一种基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法与流程

本发明涉及一种基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法。

背景技术：

船舶的主尺度是描述船舶几何特征的最基本参数，包括船长l、船宽b、型深d、吃水d等，主尺度对船舶的运载能力、航海性能、操作使用和船舶的经济性等都有重要影响。合理地选择和确定主尺度是船舶总体设计中最重要的工作之一，也是开展各项具体设计工作的基础。在选择船舶的主尺度时，必须全面地考虑船舶的各项性能、经济性与主尺度之间的关系，同时还要注意到各个主尺度对技术、经济指标的影响程度。

船舶在海上航行作业的性能，既取决于外部风浪的大小，也和船体本身的要素有关。因此，在船舶设计中，为了保证有良好的耐波性，船舶主尺度和船型的选择除了考虑静水中的性能之外，尚须兼顾耐波性的要求。耐波性是船舶受外载荷作用下六个自由度的运动响应，包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。大型打桩船其船型特点为方形系数大，船宽型深比大，作业特点为耐波性能要求较高，特别是在打桩作业时，打桩精度要求高，优良的船舶主尺度，具有更优良的耐波性，打桩的精度更高，作业时的抗风能力更高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法，它能为超大型打桩船的主尺度设计提供理论指导，以保证打桩船在相对恶劣的海况条件下，具有较高的作业率和施工精度。

本发明的目的是这样实现的：一种基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法，包括以下步骤：

步骤一，确定设计变量，将船舶的船长l、船宽b、吃水d、干舷d作为设计变量，并将所有的设计变量参数化，然后作为输入条件输入napa软件中；并基于船舶的型线图和总布置图在napa软件中建立船舶的三维模型；

步骤二，确定目标函数，将船舶的横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、升沉位移和横摇周期作为目标函数输入napa软件中；

步骤三，建立约束条件，包括：

(1)船舶应满足蒲氏风力7级及其以下，有义波高为1.5m，最大水流速度≤3.0m/s的条件下沿海海域锚泊作业；

(2)船舶应满足在蒲氏风力12级，水流速度≤3.0m/s的条件下，作业区水域就地抛锚抗风；

(3)船舶应满足打桩定位精度，包括：平面坐标在10cm以内；垂直度在1/400以内；

步骤四，将上述目标函数和约束条件输入napa软件中，并通过给出的一组设计变量计算得到横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、升沉位移和横摇周期；

步骤五，验证目标函数是否满足约束条件，若不满足，则重新给出另一组设计变量，计算得到横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、升沉位移和横摇周期；

步骤六，对计算结果进行分析，得到耐波性最佳的船舶主尺度。

上述的基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法，其中，进行步骤四和步骤五时，先根据公式(1)计算横倾角：

公式(1)中，δ为船舶的排水量，gm为船舶的初稳心高，为横倾角；为静态横倾力矩；

再根据公式(2)计算横摇角：

公式(2)中，为横摇角；为船舶和附连水转动惯量的叠加，与船舶排水量、重心高度和船舶重量沿船长和船宽的分布有关；为船舶运动的阻尼，与船型和附体有关；δ为船舶排水量；gm为船舶的初稳心高；为由波浪引引起的动态横摇力矩；

横摇周期根据公式(3)计算：

横摇周期是表征船舶耐波性的重要指标，对横摇的运动性能有重大影响，

公式(3)中，为船舶和附连水转动惯量的叠加，与船舶排水量、重心高度和船舶重量沿船长和船宽的分布有关；δ为船舶排水量，gm为船舶的初稳心高。

本发明的基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法，具有以下特点：只需要在软件中通过计算船舶的主尺度参数对船舶耐波性的影响，计算得到在特定海况条件下船舶的联合作业概率，从中选取最为合适的船舶的主尺度参数，为超大型打桩船的主尺度设计提供可靠的理论指导，以保证打桩船在相对恶劣的海况条件下，具有较高的作业率和施工精度。经分析论证评估，本发明的方法合理，技术性能指标先进。

附图说明

图1是本发明的基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法在计算船舶运动响应参考点的示意图；

图2(a)是船舶运动的响应参考点在浪向60°、有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝8s的升沉位移的时域波形图；

