重大件货物驳运波浪运动响应预报分析

刘燕星++陈晓明+江峰

摘 要：通过驳船载运重大件货物时，需要对其进行适当的系固绑扎。驳船航行时处于复杂的波浪环境，其在波浪中的运动加速度响应值可作为船上货物系固有效性的校核依据。本文基于水动力频域分析和波浪谱分析方法，采用水动力计算软件分析驳船载运桥吊的重大件货物载运系统在波浪中的运动响应，对桥吊载运绑扎系统在波浪中的运动加速度进行短期预报，作为绑扎方案安全性评估的技术依据。本文分析思路可为同类重大件货物驳运系固方案的校核提供参考。

关键词：重大件货物驳运系统；系固绑扎；运动加速度；短期预报

中图分类号：U661.32 文献标识码：A

Short-term Predictions of Heavy and Lengthy Cargo-barge Systems Motion Response in Wave

LIU Yanxing， CHEN Xiaoming， JIANG Feng

（ CSIC Architecture Design & Research Institute Co.， Ltd. Beijing 100024 ）

Abstract： When heavy and lengthy cargo is transported by barge， they should be secured and lashed appropriately. When sailing in wave， the barge will encounter complex wave loads. The barges acceleration of motion response in wave can be used for evaluating the securing plan. Based on the hydrodynamic frequency domain analysis method and wave spectrum analysis method， a barge carrying three bridge cranes is selected to analyze its motion response in wave by the hydrodynamic software. Short-term predictions of the motion acceleration for the heavy and lengthy cargo-barge system are the basis of the safety evaluation of the system.

Key words： Heavy and lengthy cargo-barge system； Securing and lashing； Acceleration； Short-term prediction

1 前言

重大件貨物通常指单件重量或尺寸过大的货物。由于重大件货物具有体积大、重量重、形状复杂等特点，普通的散货船及集装箱船难以承担其运输任务。国际上用于重大件货物载运的船舶主要是具有超大甲板和特殊稳性系统的驳船和专用重件运输船，其中又以驳船运输最为普遍。驳船在航行途中要承受复杂的波浪环境载荷，在三维空间上发生不规则摇荡运动，由此引起船上货物的纵、横和垂向三个方向的加速度，使货物发生或可能发生位移、倾覆或损伤。如果不对重大件货物进行适当的系固绑扎，轻则造成货物损毁，重则造成船毁人亡的海难事故。船舶加速度值作为校核船上货物系固有效性的重要依据，各国船级社和研究机构通过对实船和模拟船的加速度测试和数据分析，提出了对海船在设定的恶劣海况下确定其加速度值的计算方法。这类计算方法大部分对所载货物的类型有所规定，且是以基于规则本身所设定的恶劣海况为条件的，无法综合考虑具体船舶的实际航行情况。

本文基于水动力频域分析和波浪谱分析方法，考虑珠三角相关航线海域最高海况，采用AQWA水动力计算软件分析某驳船载运桥吊的重大件货物载运系统在波浪中的运动响应，对桥吊载运绑扎系统在波浪中的运动加速度进行短期预报，作为绑扎方案安全性评估的技术依据。本文应用水动力方法计算求取重大件货物载运系统在波浪中的运动加速度幅值，对于校核绑扎方案可靠性、保障重大件货物载运安全、避免事故发生具有重要的参考价值。

2 船舶波浪运动响应分析方法

船舶在波浪作用下会产生6个自由度的运动：纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇、摇首，并引起相应运动方向上的加速度。其中，船舶在某时刻重心G （ XG，YG，ZG ）处的运动为：

（1）

若将运动船舶视为刚体，则其上任一点 P（ xp， yp，zp）的线加速度为：

（2）

利用谱分析方法预报船舶在波浪中的运动响应是目前主流的研究方法，本文采用该方法分析船舶波浪运动响应。

在实际工程中，波浪的统计特性均采用波浪谱来表示。根据航行海域情况采用JONSWAP谱，其波浪谱密度函数表达式为：

（3）

式中：Tp为谱峰周期，s；

Hs为有义波高，m；

γ为谱峰提升因子，本文取γ = 3.300；

σ为峰形参数：当ω≤ωp，σ = 0.07；当ω> ωp，σ = 0.09。

船舶无航速时，波浪谱中的ω表示波浪的自然频率；而航行船舶具有航速和波向角，此时自然频率应换算成船舶的遭遇频率 。设航行船舶以航速V和遭遇浪向角θ在规则波中航行，则

遭遇周期： （4）

遭遇频率： （5）

遭遇波浪谱： （6）

响应谱和波谱均服从统计学原理，所以当描述船舶在随机波浪作用下产生的响应时可以用响应谱函数的方式。航行船舶以一定的速度在波浪中航行，其运动也是不规则的，并且每个运动模态都有其响应谱，可表示为：endprint

