CN105808940A

CN105808940A - 确定拖航方案的方法

Info

Publication number: CN105808940A
Application number: CN201610124818.3A
Authority: CN
Inventors: 王超; 尹艳; 宋金扬; 李春辉; 冯昌宁; 王钰涵; 张伟
Original assignee: Waigaoqiao Of Shaihai Shipbuilding Marine Engineering Design Co Ltd; Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Waigaoqiao Of Shaihai Shipbuilding Marine Engineering Design Co Ltd; Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2016-07-27

Abstract

本发明公开了一种确定拖航方案的方法，其包含以下步骤：S1：计算风阻力、流阻力和波浪阻力；S2：根据计算所得的风阻力、流阻力和波浪阻力确定最小拖带力；S3：通过最小拖带力确定最低要求的系柱拖力；S4：根据最低要求的系柱拖力确定拖带设备以及拖轮；S5：根据计算所得的风阻力、流阻力和波浪阻力确定不同航速时的拖航阻力；S6：根据不同航速时的拖轮的拖力和不同航速时的拖航阻力确定最大拖航速度；S7：根据确定的拖带设备以及拖轮和最大拖航速度，确定拖航方案。本发明的确定拖航方案的方法可以有效提高拖航的可靠性和安全性。

Description

确定拖航方案的方法

技术领域

本发明涉及一种确定拖航方案的方法。

背景技术

远海大型浮式结构物采用多点系泊的方式作业于南海海域，功能模块众多，作为船舶停靠、舰船补给、渔业加工、资源开发仓储、海上救助等功能于一体的综合基地。大型浮式结构物没有自航能力，需要进行拖航作业才能到指定海域，其中拖航成本、工作效率以及拖航安全性是拖航过程中主要考虑的因素。因此在海上拖航过程中，为了确定合适的拖航方案显得尤为重要，其中，选取合适的拖轮以及确保整个拖航过程的安全性和经济性，计算浮式结构物在拖航过程中受到的阻力是必须的。

为了得到较为准确的拖航阻力，一般采用水池或风洞模型试验，但该方法存在费用高以及耗时长的缺点。因此在实际工程中，为了节省拖航成本和缩短建造周期，设计者往往采用较为保守的计算方法估算拖航阻力。最常用的方法是根据中国船级社CCS的《海上拖航指南》规范给出的经验公式，该规范只考虑摩擦阻力、剩余阻力以及风阻力，忽略了波浪荷载引起的阻力。因此计算结果偏小，降低了拖航的可靠性和遇到大风浪等极端海况时拖轮控制拖航系统的能力以及拖航系统本身的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种确定拖航方案的方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种确定拖航方案的方法，其包含以下步骤：

S1：计算风阻力、流阻力和波浪阻力；

S2：根据计算所得的风阻力、流阻力和波浪阻力确定最小拖带力；

S3：通过最小拖带力确定最低要求的系柱拖力；

S4：根据最低要求的系柱拖力确定拖带设备以及拖轮；

S5：根据计算所得的风阻力、流阻力和波浪阻力确定不同航速时的拖航阻力；

S6：根据不同航速时的拖轮的拖力和不同航速时的拖航阻力确定最大拖航速度；

S7：根据确定的拖带设备以及拖轮和最大拖航速度，确定拖航方案。

优选地，在步骤S6中：根据不同航速时的拖轮的拖力和不同航速时的拖航阻力绘制拖航阻力曲线，再根据拖轮拖力曲线和拖航阻力曲线确定最大拖航速度。

优选地，在步骤S6中，拖轮拖力曲线和拖航阻力曲线的交点对应的拖航速度为最大拖航速度。

优选地，在步骤S1中，根据公式F_WI＝0.5C_SC_Hρ(V_w+V_t)²A₁计算风阻力，其中：F_WI为风阻力；C_S为受风构件的形状系数；C_H为受风构件的高度系数；ρ为空气密度；V_w为海区真风速；V_t为航速；A₁为正浮或倾斜状态下所有暴露面的正投影面积。

优选地，在步骤S1中，根据公式F_C＝0.5C_Dρ(V_c+V_t)²A₂计算流阻力，其中：F_c为流阻力；C_D为拖曳力系数；ρ为海水密度；V_c为流速(m/s)；V_t为航速(m/s)；A₂为被拖物浸水部分的中横剖面面积。

优选地，在步骤S1中，利用水动力分析软件计算波浪阻力。

优选地，在步骤S2中，在确定最小拖带力时，设定航速为0。

优选地，在步骤S2中，最小拖带力为风阻力、流阻力和波浪阻力之和。

优选地，在步骤S3中，通过公式BP＝TPR/Te计算最低要求的系柱拖力，其中：TPR为最小拖带力，Te为拖航效率，BP为最低要求的系柱拖力。

本发明的积极进步效果在于：提高了拖航的可靠性和安全性。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的确定拖航方案的方法的流程图。