图2(b)是船舶运动的响应参考点在浪向60°、有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝8s的横荡位移的时域波形图；

图2(c)是船舶运动的响应参考点在浪向60°、有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝8s的纵荡位移的时域波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，本发明的基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法，包括以下步骤：

步骤一，确定设计变量，将船舶的船长l、船宽b、吃水d、干舷d作为设计变量，并将所有的设计变量参数化，然后作为输入条件输入napa软件中；并基于船舶的型线图和总布置图在napa软件中建立船舶的三维模型；

步骤二，确定目标函数，将船舶的横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、升沉位移和横摇周期作为目标函数输入napa软件中；

步骤三，建立约束条件，包括：

(1)船舶应满足蒲氏风力7级及其以下，有义波高为1.5m，最大水流流速≤3.0m/s的条件下沿海海域锚泊作业；

(2)船舶应满足在蒲氏风力12级，水流速度≤3.0m/s的条件下，作业区水域就地抛锚抗风；

(3)船舶应满足植桩定位精度，包括：平面坐标在10cm以内；垂直度在1/400以内；

步骤四，将上述目标函数和约束条件输入napa软件中，并通过给出的一组设计变量计算得到横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、升沉位移值和横摇周期；先根据公式(1)计算横倾角：

公式(1)中，δ为船舶的排水量，gm为船舶的初稳心高，为横倾角；为静态横倾力矩；

再根据公式(2)计算横摇角：

公式(2)中，为横摇角；为船舶和附连水转动惯量的叠加，与船舶排水量、重心高度和船舶重量沿船长和船宽的分布有关；为船舶运动的阻尼，与船型和附体有关；δ为船舶排水量；gm为船舶的初稳心高；为由波浪引引起的动态横摇力矩；

横摇周期根据公式(3)计算：

横摇周期是表征船舶耐波性的重要指标，对横摇的运动性能有重大影响，

公式(3)中，为船舶和附连水转动惯量的叠加，与船舶排水量、重心高度和船舶重量沿船长和船宽的分布有关；δ为船舶排水量，gm为初稳心高；

步骤五，验证目标函数是否满足约束条件，若不满足，则重新给出另一组设计变量，计算得到横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、升沉位移和横摇周期；

步骤六，对计算结果进行分析，得到耐波性最佳的船舶主尺度。

本发明使用三维势流挠射/辐射的源汇分布法对本打桩船进行耐波性运动响应分析。

现以某133米超大型打桩船为例对发明进行说明：

本船要求满足沿海海域水上工程的打桩作业，具备在长波浪海域施工有良好的耐波性。

计算本船的耐波性能时以广东阳江为例，该海域在有义波高为1.5米时，波浪平均周期不大于7秒的概率为70.92％，不大于8秒的概率为90.8％。因此本船主尺度的确定应满足在有义波高为1.5米时，波浪平均周期在7秒至8秒间也具有较高的作业率。

在给出6组设计变量时应考虑以下几个方面：

(1)本船船长l对于浮力、总布置、快速性、耐波性、操作性、破舱稳性、总纵强度等方面的影响都比较大。结合打桩船的作业特点，应该更侧重于对耐波性的影响，其他因素适当关注。依据耐波性理论，船长l主要影响船舶的纵摇和升沉。当船长与波长比大于1.3时,无论船舶的是否发生谐摇,船舶的纵摇和升沉都不会很大。在同样的船宽b和吃水d时，船长l的增加将增加船体结构的重量和压载水量，使船舶总体的重心降低，对于横摇运动是不利的，所以在合适的范围内船长l不需要太大；本船在有义波高不超过1.5米的海域作业时，为了具有较高的作业率，船长应该在99米～129米，有利于减小船舶的纵摇和升沉运动；但由于本船桩架的重量和重心位置已基本确定，对于一定吃水下，船长的增加将增加压载水量，使船舶的总体重心降低，对于横摇运动是不利的，经对计算工况初步估算后，本船的船长选择在99米和108米两种情况，船长再加长后，作业工况的重心降低会对船舶横摇运动不利；

