绞吸挖泥船的移船作业和转动作业分析

郭 宇 李 璐 王舒雅

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

某绞吸式挖泥船通过尾部围绕三缆柱的三根缆绳实现三缆定位，控制船体的移船运动；通过首部左右两舷的各一根横移锚，控制铰刀头左右摆动进行转动作业，铰刀头的切削力为235 kN。在作业过程中，三缆定位是否可以安全且更大距离移动船舶，以及2根横移锚是否可以在定位状态下，控制船舶往左右两舷转动到所需角度进行工作，决定了船舶作业的效率，进而决定了船舶的经济性能。所以，能否针对现状设计出符合项目工程要求的锚泊定位系统至关重要。

1 作业工况

挖泥船在作业过程中，左右舷横移锚索4号、5号控制艏部的铰刀头左右转动挖泥作业，同时在三缆定位锚索1号、2号、3号的控制下，船可以向前直线前进。因此本文在计算时，将船的运动状态分为两个大的阶段分别考虑。

一个阶段是挖泥船移船作业，如图1所示。挖泥船在三缆定位锚索1号、2号、3号的定位下，通过逐渐收短前进方向的2号和3号缆绳，从而抵抗环境条件的作用，使船向前移动，直到锚索受力超过绞车拉力时，才进行一次起抛锚。针对这一过程，需要考察挖泥船在施工环境条件下可以一次前移的最大距离。

图1 挖泥船移动作业

另一个阶段是挖泥船转动作业，如图2所示。挖泥船在三缆定位锚索1号、2号、3号的定位下，通过控制左右两舷的横移钢丝绳4号、5号，使船舶分别往左右两舷都可以转动到一定角度进行作业。针对这一转动最大状态，需要考察挖泥船在此状态下，保证各根锚索受力都可以满足要求，最大转动多少角度。

图2 挖泥船转动作业

针对移船作业和转动作业这两种工况，本文分别展开锚泊分析，设计并优化项目所需的锚泊定位系统，并给出满足要求的作业方案。

2 锚泊定位系统性能分析

2.1 技术参数

挖泥船主尺度参数如表1所示。

表1 挖泥船的主尺度参数

同时，船舶配备的定位绞车拉力为600 kN。

该船所处航道水深约30 m，环境参数如表2所示。风、浪同向，考虑为360°，海流只考虑0°和180°。

表2 风浪流参数

在系泊软件中进行定位分析时，波浪频谱形式采用JONSWAP谱，形状参数为1.0，选用1 min的定常风作为校核风力的输入参数，选用流定常流作为校核流力的输入参数。同时，给出环境条件方向的定义如图3所示。

图3 风、浪、流载荷的作用方向

2.2 锚泊系统时域耦合分析方法

挖泥船及其系泊系统的总体运动方程如下：

式中：是浮体质量矩阵；

c

是阻尼矩阵；

k

是刚度矩阵；

F

是静态力，kN；

F

是波频力，kN；

F

是低频慢漂力，kN；

F

是系泊力，kN；

F

是立管力，kN。

计算过程中，将挖泥船和锚泊系统纳入一个模型中整体分析，考虑相互之间耦合效应的影响，同时把风浪流的叠加作用考虑在内。本文所考虑的整个模型中没有立管力，按照下文2.6和2.7节的相关公式计算得出风力和流力作为输入。

考虑到二阶波浪力的影响，运用近场法进行模拟，可以表示如下：

基于以上背景，本文尝试借助SEC一致性分析范式，选取已推行的7套真题，对具体数学学科知识考题，量化分析数学学科知识题与考试大纲标准的一致性，以期完善国家教师资格考试大纲标准，科学分析已有的试题，推动国家教师资格考试的研究和进展.