图2为实施例中的拖轮阻力曲线与拖轮的拖力曲线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

如图1所示，根据本实施例的确定拖航方案的方法主要包含以下步骤：

步骤100：计算风阻力、流阻力和波浪阻力。

大型浮式结构物的拖航阻力计算主要考虑风阻力、流阻力以及波浪阻力这三部分。

1)计算风阻力

对于受风面积庞大的结构物而言，应充分考虑风载荷对其影响，具体的风阻力计算公式如下：

F_WI＝0.5C_SC_Hρ(V_w+V_t)²A₁(1)

式中:

F_WI为风阻力(N)；C_S为受风构件的形状系数；C_H为受风构件的高度系数，参考相关规范规定；ρ为空气密度1.222kg/m³；V_w为海区真风速(m/s)；V_t为航速(m/s)；A₁为正浮或倾斜状态下所有暴露面的正投影面积(m²)。

在利用上述公式(1)计算风阻力时，需要注意以下几点。

首先，为了得到准确的风荷载，确定受风构件的形状系数和受风面积是关键。浮式结构物甲板上有较多功能模块，在风载荷计算过程中，主要考虑主船体、吊机以及上层建筑等大型结构。而对于一些难以精细定义的构件，模拟时可以从受风面积略大的保守层面考虑。如吊机的吊臂可以等效为圆台，取满实投影面积的60％，具体的形状系数参考表1；

其次，随着上层建筑几何中心不断增高，风力逐渐增大，作用于上层建筑的风阻力也随之增大，因此必须考虑高度系数，见表2；

再次，对于风速而言，应该考虑作用在被拖物上层建筑上的实际风速进行拖航阻力估算比较合理，风速由海区真风速以及拖航速度两部分组成。

表1系数C_S值

表2系数C_H值

2)计算流阻力

流阻力可按如下公式计算：

F_C＝0.5C_Dρ(V_c+V_t)²A₂(2)

式中：F_C为流力(N)；C_D为拖曳力系数；ρ为海水密度(1025kg/m3)；V_c为流速(m/s)；V_t为航速(m/s)；A₂为被拖物浸水部分的中横剖面面积(m²)。

流速应取在作业海区范围内可能出现的最大流速值，包括潮流流速、风暴涌流流速和风成流流速。一般在计算时，流速为0.5m/s。C_D为经验系数，对于圆形构件，可取0.6-1.2，对于非圆截面的构件，可按文献中记载的规范选取，必要时由试验确定。此处拖曳力系数取为1。

被拖物浸水部分的中横剖面面积按公式进行计算：

A₂＝δ×B×d(3)

式中，B、d分别为船宽和拖航吃水(单位：m)；δ为纵剖面系数。

3)计算波浪阻力

在拖航过程中由波浪引起的阻力可按结构物在波浪中受到的二阶平均漂移力确定。基于三维势流理论，利用水动力分析软件SESAM对被拖物在波浪作用下的运动响应特性进行研究；结合作业海域的海况条件，采用谱分析方法对其在不规则波中的短期响应值进行了预报求得平均漂移力。其具体求解过程如下：

首先，通过Genie模块建立大浮体的湿表面模型，该模型建立范围为整个主船体从基线至主甲板部分；

导入Hydrod模块根据被拖物实际吨位和吃水对全船的重量重心进行调节，可以得到相应工况下的重量重心及惯性半径；

根据实际海况选取多个频率的单位规则波，按三维势流理论计算受到的二阶漂移力的传递函数RAO，在此称之二阶漂移力系数H(ω)；

最后在Postresp后处理模块中，选取拖航海域合适的波浪谱S(ω)，计算平均漂移力，即波浪阻力F_wa＝∫|H(ω)|²S(ω)dω，选取最大的波浪阻力预报值，其中ω为频率。

由上可以看出选择合理的波浪谱也是很关键的，通常在海洋工程领域所使用的波浪谱有：Pierson-Moskowitz；Bretschneider；ISSC；JONSWAP；Ochi-Hubblespectrum。其中使用最为广泛的两种波浪谱是Pierson-Moskowitz谱和JONSWAP谱。

