全回转起重船作业过程稳性仿真

张明霞，夏益美，林 焰，肖进军

（1.大连理工大学 船舶CAD工程中心，辽宁 大连116024；2.烟台打捞局，山东 烟台264000）

随着海洋事业的发展，大型海上工程如跨海大桥的建设方兴未艾，海洋油气开发项目也持续不断，除了海上设备安装之外，平台拆除也提上议事日程。我国有近百座海上建筑物已列入拆除计划。海上工程的施工，都需要起重船。起重船作业过程是一个庞大复杂的系统工程，成本极高，作业环境又非常复杂：在极短时间内起吊数千吨重物，即在短时间内船舶排水量急剧增加数千吨之多；按规范，吊重的重心要算在吊钩以上的滑轮心轴上，该点距水面数十米，甚至上百米，使全船的重心一下提高很多；起吊重物的重量与吊幅的乘积产生巨大的倾斜力矩，船舶浮态在短时间内发生巨大变化，静倾角可能达到7°～8°［1］。

目前，起重船在实际作业过程中，往往是根据操作手册或者依据操作者经验。在操作手册中，通常只能选取典型的几种装载状态，进行稳性计算校核。不仅工作量大，也不能够全面地显示实际作业过程中起重船的性能特点。这给整个作业过程留下了安全隐患。以1 700t全回转起重船为背景，将计算机实时仿真技术引入作业过程，在实际施工之前用计算机进行模拟施工，就能提早发现施工过程中存在的一些不确定因素，以便采取相应的措施，提高作业过程的可靠性、经济性及安全性。

1 仿真实现方法

当今用于可视化仿真的工具软件很多，但是多数只能够离线制作动画进行仿真。为了达到稳性仿真的实时性，则必须从底层开发三维视景系统。

OpenGL是美国从事高级图形和高性能计算机系统生产的SGI公司开发，可独立于操作系统和硬件环境的三维图形库。目前它已成为开放式的国际图形标准，被广泛地应用于科学计算可视化、模拟仿真等诸多领域。

1.1 起重船几何建模

要使可视化系统直观、准确、生动，起重船几何物理模型的建立是至关重要的。

OpenGL没有提供高级命令函数来定义复杂的三维形体，只提供了基本的点、线和多边形方式构造3D模型。这就要利用一些优秀的商业建模软件建模，在OpenGL中加以采用并进行实时控制。

为此，采用分层建立模型的方法［2］。以建立起重机的模型为例，起重机吊臂的运动有俯仰运动，旋转运动等。可把起重机进行分层建立模型。在3dsMAX中，把具有相同运动的物体组合成object如：起重机座，起重机压载箱等。在导出3ds文件时先后选中每个object，选择Export Selected命令，分别导出每个object。按实物尺寸，以1∶1的比例，灵活运用3dsMAX的编辑方法，得到起重船几何建模。

1.2 起重船几何模型的读取

在OpenGL中建立自己的数据结构存储模型数据；从3ds文件中读取数据将其存储到OpenGL程序中；建立OpenGL绘制模型的显示序列。

1.3 OpenGL中起重船模型的重现

首先设置像素格式，接着进行投影变换和视口变换，然后进行灯光、材质、颜色等的设定，最后自定义函数实现模型重绘。

由于读取和再现程序简单，这里不再列出。

2 起重船作业过程的稳性计算

2.1 坐标系定义

采用两个左手直角坐标系研究船体的空间位置：与静止海面相固定的固定坐标Oξηζ；与船体相连的船体坐标系OXYZ。船体坐标系的原点O选在船的基平面、中横剖面和中纵剖面的交点上，规定X轴指向船首为正，Y轴指向右舷为正，Z轴向上为正，见图1［3］。

图1 坐标系

针对起重船的特殊性，增加一个局部左手直角坐标系：与船体相连的起重机坐标系O′X′Y′Z′。起重机坐标系的原点O′选在起重机基座上表面、起重机的重心面和船的中纵剖面的交点上，规定X′轴指向船首为正，Y′轴指向右舷为正，Z′轴向上为正，见图1。

2.2 船舶浮态数学模型

在计算起重船的完整稳性时，由于只考虑垂直力的作用，只要一个线坐标和两个角坐标参数就可以确定船舶的位置。选择符拉索夫参数为浮态参数，包括平均吃水Tm、横倾角θ和纵倾角φ。其中平均吃水是在船体坐标系Z轴上自坐标原点O到水线面的距离，基准面以上为正；θ是在船体中横剖面上量取的，向右舷横倾为正；φ是在船体中纵剖面上量取的，首倾为正［3］。

为了描述起重机的具体状态，增加了两个起重臂的参数，包括起重臂的俯仰角α，起重臂的旋转角β，见图2（O′C为起重机吊臂）。

图2 起重臂参数示意图

由空船重量m1（包括燃油、物品等）、起重机和吊重重量m2、压载水重量mj（j号舱）及船体几何外形等信息建立船舶浮态方程组，通过求解浮态方程组求得浮态参数：

式中：m——船舶总重量；

xc、yc——船舶重心坐标；

x2、y2——起重机和吊重的重心坐标；

w——吊重。

2.3 起重船作业过程的稳性计算

利用已知的船型数据、各压载水舱室的数据和起重机数据文件，在作业范围内调整起重臂俯仰角、旋转角，求出当前的实际载况，进而计算浮态、稳性等参数，完成完整稳性的计算［3］。系统流程见图3。

图3 全回转起重船作业稳性计算流程图

3 作业过程的运动仿真

3.1 软件开发

仿真系统是在Windows2000平台下用Visual C++6.0开发完成的。利用3dsMAX获得3D模型，在VC6.0环境下调用OpenGL函数，读入模型，并对起重船在虚拟环境中进行作业时的交互仿真。系统由输入输出接口模块、完整稳性计算模块和仿真功能模块组成［4］。