（7）

式中：Tz为平均跨零周期，s，可根据波浪谱与谱峰周期相互换算；

Hs为有义波高，m；

θ为航行的浪向角，rad；

Sζ（ωe | Hs ， Tz）为短期海况分布 （Hs ， Tz） 下的波浪谱；

Si（ωe | Hs ， Tz ， θ）为运动响应谱；

RAOi（ωe | θ）为运动响应幅值因子（RAO），包括位移、速度、加速度等；

下标i表示运动的6 个自由度方向。

作为波浪谱与响应谱之间的转换因子， RAO描述的是船舶在单位规则波作用下的运动响应幅值，可采用水动力频域分析方法计算获得。

根据响应谱可以得到每个频率下的运动响应幅值的短期预报，其中：

运动响应幅值： （8）

平均跨零周期（对应平均跨零率，服从泊松分布）：

（9）

响应值均方根： （10）

有义响应幅值： （11）

運动响应极值短期预报：

（12）

mj是相应运动响应谱的j阶谱矩，也即响应谱下的j阶面积矩；

T为运动持续的时间周期，通常取T = 3 h。

3 驳船桥吊载运系统在波浪中运动响应计算模型

3.1驳船桥吊载运系统简介

驳船桥吊载运系统总布置图如图1所示，其载运工况主要参数见表1。

3.2数值计算模型及运动加速度响应输出位置

船舶在波浪中运动响应计算的水动力模型采用船舶的湿表面和桥吊上用于输出计算结果的特征位置进行水动力建模，其坐标原点设在尾柱静水面处，如图2所示。

在计算模型中设置特定位置输出运动加速度响应值，主要包括3台桥吊的重心及主要绑扎位置。根据3台桥吊各自放置位置所在区域对应载运船的位置，将3台桥吊分别记为：桥吊 I、桥吊 II和桥吊 III。其中，由于3台桥吊的重心均可视为位于载运船中线面上，且桥吊III 重心距舯大于桥吊I 重心距舯，桥吊III 运动中的加速度应大于桥吊I ，因此对于主要绑扎位置选取桥吊III 靠载运船尾部的框架上，共选取 6 个绑扎位置，如图3所示。

3.3 环境参数

（1） 浪向角

考虑载运船舶为对称船型，计算浪向角可取值为0? ～ 180?。对浪向角计算步长取为30?，计算浪向角取θ = 0? 、30? 、60? 、90? 、120? 、150?。

（2）波浪参数

珠三角相关航线海域最高海况条件的波浪参数为：有义波高HS = 9.0 m；平均跨零周期TZ = 10.0 s。

4 计算结果及分析

4.1 驳船桥吊载运系统重心的响应幅值因子（RAO）

采用水动力频域分析的3D面元法计算单位规则波中驳船-桥吊载运系统重心的RAO，并按3.3节所取的6个浪向角输出各个RAO的幅值，如图4所示。图中横坐标为波浪周期，其范围为 2.0 ～ 20.0 s；纵坐标为单位波幅响应值（m/m，?/m）。

4.2 驳船桥吊载运系统运动加速度响应短期预报计算结果

按上述短期预报方法计算船–桥吊重心和各个绑扎点的运动响应，获得重心及各个计算点在各个浪向中的运动加速度响应统计值。其中，根据系统重心的RAO 以及重心与各个绑扎点的空间位移关系，可推算出各个绑扎点的运动加速度RAO。根据该计算结果，对于每个输出运动加速度的特征位置，分别选取各个浪向中的最大值作为该特征位置在既定载运工况下的最大运动加速度响应值，以此作为绑扎方案安全性评估的技术依据，并记录相应的浪向角，所得结果见表2。

必须注意，运动加速度响应值的最大值选取是整组选取，综合比较不同浪向角下的计算结果，并以每组加速度中最大加速度分量为比较的优先指标。

表2 驳船桥吊载运系统波浪中运动加速度响应短期预报最大值统计

4.3 计算结果分析

由上述计算结果可知，驳船桥吊载运系统运动加速度响应最大值既与浪向有关，在横浪和接近横浪时会产生较剧烈的运动加速度响应；又与校核点的位置有关，距离系统重心越远，横摇加速度响应越剧烈；距离舯纵剖面越远，产生的垂向加速度响应也越剧烈。在系固方案校核时，应根据系固绑扎点的具体位置，着重校核其加速度响应较剧烈的方向上的系固绑扎强度。同时在运载过程中，应尽量避免船舶遭遇横浪情况。

5 结论

本文根据珠三角相关航线海域最高海况条件，采用水动力频域分析方法和波浪谱分析方法，计算驳船桥吊载运系统在波浪中的运动响应，输出所选取特征位置的运动加速度响应值，为桥吊载运的绑扎方案评估提供技术依据。通过水动力方法直接计算重大件货物载运系统在波浪中的运动加速度响应，对于校核系固绑扎方案、保障载运安全，具有重要的参考意义。

参考文献

[1] 王兆麒.驳运重大件货物系固绑扎方案安全校核方法研究[J]. 大连理

工大学 . 2016 （03）.

[2] 潘霖，肖立洁.岸桥海上运输柔性和刚性加固方案分析[J].重工与起

重技术 .2015 （2） .

[3] 邱文昌，安鸣.对多种方法确定的海船加速度值的比较研究[J]. 航海

技术 . 2006 （01） 9.

[4] 盛振邦，刘应中.船舶原理[M]. 上海交通大学出版社，2003.

[5] 方钟圣.西北太平洋波浪统计集[M]. 国防工业出版社 ， 1996.endprint