(2)船宽b：船宽b主要影响船舶的稳性(包括抗横倾能力)和横摇运动,对纵摇和升沉的影响不大，在船舶的排水量相差不大的情况下，船宽b增大时船舶的横荡位移会增大。本船船宽的选择应基于抗风能力(即抗倾能力)和抗横摇能力，通过全面权衡利弊，并从现有的大型打桩船主尺度结合本船的抗风浪能力，本船的船宽应保持在37米～40米，因此选择了三个船宽37.2米、38.0米和39.6米；

(3)吃水d：船舶的横稳心高km随吃水d的增加而减小，相应的船舶的初稳心高gm值随吃水d的增加呈增减小趋势，即船舶的横摇固有周期随吃水d的增加呈增大趋势，因此总体上讲吃水d的增加有利于减小船舶的横摇、纵摇和升沉运动，同时从船舶砰击的角度来看,要求吃水d值大些,因为船舶砰击常发生在空载和压载航行状态,尤其对具有尾倾而吃水较小的船更是如此，因此吃水深,能够减少船舶砰击的频率和船舶砰击的强度；

(4)干舷d：富裕的干舷d和舷弧能显著地改善甲板上浪和溅浪，即船舶在满足《载重线公约》的要求基础上，可适当增加干舷d，以减小船舶砰击和上浪的发生；

(5)型深和吃水需考虑干舷和稳性影响，减少横摇的影响，减小砰击和上浪的影响等多种因素，根据现有大型打桩船的主尺度可以看出，并依据本船总纵强度计算结果，本船的型深按船长99米时选择为7米，船长108米时选择为7.2米；通过分析一些桩架高度在100米以上的大型打桩船，这些船的干舷基本为2.4米～2.6米，考虑到作业时有义波高由1.2米增加至1.5米，干舷也要做相应调整，增加至2.5和2.7米，因此选择本船的吃水d为4.5米。

先在napa软件中输入给出的6组设计变量，见下表1，其中排水量和横稳心高km都是在napa软件中通过输入的设计变量船长l、船宽b、吃水d和干舷d计算得到，型深是通过干舷d和吃水d计算得到，即干舷d＝型深-吃水d；

表1

通过napa软件计算6组设计变量下本船的升沉周期、横摇周期和纵摇周期，见下表2：

表2

从表2可以看出，本船的横摇周期在12秒以上，纵摇周期在9秒左右，由于作业时波浪的周期最长达到8秒，接近于纵摇周期9秒，需综合考虑横荡、纵荡和升沉三者运动影响。

为了直观地反映这6组设计变量下本船的耐波性能的优劣，现对本船运动设置阈值，假定本船作业时横摇角不超过0.5°，纵摇角不超过0.5°，升沉位移不超过0.5m，将位于船艏部的桩架平台顶点(距船艏端12.3m，距水面133m)(见图1)作为本船运动的响应参考点，该响应参考点的横荡位移和纵荡位移均不超过133*sin(0.5*pi/180)＝1.1m；升沉位移不超过0.5m；对6组设计变量下船舶运动一一对应地的进行时域计算并确定横荡位移、纵荡位移和升沉位移不超过阈值的概率及联合概率。

图2(a)中横轴代表时间(秒)，纵轴代表升沉位移的幅度(米)；从图2(a)中可以看出，在第6组设计变量(船长为108m、船宽为39.6m、型深为7.2m、吃水为4.5m)及浪向为60°、有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝8s时，响应参考点的升沉位移的幅度基本上保持在0.5m以内，即响应参考点的升沉位移保持在阈值0.5m以内的概率为0.9878；

图2(b)中横轴代表时间，纵轴代表横荡位移的幅度(米)；从图2(b)中可以看出，在第6组设计变量(船长为108m、船宽为39.6m、型深为7.2m、吃水为4.5m)及浪向为60°、有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝8s时，响应参考点的横荡位移的幅度基本上保持在1.1m以内，即响应参考点的横荡位移保持在阈值1.1m以内的概率为0.7411。

