基于AQWA的救捞作业场锚泊分析

摘    要：稳定的救捞作业场是保障海上救捞作业安全、高效的前提，为了提高救捞作业场的安全稳定性，该文应用AQWA软件对某救捞船救捞作业场的典型工况进行了锚泊力计算，并对其锚泊状态进行了分析。通过研究作业场布场的参数变化对锚泊系统的影响，总结出了3点增强锚泊稳定性的作业场布置的原则。对海上救捞作业场的布设具有一定的理论指导意义。

关键词：AQWA;锚泊;救捞作业场;

0 引言

进行打捞和援潜任务时往往要进行救捞作业场布场。为了获得比较稳定的作业场，通常采用四锚定位，甚至在复杂海况下采取六锚或八锚定位。目前，对海洋平台的运动响应和舰船单点系泊运动响应的研究较多[1,2]，但是对舰船多点系泊运动响应的研究较少[3,4]，尤其在探索布场参数变化对救捞作业场的影响方面研究较少，因此该文对布场参数对救捞作业场的影响进行了研究，对提高救捞作业场的稳定性具有一定参考价值。该文以常见的四锚布设作业场为例，利用AQWA软件对其进行了锚泊分析，探索了锚泊参数对救捞作业场的影响，可为救捞作业场布设方案的分析和设计提供一定的参考依据。

1 研究对象及研究内容

1.1 研究对象

该文以救捞船布设的救捞作业场为研究对象，救捞船的主尺度见表1，该文根据母船船型为该船建立了用于仿真计算的几何网格模型图。 

表1 救捞船主尺度

1.2 作业场基本参数

该文在分析中选用的坐标情况如下：船首处为坐标原点，船长方向为X轴，船艏为正；船宽方向为Y轴，右舷为正；型深方向为Z轴，向上为正。锚泊角规定和缆绳编号如图1所示。船艏处以锚链与船艏正方向的夹角为锚泊角Ψ，船尾处以锚链与船艏负方向夹角为锚泊角Ψ。船左、右舷锚泊缆对称布置。

1.3 锚链参数

图1 锚泊角设置示意图

舰船的系泊缆为单一成分缆，选用的材质为76mm直径的钢芯钢缆，相关参数见表2。

表2 锚链参数

在软件中，通过输入导缆孔的位置、锚泊点的位置以及缆绳的长度，可建立缆绳的悬链线方程，从而给出缆绳预张力。

1.4 浪向角及环境参数

救捞作业场在海上的运动响应的形式取决于舰船艏向与风浪流之间的夹角，简称浪向角。该文规定当风浪流与船艏方向一致时浪向角为0°，当风浪流与船艏方向相反时浪向角为180°。由于船舶结构是左右对称的，该文仅考虑风浪流的同向作用，因此仅考虑浪向角0°～180°即可。

环境参数选择四级海况，风浪流等环境参数见表3，波浪环境不规则波采用JONSWAP谱，风环境采用NPD风谱。

表3 海洋环境参数

2 频域计算结果及验证

不规则的海浪可以简化为无数个频率、方向和波幅不同的规则波叠加[5]，因此对舰船的静水力结果和规则波中的频域进行了计算，通过频域分析可以得到模型在不同频率规则波下的运动响应幅值算子，为后续时域锚泊计算做铺垫[1]。

2.1 静水力参数

该文对作业场进行了静水力计算，计算结果见表4。计算排水量与实际舰船排水量误差结果为2%，表明静水力计算结果比较准确。

表4 静水力计算结果 

2.2 响应幅值算子

摇荡响应幅值算子即单位规则波下舰船的运动幅值。AQWA软件对舰船的横摇、艏摇、纵摇、纵荡、横荡和垂荡6个自由度下随不同频率规则波的摇荡幅值算子定义如公式（1）所示[6]。

式中：Yyζ（ω）为舰船的响应幅值算子；ζA为波幅；YA（ω）为舰船的运动幅值。

救捞作业场在横向载荷下（90°浪向角）的横摇响应最严重，作业场在波浪作用下发生较大幅度或较高频的横摇运动，可能会加大船舶倾斜度和系泊缆绳受力，势必会对作业场的作业效率和系泊安全造成不利影响，因此需要重点关注。作业场横摇幅值响应幅值如图2所示。通过计算浪向角下舰船横摇响应幅值算子随周期变化可以得出舰船横摇运动响应最大为3.56324°/m，对应的浪向角为90°，对应的周期为13.84s，与作业场实际周期误差在0.7%，进一步验证了计算的准确性。

3 时域计算结果

取锚泊角为45°下，分别计算船舶在不同浪向角下作业场运动响应最大值和锚缆张力最大值，见表5和表6。

从表5和表6可以看出，船体的横摇、艏摇、横荡运动在浪向角为90°时达到最大值，这是由于作业场横向载荷的受力面积最大，导致了在横向浪向下其运动响应最明显。4个缆绳受力中3号和4号缆绳受力较大，1号和2号缆绳受力较小。可以分析出风浪流在船体横向作用下，使船体的横荡、横摇和艏摇运动最剧烈，舰船布设作业场时需要重点考虑这点。因此舰船进行作业场的布置时，可以采用船体纵向对浪的形式，降低船体的横荡、横摇和艏摇对作业场的影响，降低缆绳最大受力，从而提升作业场的稳定性。

