基于切片理论的风电运维船运动性能分析.pdf
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1、17GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期(总第 190 期)设计与研究作者简介:张友智(1978-),男,高级工程师。主要从事船舶与海洋工程,船舶设计与制造工作。吴柳青(1979-),女,工程师。主要从事船舶与海洋工程,船舶设计与制造工作。收稿日期:2023-02-22基于切片理论的风电运维船运动性能分析张友智,吴柳青,周宏敏(广船国际有限公司,广州 511462)摘 要:风电运维船作为海上风电开发的重要工具,研究风电运维船在海浪中的运动性能有着重要意义。本文以一艘 88 m 的运维船作为研究对象,基于切片理论对运维船进行运动响应分析。通过不同航向角及
2、不同海况对运动响应结果进行对比分析,得出较为危险的航向角,以此提出解决方案,有效抑制危险航向角下的运动响应,提高运维船的航行安全性。关键词:风电运维船;切片理论;运动响应;晕船率;短期统计中图分类号:U661.32 文献标识码:AMotion Performance Analysis of Wind Power Operation and Maintenance(O&M)Vessels Based on Strip-Theory ZHANG Youzhi,WU Liuqing,ZHOU Hongmin(Guangzhou Shipyard International Company Limit
3、ed,Guangzhou 511642)Abstract:Wind farm operation&maintenance vessels are an essential tool for offshore wind power development,and studying their motion performance in waves is of great significance.This paper focuses on an 88-meter O&M vessel and conducts a motion response analysis based on the Str
4、ip-theory.By comparing and analyzing the response results under different heading angles and sea conditions,the more hazardous heading angles are identified.A solution is proposed to effectively suppress the motion response under dangerous heading angles and improve the navigation safety of O&M vess
5、els.Key words:O&M Vessel;Strip-theory;Motion Response;MSI;Short Term Statistics1 前言海上运维船的主要功能是进行海上风电桩的日常维护,因为海上风电场一般建设在距离海岸 1040 km的风大浪高的海域才可发挥风电的高效益,因此需要考虑更多的因素来保障航行的安全性,尤其是耐波性需要重点关注。切片理论于 20 世纪 50 年代由 Korvin-kroukovsk 提出1。在随后的发展中,Korvin-kroukovsk 和 Jacobs 进一步完善了这一理论并且提出了普通切片法,这也是第一个可以有效计算海浪下船舶运动响应
6、的方法2,但是这个方法只适合解决高速下的升沉以及纵摇运动响应。随后 Tasai 和 Grim 以及 Schenzle 基于切片理论估计了倾斜波下的横摇运动响应3。切片理论基于低速和高频,不适合用于估计高速船舶的运动响应,但是由于切片理论的计算效率高,在中低速模型下有着良好的响应结果,所以仍然是一个研究耐波性的重要工具。采用仿真软件建立了运维船模型,运用切片理论分析在不同航向角及各海况下运动响应,而且根据分析结果进行短期峰值统计,提出减摇鳍减摇方案。2 计算原理当船以速度 U 航行,假设船舶坐标系以恒定速度在海浪中前进(如图 1 所示),A、和 分别表示海浪的振幅、频率和航向角。18 广东造船
