系泊拖带船舶动力学特性试验研究

系泊拖带船舶动力学特性试验研究

1单点系泊系统的动力学特性单点计费和单轴收费是两种常见的海上运营形式。单点系泊系统多用于舰船锚地水域的防风操作。近年来,由于海上油气生产的发展,它也被广泛地用于浮式生产贮油卸油装置(FloatingProductionStorageandOffloadingVersel:FPSO)船舶的海上系留。系泊系统的设计应满足安全性和经济性的要求。所谓安全性,是指系留船舶应当能够在极限海况下保持自身位置的相对固定,不发生如系缆断裂等等事故;同样,它应当使船舶(如FPSO)在设计海况之下正常运转。单点系泊系统由于结构简单,具有经济性的特点。为保证其安全性,必须对系留船只的动力学特性全面深入的研究。单缆拖带多用于海上的防险救生,如难船拖带等使用场合,它受海上复杂水气象条件的影响较大;由于拖带缆索具有较大长度,故其运动稳定性问题更为突出。从本质上而言,单点系泊与单缆拖带船舶的运动特性是相似的,可以归并到一起进行研究。国内外学者在这方面做了大量工作,可参见Bernitsas,Wichers,Nishimoto,Gottlieb,Jiang等人的研究。在试验研究方面,黄国梁和藤野正隆研究了风和潮流作用下单点系泊船只的振转运动(鱼尾状摆动)特性。孙翠琴,朱祖琪和耿修文对单浮筒贮油系统模型进行了规则波和不规则波试验。Halliwell和Harris则研究了波浪环境和系泊系统参数的变动对于系泊响应的影响。Aghamommadi和Thompson对鱼尾状摆动做了船模试验研究,观察到了Hopt分岔现象,并得到了它的分岔图,从目前进展来看,研究多集中于宽广水域进行,狭窄水域的相关研究工作甚为少见。本文对潮流作用下,狭窄水域中单点系泊/拖带船只的动力学行为进行了试验研究,讨论了潮流速度、系缆长度等因素对于系泊船舶运动响应及系泊力的作用,并给出了试验过程和有关结论。2船模和船模的制作试验在海军工程大学船舶与海洋工程系的循环水槽中进行。该循环水槽由工作段和附属设施组成,其中工作段尺寸为4.0m×1.5m×1.0m,流速在0.1m/s～4.5m/s之间可调。船模选用了缩尺比λ=1/25的某型船模,以保证运动和力的测量精度。船模主尺度如表1所示。缆绳采用了普通细尼龙缆,长度在0.3～0.8m之间调节,破断张力为6.0kgf。在试验过程中测量船模四个自由度的运动,即:首摇、横荡、纵荡和横倾。船模放置于顶流方向。测试仪器布置如图1所示。3缆系泊力检测试验考查水域中的单点系泊/拖带船只。为描述其在水平面内的运动,引入了两个直角座标系;一个是固定座标系oxy,固定于地面之上;另一个是运动座标系GXY,固连于船舶,随船运动。如图2所示,船舶在水平面xoy内的运动可以分解为GX轴的纵荡运动、沿GY轴的横荡运动及船首的转动(首摇运动)。试验时,船模放置于水槽中央,其布置形式参见图1。循环水槽开动之后,从水流稳定之时开始实时记录各种运动量和缆绳张力的时间历程。需要测量的物理量有:系泊力(缆绳张力);船模首摇运动响应;船模重心处纵荡运动响应;船模重心处横荡运动响应;来流速度;船模横倾角。缆绳长度分为八档,在同一流速的条件下,变动缆绳长度进行试验;然后,改变来流速度,按前述次序依次进行试验。以一定缆绳长度和一定来流速度作为一种系泊参数状态,考虑到船模低频运动的周期较长,每一种状态的试验时距取为600秒,大略在十五个低频运动周期以上。根据实际海况,试验流速取在0.1~0.7m/s之间。数据采集应用了DH3846信号放大器和DH5932多通道数据采集仪。其中,通道1为首摇角信号;通道2为系泊力信号;通道3测量横倾角;通道4为首摇加速度信号;通道5为横荡加速度信号;通道6为纵荡加速度信号。数据采集的流程如图3所示。4试验结果与分析4.1外在系统稳定性根据Liapunov运动稳定性理论,系泊船模存在着三个静止系泊位置(平衡点),即图2中的(A)、(B)及(B)关于OX轴的镜像对称点。当受到外界的扰动时,静止系泊位置的Liapunov稳定性决定了系统能否消除这种扰动,从而使得船舶在一定的时间之后趋向于这个平衡位置。如果它是Liapunov意义下不稳定的,则外界小的扰动也会导致船舶离开这个平衡位置。表现在实际系泊响应中就意味着,稳定的平衡位置能够实现而不稳定平衡位置则不可能实现。4.2缆绳大小的影响振转运动周期随缆绳长度的增长而增加,但变化的幅度并不大,如图12所示。对于指定流速,缆绳越长,运动幅值和周期都变大。缆绳越短,流速越低,发生振转运动的可能性就越小;流速越大,缆绳越长,振转运动发生的可能性就越大。由图10可见,在同一流速之下,缆绳长度增大,系泊力水平也随之提高。4.3缆绳脉冲载荷的发生试验过程中我们观测到了以前的研究工作中没有提及的现象,这就是脉冲系泊力的突发。它的发生是由于缆绳在船模运动过程中,有时会出现紧张—松弛—紧张的过程;在由松弛(系缆张力为零)突然紧张的瞬间,对于缆绳的脉冲载荷将导致极大的系泊力根据试验观察,这一现象并不常见,它多出现于大幅振转运动的场合。