4 布场参数的影响

从上文可知，救捞作业场受横向载荷时的运动响应最严重。为了分析锚泊布置参数对作业场稳定性的影响，该文着重分析了不同浪向角时布场参数变化对作业场的横摇与横荡的影响。

4.1 锚泊角变化的影响

该文针对锚泊角的变化对作业场锚泊的影响，分别计算了锚泊角为15°、30°、45°、60°和75°下救捞作业场的横摇及横荡，结果如图2、图3所示。

从图3可以看出，随着锚泊角的增大，作业场的横荡明显减缓；从图2可以看出，作业场的横摇幅度也略有下降，但下降不大。经过对比可知，在正横浪的情况下，锚泊角越大越好。考虑海上风浪流方向的不确定性并且作业场的横荡、横摇和艏摇是主要的运动响应，为了减缓作业场的横荡、艏摇和横摇，四锚定位的锚泊作业场尽量选取较大的锚泊角，大致70°左右为佳。

4.2 锚泊预张力变化的影响

初始缆绳预张力表征了缆绳的收紧或松弛状态，如果缆绳收紧，缆绳的预张力就大，反之预张力就小。为了研究缆绳收紧产生的预张力的影响，该文保持锚泊半径为700m，锚泊角为45°不变，分析在四级海况下，初始预张力为10kN、20kN、30kN、40kN和50kN时的作业场的横摇、横荡，结果如图4、图5所示。

表5 作业场运动响应最大值计算结果

表6 锚缆张力最大值计算结果

从图4、图5可以看出，随着缆绳的收紧，锚泊缆预张力增大，作业场的横摇、横荡都有所减缓，其中横荡减缓最明显，但减缓的趋势随着预张力的增大逐渐变缓。因此，缆绳初始预张力越大，提高救捞作业场的稳定性效果越好。但是初始预张力增大会导致缆绳的最大受力增加，容易使缆绳断裂，可见通过增大预张力来增加救捞作业场的稳定性存在边际效应。因此缆绳的预张力应控制在一定范围。

图2 横摇角随锚泊角变化

图3 横荡随锚泊角变化

图4 横摇角随预张力的变化

图5 横荡随预张力的变化

4.3 锚泊半径变化的影响

保持锚泊预张力不变，如果锚泊半径越大，锚缆长度越长，反之则越短。为了研究锚泊半径对预张力的影响，保持锚泊角45°不变，分析在四级海况下，锚泊半径分别为300m、400m、500m、600m、700m、800m、900m、1000m和1100m时作业场的横摇、横荡。结果如图6、图7所示。

从图6、图7可以看出，随着锚泊半径的增大，船体的横荡呈逐渐增大的趋势，但横摇呈逐渐减缓的趋势。

从趋势上来看，横荡增大趋势放缓，横摇角变小趋势也放缓。当锚泊半径足够大时，增大锚泊半径对降低横摇效果不太明显。因此增大锚泊半径在一定程度上可以减缓作业场的横摇，但是锚泊半径增大不利于作业场的横荡。针对不同作业情况，需要对锚泊半径进行合理的设置。如果利用船舶起重机或绞盘进行起重作业，应注重减缓船舶的横摇；如果进行援潜等水下作业，应注重减缓船舶的横荡。

5 结论

该文基于AQWA软件对某救捞船作业场锚泊进行了分析，在风浪流的耦合作用下进行了频域和时域分析，着重讨论了锚泊布场设置对舰船作业场的影响，得到如下结论：1）采用纵向对浪可以减缓作业场的摇荡。2）锚泊角及缆绳预张力的增加在一定范围内可以显著增强锚泊作业场的稳定性。3）增加锚泊半径在一定程度上可以减缓作业场的横摇，但是对作业场的横荡不利。

图6 横摇角随锚泊半径的变化

图7 横摇角随锚泊半径的变化

参考文献

[1] 陈正豪，窦培林，张兴刚.系泊参数对油气资源开发保障平台系泊性能的影响[J].中国海洋平台，2020,35(3):75-79.

[2] 袁鑫悦，吴洁，姚潇.FPSO多点系泊技术的发展趋势[J].船舶工程，2021,41(1):125-130.

[3] 谷美邦，兰波，缪泉明，等.全回转起重船风浪流中系泊运动性能预报[J].中国造船，2013,54(3):21-28.

[4] 盛振邦.舰船原理[M].上海：上海交通大学出版社，2017.

[5] 沈雨生，周益人.不同波浪和装载条件下系泊船舶横摇运动试验研究[J].水动力学研究与进展，2018,33(3):364-369.

[6] 高巍.ANSYS AQWA软件入门与提高[M].北京：中国水利水电出版社，2017.

文章来源：中国新技术新产品. 2023(08)