图2(c)中横轴代表时间(秒)，纵轴代表纵荡位移的幅度(米)；从图2(c)中可以看出，在第6组设计变量(船长为108m、船宽为39.6m、型深为7.2m、吃水为4.5m)及浪向为60°、有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝8s时，响应参考点的纵荡位移的幅度基本上保持在1.1m以内，即响应参考点的纵荡位移保持在阈值1.1m以内的概率为0.8472。

本船三个方向运动(横荡、纵荡和升沉)的时域值不超过阈值的联合作业概率为升沉运动保持在阈值以内的概率、纵荡运动保持在阈值以内的概率和纵荡运动保持在阈值以内的概率的乘积，即0.9878×0.7411×0.8472＝0.6202。

下表3列出了在有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期tz＝5s时，6组设计变量(方案)下响应参考点的三个方向运动位移不大于阈值的联合作业概率：

表3

表4列出了在有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期为tz＝6s时，6组设计变量(方案)下响应参考点的三个方向运动位移不大于阈值的联合作业概率：

表4

表5列出了在有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期为tz＝7s时，6组设计变量(方案)下响应参考点的三向运动位移不大于阈值的联合作业概率：

表5

表6列出了在有义波高hs＝1.5m，波浪平均周期为tz＝8s时，6组设计变量(方案)下响应参考点的三个方向运动位移不大于阈值的联合作业概率：

表6

在参数计算时，对各设计变量按船长、船宽、型深、吃水的顺序逐一取值，确定船舶主尺度的数值，从而可得到最优的船舶主尺度参数。

船舶三个方向运动的时域值不超过阈值的联合作业概率越大，船舶的作业能力越强。从上述表3至表6中可以看出，船长由99米加长至108米，在波浪周期为5秒和6秒时，加长的船长的作业率更高，在波浪周期为7秒和8秒时，加长的船长在浪向60度至120度之间的作业率稍低，其余工况的作业率较高，经综合分析船长为108米更利于作业，故选择108米为本船的船长。

船宽加大后，相同工况下由于压载水量的增加，使船舶的总体重心降低，因此在波浪周期为5秒和6秒时对船舶的作业率影响不大，但对波浪周期为7秒和8秒时船舶的作业率会降低较大，因此不选择39.6米船宽。对比38米船宽和37.2米船宽，在波浪周期为5秒和6秒时38米船宽的作业率比37.2米船宽的作业率好些，在波浪周期为7秒和8秒时，浪向40度至140度时38米船宽的作业率和37.2米船宽的作业率相当，其余浪向37.2米船宽的作业率更好些。

以下从抗风能力评估本船的两个船宽的优劣。下表7列出了6组设计变量(吃水为4.5米)下在不同的风级下能小于横倾角(本船的垂直度要求为1/400以内，即本船的横倾角要求小于0.1432度)。

表7

对于本船的植桩定位精度要求垂直度控制在1/400以内，即横倾角应小于1/400*57.3＝0.143，从上表7中可以看出，第4组设计变量下在最大风速为12.93米时能达到0.143度以内，第5组设计变量下在最大风速为13.7米时能达到0.143度以内，即第5组设计变量下本船在植桩时可以抵抗更大的风速。因此第5组设计变量下本船的抗风能力优于第4组设计变量下本船的抗风能力。

下表8列出了6组设计变量(方案)下船舶三向运动的时域值不大于阈值的联合概率均值及排名名次：

表8

从表8中可看出，6组设计变量(方案)下的第4组设计变量和第5组设计变量是最好的两个方案。经综合考虑，本船采用第5组设计变量的主尺度进行设计。

本发明的基于耐波性计算确定超大型打桩船主尺度的方法，只要在软件中通过计算船舶的主尺度参数对船舶耐波性的影响，计算得到在特定的海况条件下船舶的联合作业概率，从中选取最为合适的船舶的主尺度参数，为超大型打桩船的主尺度设计提供可靠的理论指导，以保证打桩船在相对恶劣的海况条件下，具有较高的作业率和施工精度。经分析论证评估，本发明的方法合理，技术性能指标先进。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。