海上拖航作業是拖船、拖纜和被拖船組成的系統的無約束運動，且三者之間的運動是相互關聯的。戚心源等[22]借助自航航向穩定裝置使拖船和駁船的6個自由度均處于無約束狀態，以2600馬力（約1912kW）拖船、“重任702”駁船和拖纜聯結后的狀態為研究對象，在中國船舶科學研究中心大型耐波性水池中完成不規則波工況下的拖航試驗，有效模擬拖航系統的海上拖航，探討纜長、浪向和航速等對拖航系統運動響應和拖纜力的影響。文獻[23]~文獻[27]用1:100縮尺比的船模模擬類似“開拓者”號受損時的船體拖航狀態。在船模兩舷設置模擬破損的開口，舷側開口處可通過口蓋保持水密狀態；在船尾下方設置箱狀居住室，在此基礎上模擬傾覆狀態。試驗時在經船模中心線單點連接的拖纜與連接彈簧之間加入拖纜張力儀，由拖車拖曳航行。試驗中模擬橫傾、艏縱傾、艉縱傾、傾覆和破損狀態；拖纜張力通過環歸測試；搖蕩通過設置于船體橫向、船體上方和艉部的3臺PSD攝像機，對船體上的3個非接觸發光二極管傳感器信號進行采集、分析。試驗結果表明，有海水進入破損船體內的拖航阻力基本上與速度呈三次方關系。ZAN等[28]在馬來西亞理工大學海洋科技中心的拖曳水池（長120m，寬4m，深2.5m）用日本廣島大學的駁船模型（長1.219m，寬0.213m）對3種不同拖纜布置方式進行靜水中的拖航試驗，拖帶航速為0.5m/s。試驗中用跟蹤管理器（QTM）記錄被拖船模6個自由度方向上的運動。試驗結果表明：對于“直線型”拖纜，隨著纜繩長度的增加，被拖船的橫蕩運動位移增加；對于“V型”拖纜，隨著V型部分夾角的減小，被拖船的橫蕩運動位移減小；對于“虎口”型拖纜，被拖船的橫蕩位移幾乎為零，但從拖點開始有較大的偏航角，同時對應的受力要大于另2種拖纜。

3數值計算模擬研究法

3.1國內數值模擬研究

3.1.1基于三維勢流理論的拖航模擬

基于三維勢流理論、波浪的輻射/衍射理論，可應用水動力分析軟件AQWA中的AQWA-LINE和AQWA-DRIFT模塊，對拖航系統進行頻域和時域內的數值模擬與計算。AQWA軟件不僅可解決風、浪、流聯合作用下的拖帶航行運動問題，還可考慮船體之間的水動力干擾，對多船拖航進行數值模擬分析。石麗娜[29]對拖航系統進行風、浪、流載荷作用下的時域運動仿真，研究拖航速度、拖纜長度、吃水、縱傾和環境條件等參數對拖航系統的運動狀態和拖纜力的影響，探討多船拖航方案和拖航參數的優化配備問題。唐振新[30]對時域內風、浪、流綜合作用下自升式平臺-拖纜-拖船組成的系統在靜水和水流中的拖航進行拖帶運動分析，研究各主要因素（拖纜長度、拖航初始速度、平臺吃水情況及環境）對平臺拖航穩性的影響。朱緯龍[31]預報自升式儲卸油平臺六自由度運動響應及其典型剖面的垂剪力和彎矩值，研究拖纜長度、拖航速度、艏傾、艉傾、淺水效應、風載荷、流載荷和風浪流的聯合作用對拖航系統的影響。基于三維勢流理論對拖航系統進行數值模擬尚存在一定的局限性，拖航系統是由拖纜、拖船和自升式平臺組成的非線性系統，復雜的非線性和相互作用的邊界條件將是進一步研究時需考慮的問題；同時，AQWA軟件只能模擬直拖，若考慮拖航系統的回轉性能，還需編寫外部程序，通過接口與軟件相連接。

3.1.2基于被拖點位置匹配法的非線性拖航模擬

文獻[32]~文獻[34]基于船舶操縱性運動方程和拖纜的三維動力學運動方程，提出被拖點匹配方法，構建拖船-拖纜-被拖船整體的非線性拖帶動力學方程。該方法采用PD控制方法模擬拖船航向改變的運動過程；被拖船采用水平面四自由度運動方程，并引入風、浪的作用力和力矩；拖纜張力采用被拖點匹配技術確定。通過模擬由5000t拖船和3000t被拖船組成的系統發現，結合拖點匹配技術的拖船-拖纜-被拖船整體的非線性拖帶動力學方程在時域內能有效模擬拖帶運動。此外，得到以下結論：1)波浪載荷、風載荷是拖航的擾動因素，其作用導致拖帶航向的穩定性降低。2)若拖帶航向穩定，則橫向穩性能得到保持；若拖帶航向不穩定，則可能導致橫向不穩定。3)具有航向穩定性的船舶的拖帶穩定性僅與拖點位置有關，拖點位于水力作用點之前即可使拖帶航向保持穩定。4)增加拖纜長度或選擇彈性大的拖纜能有效抑制拖纜張力的高頻振蕩。5)改變拖帶航速對拖帶航向穩定性無影響，但增大拖帶航速會加快拖帶航向的響應，同時會增加航向角的超調量。上述研究對開展拖航作業具有一定的指導意義，但有待進一步深入研究，主要體現在以下3方面：1)僅對具有航向穩定性的船舶進行波浪作用下的拖帶運動數值計算，需進一步對不具備航向穩定性的情況進行研究；2)研究中拖纜與被拖船通過被拖點位置匹配，計入拖纜與被拖船的相互作用，但未考慮拖船與拖纜之間的相互作用；3)數值計算中拖船采用水平面三自由度運動方程，即考慮3個平動運動自由度，被拖船采用水平面四自由度運動方程，在3個平動運動自由度的基礎上增加橫搖運動方程，有待進一步研究。