图13给出了脉冲系泊力发生前后的缆绳张力。图14给出了脉冲系缆绳载荷发生时的首摇角时历。由图中可见,脉冲载荷发生在零首摇角附近,这与峰值系泊载荷多发生于极值首摇角处也是不同的。由试验数据可知,与正常情况相比,此时系缆受力突然增大了60%以上。这可能是实际使用中导致缆绳断裂的重要原因。4.4船模稳定性分析为分析狭窄水域的影响,与相近尺寸船模在宽广水域中的试验结果进行了比较。对比显示,在狭窄水域中的系泊/拖带船舶有易发生振转运动的趋势。根据试验观测,中心平衡系泊点即使是在流速很低U<0.2m/s和缆绳长度很短(l=0.325m)时也不能保持稳定性。稍有扰动(无论是在试验或是实际使用环境中,这种扰动作用都是不可避免的),船模将偏离中心平衡位置(A)越来越远。这是与宽广水域试验结果不相一致的。出现此种现象,可能是由于狭窄水道的侧壁效应,使得作用在船体上的横向力及摇首力矩增大,这将降低平衡系泊位置的稳定性,增大振转运动发生的可能。对于在狭窄水域如港内或窄航道中执行系泊/拖带作用的船舶来说,大幅值的振转运动可能影响它们的安全,尤其需要加以重视。5船模稳定运动模式本文以试验方法对狭窄水域中单点系泊/拖带船舶的动力学行为进行了研究。首先我们介绍了试验方案和试验内容,然后对试验数据进行了详细的分析。根据文中讨论可知,系泊/拖带船舶是一个涉及到多自由度运动的非线性系统,非线性因素如流体动力对决定系统运动形态起着重要作用。在试验中观察到了典型的非线性动力学现象,如吸引子的共存和跳跃,以及Hopf分岔。在潮流作用下,系缆张力随着流速和缆绳长度的增加而增大。不同的运动模式将导致不同的系泊力水平。狭窄水域中侧壁效应对船模的运动有着明显的影响。从系泊/拖带作业的安全性出发,不可忽视过渡过程和突发的脉冲系泊载荷的影响。本文的试验仅仅考虑了流的作用,但船模运动的非线性特征已经十分明显。可以预料的是,在实际海洋环境中,当面临风、浪、流的联合作用,尤其是在极端海况(强风、大浪、强潮流)之下,运动会更加复杂。因此,要对复杂海况下的系舶/拖带船只的动力学特性有全面的认识,就必须在考查风、浪、流的联合作用下对船舶的运动和系泊力特性作深入的理论和试验研究,这也是本文的后续工作。试验中发现这三个平衡点的稳定性是不一样的其中,在试验所及的条件下,平衡点(A)总是不稳定的;随着流速的增大或缆绳的加长,或是由于这两种因素的同时作用,平衡点(B)也将失去其稳定性此时,船模将发生振转运动(鱼尾状摆动)。根据试验数据,我们总结了船模的四种稳定运动模式,其首摇角的时间历程如图4~图7所示。图中的横坐标是时间,以秒为单位;纵坐标为首摇角,以度为单位,以逆时针方向作为正向。在模式1中,平衡点(B)是Liapunov意义下渐近稳定的,因此船模将逐渐地趋近于这个稳定平衡位置。从图中可见,船模在经历数个周期之后就基本处于静止状态。在模式2中,(B)点已经失去其稳定性,船模此时围绕(B)点作一定幅值的振转运动。这称之为Hopf分岔现象在模式3中,(B)点同样是不稳定的,但这时船模围绕着中心平衡点(A)作鱼尾状摆动。在模式4中,船模同样在做振转运动。但是具有不同的特点。根据试验观察。船模先围绕(B)的镜像对称点作小幅值的振转运动;几个周期以后,幅值不断增大,船模迅速偏荡至(B)点一侧,围绕点(B)作小幅值振转运动;数个周期过后,随着幅值的增加,船模又会回到(B)的镜像对称点一侧,如此往复运动。运动模式4出现的原因,可能是因为两个吸引子的共存;当运动处于它们吸引域的边界时,随机的扰动就可能使得运动的后续趋近于不同的吸引子。季进臣在对参激曲屈梁的试验研究中也观测到类似的现象。这其中蕴含的非线性动力学问题需要进一步的研究。在试验中我们还发现,船模运动的模式不仅取决于来流速度和系缆长度,它与船模的运动初始条件也有着密切的联系。这表明系泊船舶实际上是一个非线性系统,非线性因素对于系统的运动形态起着重要的作用。图8和图9给出了同一条件下首摇角及横荡加速度的时间历程。两图加以对比可以看出,首摇与横荡这两个自由度运动的周期是相同的。这一结论与文献一致。由于纵荡的加速度很小,此条件下的测试数据幅值太小,因而没有采用。运动模式对峰值系缆力有着很大的影响。当船模的运动为模式1时,其静止系泊点是稳定的,故船模会逐渐静止于稳定平衡点(B)或其镜像对称点之处;此时系泊力很小,而且随着流速的增加,系缆力的增长也不明显。如图10所示,来流速度U<0.3m/s,时,船模稳定在静止系泊位置上,不同绳长条件下的系缆力相差甚微,而且看不出缆绳长度和峰值系缆力之间有明显的关系。随着来流速度的增大,如U>0.3m/s时,船模的运动变为模式2,即围绕(B)或其对称点作小幅值的振转运动。此时系泊力较模式1的情形有明显的增加。当流速达到某一值时,船模运动变为模式3,也就是绕着平衡点(A)的大幅振转运动。缆绳张力也随之大幅增加。不同缆绳长度发生此种转变的临界流速也不一样。图10中,l=0.6m和l=0.52m时,这种转变发生于U>0.5m