7、2023 年第 3 期(总第 190 期)设计与研究 图 1 船体坐标系2.1 切片理论切片理论是将船体沿纵向分成几何片体,在给定速度及负载情况下,对于不同的波的频率以及方向,通过向船体施加单位振幅的规则波,计算各个切片的附加质量、附加阻力等水动力系数,最后将每个切片的力纵向整合得到整个船体的受力。图 2 切片理论在横剖面表现船在常规海浪中的运动,可以分为两个独立的问题处理:(1)不考虑海浪的影响,只考虑船舶自身的自由摆动运动。这种情况下的水动力,由附加质量力、阻尼力以及恢复力组成4;(2)假设船是静止的,只考虑船体上的规则入射波。此时的水动力由海浪力组成,包括入射波力及衍生波产生的力,前者只
8、考虑入射波对船的影响而忽略船体存在对海浪的影响,后者是海浪与船体相遇时产生的力。假设船体运动响应是线性的,则在频域中的运动耦合方程可以表示为5:(1)式中:Ajn和 Mjn分别是广义质量和附加质量;Bjn和 Cjn分别是阻尼和恢复力系数;Ajn、Bjn、Cjn统称为水动力系数;Fj为激励力;n、n、n分别表示加速度、速度以及位移。将水动力系数及海浪力系数代入频域的六自由度方程,求解得出船体的传递函数。2.2 不规则波中的运动响应当船舶在海上航行时,实际波浪是由无数个不同振幅、不同频率和不同相位的简单谐波叠加而成6,在估计船舶在不规则波中的耐波性时,通常认为船舶的响应可以线性叠加。在这种条件下,
9、对于每个波向、每个速度和每个负载条件,可以通过流体力学计算得到周期与波长之间的对应关系,也就是传递函数。根据传递函数和海浪谱密度函数,可以得到船体运动响应谱密度函数:(2)式中:H(,U,C)是频域传递函数;SR是响应谱密度函数;、U、C 分别表示浪向角、航速以及负载;、HS、TZ分别是海浪周期、有义波高以及平均过零周期。本文选择 P-M 海浪谱仿真,P-M 海浪谱是通过海面以上 19.5 m 处的标准风速来定义,其海浪谱可以表示为7:(3)(4)(5)式中:A 是 Philps 常数。有义波高与风速关系为:(6)船在航行过程中,遭遇频率会随浪向角变化。海浪谱密度函数在遭遇频率和海浪频率能量相
10、同,所以二者关系为:(7)通过对响应谱密度函数求积分,得到方差:(8)因此 RMS 为 ,而单幅有义值为 2 倍的 RMS。19GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期(总第 190 期)设计与研究2.3 短期峰值统计假设统计时间为半小时到几个小时,并且在此期间船舶的负载状态、速度、航向和海况不发生变化。此时可以认为,短期内海浪的波幅、船舶运动的波幅、负载运动的波幅都遵循瑞利分布,所以概率密度函数为:(9)式中:x等于 RMS。通过统计,可以得到船体运动的极值为:(10)式中:N 为过零循环的次数或者固定时间的峰值数。(11)T 表示此时海况下的固定周期;
11、m0和 m2分别表示海浪谱的 0 阶多项式和 2 阶多项式。2.4 晕船率本文根据 J.F.O Hanlon 通过对 280 名志愿者进行纵向加速度试验,通过设置不同的纵向加速度和周期,记录两个小时内呕吐乘客的比率,通过数据拟合发现:晕船率与加速度大小呈正相关,通过实验数据进行数学处理,得到晕船率计算公式8:(12)式中:S3为半个周期的垂向加速度的平均值;erf(x)为高斯误差函数;uMSI为经验系数,表达式为:(13)其中 We为遭遇频率。由式(12)可知,当船运行时的遭遇频率小于 1 rad/s 时,遭遇频率越大,晕船效果越明显;遭遇频率大于 1 rad/s 时,遭遇频率越大,晕船效果越
12、小。2.5 减摇鳍减摇船体设计时往往需要加装减摇装置来应对复杂的海况,而船体六个自由度中横摇对船体运动的影响较大。对于 RAO 数据以及短期峰值统计给出的危险航向角,研究了采用减摇鳍进行减摇后的效果。假设船舶航行速度为 V,转动鳍角为 f时,单个鳍可以产生的升力为:(14)减摇鳍一般对称安装于船体两侧且控制鳍角时两侧鳍角相同,所以两侧减摇鳍产生的升力相反、大小相同,两侧减摇鳍产生的稳定力矩为:(15)由于实际航行过程中的 f较小,故可以将稳定力矩表达为:(16)考虑到船体边界层、舭龙骨等对升力的不利因素,可以取 0.85 倍的 Ms。控制方法采用经典的 PID 控制:(17)3 仿真环境采用软
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