3.1.3基于MMG分離式操縱模型的拖航模擬

梁康樂等[35]采用船舶操縱運動數學模型小組MMG（ShipManeuveringMathematicalModelGroup）的分離式操縱運動模型和拖纜懸鏈線模型構建拖船-拖纜-被拖船組成的拖航系統操縱運動模型，數值模擬拖航系統直航、改變航向和受到小擾動時的運動，并調整纜長、航速和拖點位置，觀察拖航系統的航跡、航向角和拖纜張力的變化。同時，對水動力導數進行淺水效應修正，就淺水效應對拖航操縱性的影響進行初步分析和探討。研究結果表明：增加拖纜長度能有效改善拖航系統的穩定性，并減小拖纜張力的振蕩幅度；被拖船拖帶點的位置越靠前，越能提高拖航系統抵抗外力擾動的能力，并使航向穩定性變好；淺水效應使拖航系統的航向穩定性變好、航向改變能力變差，在狹水道改向時應特別注意這一影響，選擇適當的轉向點；改變自動舵的PD控制參數能有效減小拖船的航向角振蕩幅度，并能使系統由不穩定狀態轉變為穩定狀態。上述研究沒有考慮被拖船情況對拖航系統偏蕩的影響。洪碧光等[36]利用MMG分離型建模思想建立拖航系統運動數學模型，并通過仿真研究拖航速度、拖纜長度、水深、裝載情況及風和流對被拖船偏蕩的影響，得出可通過改變被拖船裝載情況來抑制拖航過程中的偏蕩的結論。然而，該研究只考慮船舶在水平面內的運動，即考慮進退、橫移和轉艏的3自由度方程，忽略了縱蕩、橫搖和垂蕩運動及拖船與被拖船之間的水動力干擾對拖航結果的影響。

3.2國外數值模擬研究

近年來國外學者在水面拖帶航行系統運動性能計算模擬研究方面主要致力于解決以下問題：1)耦合拖船-被拖船-拖纜的非線性問題數值計算方法；2)對拖航過程中的回轉運動特性、破損船舶的拖航穩定特性等進行仿真計算；3)將減小拖航系統運動響應和提升拖航穩性的方法（如使用有艉鰭的拖船、采用電流舵控制）的效果預報評估加入數值仿真計算內容中。文獻[37]和文獻[38]將由模型試驗測得的水動力加入操縱性方程中，假定拖纜為剛性纜，數值計算平載狀態和艏艉存在吃水差狀態的拖航系統的航向穩定性，并研究舵控系統對拖航系統操控的影響。結果表明，用電流舵可使拖航系統在沒有大橫蕩和大艏搖的情況下保持航向穩定性。FITRIADLY等[39-40]對定常風條件下被拖船的非線性回轉特性進行分析，采用操縱性方程描述拖船和被拖船的運動，采用二維集中質量法求解耦合動態張力的纜繩運動，采用Newmark-beat法進行數值方程求解。研究結果表明：在風向為120°工況下，無艉鰭被拖船的航向角有所減小；在順風和迎風工況下，有艉鰭被拖船（見圖5）會產生較大角度的艏搖，尤其是在高風速下會增加被拖船的回轉運動；在無風工況下，增加拖點位置與被拖船長的比值可減小回轉運動。FITRIADHY等[41]根據耦合拖船與被拖船運動的平穩轉向運動理論提出松弛拖纜計算公式，對平穩轉向拖航運動進行線性和非線性時域數值計算，同時在日本廣島大學的拖曳水池中進行測試（見圖6）。研究結果表明：非線性時域計算結果與測試結果更接近；增加拖纜長度，艏搖運動響應增大，更易使拖纜在轉向過程中進入纜繩松弛狀態，從而造成拖航失控。的運動及拖點張力。

4結語

關于船舶水面拖航系統運動性能研究，國內外相關學者已從經驗公式、統計圖譜、拖曳水池試驗、耐波性水池試驗、三維勢流理論和時域非線性方法等方面開展諸多工作，但仍需進行深入研究，主要體現在以下幾個方面：1)進一步研究解決耦合拖船-被拖船-拖纜的拖航六自由度運動的復雜非線性問題的方法，計入水動力的非線性部分，考慮風、浪、流的聯合作用，準確、全面、盡量真實地反映拖航系統的運動響應特性和操控規律；2)繼續深入研究多種保持直線拖航穩定性、拖航回轉穩定性的手段，并通過水池試驗或數值模擬開展研究，預報評估保持拖航穩定性的效果，最終得到有關船舶水面拖航系統設計的指導性結論；3)將研究對象拓展至受損船舶，進一步深入研究受損船舶在不同損傷狀態下的拖航運動特性，通過水池試驗或數值模擬方法研究受損船舶在拖航部署實施中最有可能出現的工況。

作者：劉艷敏1,2；邢福1,2；周佳1,2 單位：1.中國船舶科學研究中心，2.深海載人裝備國家重點實驗室