系统的输入输出接口实现人机交互功能；仿真系统的主要部分包括完整稳性计算模块和功能模块。功能模块主要包括：根据起重臂状态实现吊装任务的运动模拟，根据完整稳性计算结果实现船舶的姿态模拟（首尾吃水，左右舷吃水等），同时显示船舶的稳性曲线。

3.2 仿真结果及分析

以1 700t全回转起重船为例，起重船的主尺度见表1，起重机性能参数见表2。

表1 主尺度

表2 起重机性能参数

3.3.1 仿真结果

起重船载况主要分为三类［5］：拖航状态，作业状态，避风状态。起重船作业状态又分为：全回转作业和180o回转作业。起重船180o回转作业是指起重机荷重达到一定重量后，由于船舶安全限制，无法完成全回转作业，只能在船舶一舷作业。

该起重船最大起重能力1 700t，半回转作业，作业半径范围31～36m，如表3中的载况一、二；据船东反映该起重船经常在吊重560t，作业半径63m时作业，如表3中的载况三；该起重船最大作业半径80m，如表3中的载况四［6］。因此考虑四种典型作业载况，见表3作业工况参数。分别对这四种载况进行作业稳性实时仿真。

表3 作业工况参数

作业后船舶部分参数值见表4，稳性结果见图4～7。

表4 作业后船舶部分参数值＊

图4 作业过程各船舶横倾角变化

图5 作业过程中吊重倾侧力矩变化

图6 作业过程中规范要求初稳性高GM′变化

图7 作业过程中船舶稳性衡准K变化

3.3.2 结果分析

起重工程船作业时主要性能要求满足文献［5］相关规定。

1）横倾角的变化规律如图4所示，吊重倾侧力臂如图5所示。在作业过程中，随着起重臂旋转，吊重的倾侧力臂和船体浮态逐渐发生变化。在吊臂旋转到一侧与船体中心线垂直的位置时，船体的横倾角达到最大，如果吊重过大或作业半径过长，均会导致船体浮态超出安全浮态范围（规范要求一般横倾角＜5°，纵倾角＜2°）［5］。

对于全回转起重船，根据起重机使用要求（横倾角＜2°）［5］，因此吊重一旦超过一定范围，船舶浮态很容易就超出规范要求，为了安全作业就必须事先进行反向预压载，以保证作业过程船舶横倾角限制在规范要求范围之内，此时起重船就不能全回转，只能实现180°回转。

2）规范要求的初稳性高GM需要满足文献［5］规定。GM′的变化规律如图6所示，和表4中作业后船舶初稳性GM相比，起重臂旋转过程中，船舶初稳性高均富裕，可以较容易满足规范要求。

3）稳性衡准数K的变化规律如图7所示，在起重臂旋转到与船体中心线垂直的位置（即吊臂呈90°）时最小，而180°时达到最大。一般情况下都可以满足规范要求。就作业状态而言，180°回转作业（载况一，二），稳性衡准数较小，其变化范围也较小，是起重船作业稳性较差的工况。

4）根据表4中部分计算结果，作业过程中，即在起重臂旋转到与船体任意位置时，满足规范中拖航要求。

从上面分析看出，起重船的吊臂旋转到90°或与船体垂直时，是危险状态，此时船舶的初稳性高、横倾角、稳性衡准数等均为最小，而吊臂旋转到180°时或与船体平行时，各项指标达到最大。各项指标随着吊臂的旋转而呈周期变化规律。因此在作业前，必须先根据吊重、作业半径对船舶进行预配载，以求作业过程不致横倾角因过大而导致危险。

4 结束语

起重船作业环境以及作业条件是事先无法预料的，需要根据实际需求进行起吊，因此吊重有时比较重，有时比较轻，作业半径也随着实际作业需求而发生变化。因此对起重作业船来说，面临的最主要的问题就是在接到工程任务后，能够快速地进行作业前预配载，保证船舶作业过程安全可靠，同时作业过程可以实时监测，以提高起重工程船的作业效率与作业安全可靠性。

通过对全回转起重船作业过程进行实时稳性仿真，对四种典型载况分别进行计算分析，结果表明吊重越大、作业半径越大，其作业危险性增大的结论。此方法可以作为起重船作业安全性预报，为安全作业提供理论依据；可以根据仿真结果进行多次反复预配载调试，直到浮态与稳性等各项指标满足规范要求为止；同时本文工作也为起重船作业过程的实时监测提供技术支持，可以随时监测作业过程船舶浮态与稳性变化情况，及时发现潜在的危险，从而提高作业的安全系数，最终提高起重工程船的经济效益。

另外，作业时波浪也会对船舶的浮态与稳性造成一定影响，应该对其进行分析。这样计算仿真结果才更加可靠，更加接近实际海况。本文对波浪影响尚未考虑进去，这也是下一步继续研究的工作内容。

［1］张志明，徐丹铮，张 超，等.大型起重船船型开发的若干技术问题初探［J］.船舶，2005，2（1）：10-15.

［2］Mohammed F.Daqaq.Virtual Reality Simulation of Ships and Ship-Mounted Cranes［D］.Virginia：The Virginia Polytechnic Institute and State University，2003：5-32.

［3］盛振邦，杨尚荣，陈雪深.船舶静力学［M］.上海：上海交通大学出版社，2000：33-167.

［4］钱 能.C++程序设计教程［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［5］中国船级社.国内航行海船法定检验技术规则［S］.北京：人民交通出版社，2004：171-174.