2.3 设计衡准

某锚泊定位分析时，应采用动力分析法校核各种计算工况，并考虑最危险的工况。API RP 2SK和ABS设计规范都根据锚索的状态、不同设计工况和锚索张力的计算方法对锚索的最大张力安全系数作了规定。所用锚索破断强度与锚索所受最大张力之比就是规范定义的安全系数（参见表3）。本文计算的锚索张力安全系数应不小于表3所列规定值。

张力安全系数

F

规定为：

表3 安全系数

式中：

F

为锚泊定位系统所配锚索的最小破断强度，kN；

F

为锚泊定位系统所配锚索的最大张力，kN。

除了满足规范的要求，同时还受到锚绞车限制，因此正常作业还需保证锚索受力在绞车的拉力范围内，否则绞车无法提供使船前进的力。因此，挖泥船前进方向的锚索2号、3号的拉力不得超过600 kN；两根横移锚索4号、5号的拉力不超过1 200 kN。

2.4 锚索的特性

某挖泥船的锚索全为钢丝绳，其参数如下页表4所示。

表4 钢丝绳参数

为保证作业时有足够的钢丝绳余量，因此移船作业时，初始状态下，2号、3号抛出舷外钢丝绳长度按600 m计算，1号抛出舷外钢丝绳长度按420 m计算，4号、5号抛出舷外钢丝绳长度按80 m计算。

2.5 水动力性能计算

选择HYDROD软件的WADAM模块计算挖泥船的频域水动力性能。挖泥船所需考虑的遭遇浪向为0°～180°，每15°为一个间隔，波浪频率为0.02～2.0 rad/s，每0.02 rad/s为一个间隔。根据船体型线图建立的有限元模型如图4所示。

图4 挖泥船设计吃水4.8 m

2.6 风载荷计算

风载荷作为定常力，船体水线以上部分受到风力的影响，计算风力时需要考虑在内。参考API规范对相关内容的规定，选择对首向和侧向风载荷的计算的经验公式如下：

式中：

C

为形状系数；

C

为高度系数；

A

为风力作用的各个面的垂向投影面积之和，m；

V

为选用的设计风速，m/s。

2.7 流载荷计算

为了简化相应研究，在尽量避免缺失精度的同时提高计算效率，在实际工程计算中，通常假设流载荷的作用是稳定的，对挖泥船的作用仅仅表现为拖曳的影响。参照API规范对相关内容的规定，某挖泥船的船型结构更符合方形船的定义，因此确定船体首向或尾向的海流力计算公式如下：

式中：

F

为尾向海流力或首向海流力，N；

S

为根据目标船的外形计算的水下部分湿表面积，其中需排除正对来流面的面积，m；

A

为船舶正对来流面的投影面积，m；

C

为摩擦阻力系数，本文取为2 Ns/m；

C

为迎流阻力系数，Ns/m；

V

为设计中输入的流的速度，m/s。

2.8 移船作业锚泊定位分析结果

水动力分析并确定了环境力后，在SEASAMDEEPC软件中进行锚泊定位分析，分别就移船作业和转动作业两种工况所要求的环境条件下，分别计算0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°共7个环境方向下的钢丝绳受力和船体偏移。

对于流180°的情况，相对更危险的工况是风和浪120°的情况，因此计算这一工况下的受力情况为：4号钢丝绳最大受力1 087 kN；2号钢丝绳最大受力595 kN。

综上所述，不论顶流还是顺流，除90°的情况，完整状态下，船前进方向的2号、3号钢丝绳的最大张力是595 kN，绞车的拉力是600 kN，拉得动；其余钢丝绳的安全因子大于1.67，在规范要求范围内，同时4号、5号钢丝绳的最大张力是1 087 kN，小于1 200 kN。因此，在风浪流0°～60°和120°～180°范围内时，可以前移100 m，才进行一次起抛锚。

表5 移船作业状态下锚泊分析结果汇总

表6 转动作业状态下锚泊分析结果汇总

综上所述，除去90°的情况，横移锚钢丝绳的受力都小于1 200 kN，绞车的拉力可以拉动，且安全因子都满足规范要求。因此除去90°的情况，船舶都可以转动30°进行作业。

3 结 语

挖泥船的多数作业区域水深都不大，因此复杂的海况会使船具有较大的低频漂移运动。此外，现场的限制条件也很多，定义其安全工作环境对项目的顺利实施具有指导意义。不考虑90°的环境方向（流保持0°或180°、风浪0°～60°、120°～180°范围内），在风速10.7 m/s、流速0.34 m/s、有义波高0.9 m的情况下，某挖泥船最大可以转动30°进行作业，并满足前移至少100 m才需进行一次起抛锚。基本符合工程需要。