步骤200：根据计算所得的风阻力、流阻力和波浪阻力确定最小拖带力。

根据计算所得的的风阻力、流阻力和波浪阻力，将上述三种阻力进行叠加计算得到最小拖带力TPR，计算该最小拖带力TPR时，不考虑航速，即设定航速为0。

步骤300：通过最小拖带力确定最低要求的系柱拖力。

最低要求的系柱拖力是指在比较恶劣的气象、海况条件下，执行拖带的拖轮以其有效输出拖力能控制被拖物保持原位或顶风滞航。当选择拖轮时，应确保拖轮最小拖带力TPR，此时不考虑拖航速度，拖航工况必须满足GLNobleDenton公司制定的GUIDELINESFORMARINETRANSPORTATIONS(海事运输指引)，如表3所示。

表3计算TPR的基本海况

然后计算最低要求系柱拖力BP，公式如下：

BP＝TPR/Te(5)

此处Te为拖航效率，参考表4

表4拖曳效率

最低要求系柱拖力BP为将拖航效率Te在表4中进行反复迭代而得到的最终的计算结果。

步骤400：根据最低要求的系柱拖力确定拖带设备以及拖轮。

根据得到最低要求的系柱拖力，初步选取拖轮和拖带设备。其中拖力点或拖力眼板或系缆桩，至少应能承受拖缆破断负荷的1.3倍；所有卸扣、连接环及连接设备的极限负荷能力，应不小于拖缆破断负荷的1.5倍。拖航时间超过72小时，拖揽的最小破断负荷计算如表5，否则都按2BP进行计算。

表5拖揽的最小破断负荷

步骤500：根据计算所得的风阻力、流阻力和波浪阻力确定不同航速时的拖航阻力。

将以上风阻力、流阻力和波浪阻力相加，可得到被拖平台的拖航阻力，即：

F_total＝F_wi+F_c+F_wa(6)

此时，需要考虑航速，不同的航速对应不同的拖航阻力。

计算拖航阻力时主要考虑3种工况，参考GLNobleDenton公司制定的GUIDELINESFORMARINETRANSPORTATIONS(海事运输指引)，分别为平静海况、中等海况和恶劣海况，如表6所示，经过计算得到被拖物在不同拖航速度及在不同海况时的拖航阻力。

表6不同工况下环境参数

步骤600：根据不同航速时的拖轮的拖力和不同航速时的拖航阻力确定最大拖航速度。

根据三种海况的计算结果，此时可根据不同航速时的拖轮的拖力和不同航速时的拖航阻力绘制拖航阻力曲线，再参考拖轮在不同工况时的拖轮拖力曲线，就能得到被拖物的最大拖航速度，如图2所示，拖轮拖力曲线和拖航阻力曲线的交点对应的拖航速度为最大拖航速度。

步骤700：根据确定的拖带设备以及拖轮和最大拖航速度，确定拖航方案。

首先，根据最低要求系柱拖力大小选择合适的拖轮和拖曳设备；再根据拖航阻力曲线，参考拖轮的拖力曲线，确定拖轮的最大拖航速度。根据这两项计算结果制定相应的拖航方案。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种确定拖航方案的方法，其特征在于，其包含以下步骤：

S1：计算风阻力、流阻力和波浪阻力；

S3：通过最小拖带力确定最低要求的系柱拖力；

S4：根据所述最低要求的系柱拖力确定拖带设备以及拖轮；

2.如权利要求1的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S6中，根据不同航速时的拖轮的拖力和不同航速时的拖航阻力绘制拖航阻力曲线，再根据拖轮拖力曲线和所述拖航阻力曲线确定最大拖航速度。

3.如权利要求2的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S6中，拖轮拖力曲线和所述拖航阻力曲线的交点对应的拖航速度为最大拖航速度。

4.如权利要求1的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S1中，根据公式F_WI＝0.5C_SC_Hρ(V_w+V_t)²A₁计算风阻力，其中：F_WI为风阻力；C_S为受风构件的形状系数；C_H为受风构件的高度系数；ρ为空气密度；V_w为海区真风速；V_t为航速；A₁为正浮或倾斜状态下所有暴露面的正投影面积。

5.如权利要求1的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S1中，根据公式F_C＝0.5C_Dρ(V_c+V_t)²A₂计算流阻力，其中：F_c为流阻力；C_D为拖曳力系数；ρ为海水密度；V_c为流速(m/s)；V_t为航速(m/s)；A₂为被拖物浸水部分的中横剖面面积。

6.如权利要求1的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S1中，利用水动力分析软件计算波浪阻力。

7.如权利要求1的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S2中，在确定最小拖带力时，设定航速为0。

8.如权利要求7的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S2中，最小拖带力为风阻力、流阻力和波浪阻力之和。

9.如权利要求1的确定拖航方案的方法，其特征在于，在步骤S3中，通过公式BP＝TPR/Te计算所述最低要求的系柱拖力，其中：TPR为最小拖带力，Te为拖航效率，BP为最低要求的系柱拖力。