ANSYS AQWA波浪力分析案例：绞吸挖泥船波浪力分析

一、背景

随着“大海外”战略的发展，公司越来越多的挖泥船到海外进行施工。海外施工环境恶劣，特别是风浪较大的时候，对挖泥船施工影响较大，严重时会造成安全事故。2011年天骅船在缅甸施工时，由于涌浪较大，导致船体对钢桩频繁撞击，使得钢桩在销子眼处出现裂纹（如图1），因此有必要研究波浪对绞吸船施工的影响。

图1 钢桩裂纹

二、分析工具

本次分析采用常用的波浪力分析软件AQWA进行分析，模拟船体在不同波浪情况下的运动状态及受力情况。AQWA是一套集成模块，主要用于满足各种结构流体动力学特性评估相关分析需求，包括从桅、桁到FPSOs，从停泊系统到救生系统，从TLPs到半潜水系统，从渔船到大型船舶以及结构交互作用。该软件相对成熟，在计算波浪力方面具有优势，因此采用该软件进行不同工况下的运动分析。

三、分析步骤

1、建立模型

根据船舶的实际尺寸，建立船体和钢桩三维模型。为计算方便，对模型进行简化，去掉对模拟影响不大的结构，建立模型如下：

图2 计算模型

船体长度xxm，宽度xxm，型深xm，总吨位4316t，满载平均吃水4.2m。该船处于无遮蔽的海域中，收到波浪的作用，分析其运动性能。

 2、参数设置

根据船体和钢桩实际的运动状态，通过软件计算其重心位置、转动惯量等参数，并对模型进行网格划分。本次网格采用四面体和六面体结构网格，采用智能网格方式进行划分，选取单元最大尺寸为2，共生成单元3686个，如下图所示。

图3 划分网格

3、计算载荷

计算水深为30米，分别计算如下工况下，船体在风浪作用下对钢桩进行冲击时，钢桩受到的作用力。假定波浪与船体夹角为45°，波高为1m，波的频率为0.167.通过AQWA软件模拟船舶的运动状态，并进行受力分析，其结果如下：

图4 压力和运动云图

图5 作用在船体上的纵向波浪载荷

图6 桩底反力

由上图可以的受力分析可以看出，钢桩在船体和土体的共同作用下，钢桩底部受力较大，在该工况下，钢桩底部的作用反力最大为1.05*106N。

4、钢桩应力计算

根据天骥船钢桩的实际结构和尺寸建立三维模型，桩尖入泥部分简化为实体（如图8），利用ANSYS软件计算在以上钢桩作用力的情况下，钢桩能否承受该压力。

图7 钢桩模型

钢桩的材料为DH36，其材料参数如下表所示：

    在Ansys中对钢桩划分网格，添加约束和载荷，如下图所示： 
图8 划分网格，添加约束和载荷

对钢桩施加1.5*e6N的载荷后，计算结果如下图所示：

图9  钢桩应变云图

图10  钢桩应力云图

5、仿真计算结果

钢桩桩底反力（N）	最大应力（Pa）	安全系数
1.2e6	2.539 e8	1.4
1.4 e6	2.96 e8	1.2
1.5 e6	3.17 e8	1.1
1.6 e6	3.385 e8	1.05
1.7 e6	3.597 e8	0.98

从应力云图和计算结果可以看出，在钢桩桩底作用反力为1.5*e6N时，钢桩的最大应力为3.1737*e8Pa，发生在钢桩的销子眼附件，虽然小于钢桩的屈服应力，但安全系数只有1.1。为了保证钢桩的安全性，建议安全系数为1.4。进一步计算得出，当作用反力为1.2e6N时，钢桩的最大应力为2.529*e8Pa，安全系数为1.4，符合设计要求。

6、多工况结果分析

计算过程中需考虑考虑波浪与船体夹角不同，波高不同及周期不同对结果的影响，因此设定不同的工况，分别计算对应工况下钢桩桩底作用反力的极大值，并结合仿真分析结果对钢桩的承受能力进行分析。

      上述仿真结果可以看出，波浪与船体的夹角不同导致产生的钢桩作用反力也不同。不同波高对应对的钢桩受力也不同，波浪入射角度和周期相同的情况下，波高越大，钢桩力越大；波浪入射角度和波高相同的情况下，钢桩受力随周期的增大而先增大后减小，在周期为10s左右时，钢桩受力最大，可能是由于波浪周期为10时与船体的固有周期接近或者相等，发生共振引起的。

7、不同周期下的运动状态

图11  波高1m，周期5s

图12 波高1m，周期10s

图13  波高1m，周期18s

文章来源：滨海公司技术中心