关于双体船在波浪中靠近海上风力机进行靠泊作业的数值与实验研究学术报告

一、 作者、机构与发表信息

本研究由德国汉堡工业大学的 Daniel Ferreira González、Matthias Lemmerhirt、Moustafa Abdel-Maksoud（隶属于流体动力学与船舶理论研究所）以及 Marcel König、Alexander Düster（隶属于船舶结构设计与分析研究所）共同完成。研究成果以论文形式发表于美国机械工程师学会 (ASME) 主办的第34届国际海洋、离岸与极地工程会议 (OMAE2015) 论文集，会议于2015年5月31日至6月5日在加拿大圣约翰斯举行，论文编号为 OMAE2015-42071。

二、 研究背景与目标

本研究属于船舶与海洋工程流体动力学、海上结构物作业安全交叉领域。随着海上风电产业的快速发展，运维人员与设备需要通过运维船（Service Vessel）频繁往返于风机基础与母港之间。其中，一个极其关键且危险的作业阶段是“靠泊登陆”（Landing Manoeuvre）：船舶将其船首的护舷（Fender）顶推在风机基础结构（本研究针对单桩基础 Monopile）上，以保持相对稳定，从而进行人员或货物的转移。在此过程中，波浪载荷可能导致护舷与基础结构之间产生剧烈的相对运动，特别是护舷可能发生突然的“滑移”（Slip），严重威胁人员和设备安全。

然而，当时关于此类靠泊操纵的公开研究文献很少。已有的数值模拟研究多基于频域方法或结合脉冲响应函数法。为了深入理解靠泊过程中的水动力效应与结构相互作用，并开发能够有效模拟和评估此类作业风险的工具，本研究团队设定了明确目标：开发一种能够在时域内模拟船舶在波浪中靠近海上风力机单桩基础并进行接触作业的数值方法，并通过系统的模型试验对该数值方法进行验证与改进。最终目标是建立一个能够量化护舷滑移风险的分析工具。

三、 详细研究流程与方法

本研究是一个典型的“数值方法开发-模型试验验证-对比分析与改进”的闭环流程，主要包含以下三个核心环节：

1. 模型试验设计与执行 研究团队在汉堡工业大学的拖曳水池（长80米，宽5米，水深2.3米）中进行了物理模型试验。试验对象是一个按1:10比例缩尺设计的双体船（Catamaran）模型，其主要尺寸为：总长L=2.2米，宽B=0.8米，吃水T=0.12米，质量79.2公斤。模型配备了两个Z型传动推进器。 * 试验设置：在水池中安装了一根直径为0.5米（对应实尺度5米）的PVC管模拟单桩基础。双体船模型被布置为将其船首的一个D型剖面护舷顶推在包裹了钢板的单桩表面上。试验测量了波浪、船舶运动以及护舷连接点处的受力。 * 测量系统： * 波浪：使用超声波传感器测量波高。 * 船舶运动：使用基于红外摄像机的光学运动捕捉系统，追踪安装在船体上的标记点，以获取船舶（特别是护舷点）的六自由度运动。 * 护舷受力：在护舷与船体的连接处安装了两对载荷传感器，分别测量轴向（法向）和切向（摩擦方向）的力。 * 试验内容：试验分为规则波和不规则波（采用JONSWAP谱）两种海况。在规则波试验中，系统地变化了波长（范围在0.8L至6L之间）和波高，并阶段性地改变船舶推力，以观察和记录护舷处于“粘滞”（Stick）或“滑移”（Slip）状态的条件。在不规则波试验中，测量了船舶和护舷在更真实海况下的动态响应时间历程。 * 护舷特性测试：为确保数值模型中护舷参数的准确性，研究团队还使用专门的试验台对两种不同硬度的D型护舷进行了力学性能测试，记录了其载荷-变形关系，结果显示护舷的力学行为具有明显的非线性特征。

2. 数值模型开发 研究团队基于其自主开发的边界元法（Boundary Element Method, BEM）代码 panmare（原用于螺旋桨流动模拟）进行扩展，建立了一个时域靠泊操纵模拟工具。 * 水动力计算核心：panmare 基于势流理论，假设流体无粘、不可压缩、无旋，通过求解拉普拉斯方程计算速度势。它采用面元法，在物体湿表面上分布源汇来模拟物体的存在和运动。该方法能够计算由入射波和物体运动引起的Froude-Krylov力、绕射力和辐射力。研究中特别改进了对物体瞬时湿表面的处理，采用“分割因子”来考虑部分浸没面板的影响。 * 单桩绕射效应建模：由于单桩基础直径与波长比可能较大，波浪绕射效应显著。本研究没有对单桩进行网格离散，而是采用了基于圆柱绕射理论的解析解，将单桩引起的绕射波速度势直接叠加到入射波势中，从而高效地考虑了单桩对周围波场的影响。 * 护舷接触模型：这是本研究方法的一个关键创新点。模型将单桩表面理想化为一个垂直平面，并在船体上定义一个接触点。 * 法向力模型：采用一个简化的线性弹簧-阻尼模型来模拟护舷的压缩变形力，尽管试验表明其实际行为是非线性的。 * 切向摩擦力模型：这是一个动态判断“粘滞”与“滑移”状态的核心模型。它基于扩展的库伦摩擦定律，采用连续的Stribeck曲线来描述摩擦系数与相对速度的关系。模型的核心逻辑在于，在每个时间步，它首先计算维持接触点与单桩表面无相对运动（即“粘滞”）所需的摩擦力 f_fr,stick。这个力通过将运动方程与“接触点相对速度为零”的约束条件联立求解得到。同时，根据当前法向力和摩擦系数计算最大可提供的静摩擦力 f_fr,max。通过比较这两个力来决定实际作用的摩擦力和接触状态：若 f_fr,stick < f_fr,max，则接触点保持粘滞，实际摩擦力等于 f_fr,stick；若 f_fr,stick ≥ f_fr,max，则发生滑移，实际摩擦力等于 f_fr,max。 * 运动方程与时间积分：船舶的运动通过牛顿-欧拉方程求解，考虑了水动力载荷、护舷接触力和螺旋桨推力。为了稳定收敛，采用了将附加质量从水动力中分离处理的隐式-显式混合时间积分策略。辐射阻尼则通过从商业软件ANSYS AQWA中获取的系数矩阵来考虑。

3. 数值与实验结果的对比验证 将开发的数值模型应用于模拟模型试验中的工况，并将计算结果与试验测量数据进行详细对比。 * 验证工况： * 自由漂浮状态：对比了双体船在不接触单桩、仅受波浪作用下的垂荡和纵摇运动响应幅值算子（RAO）。数值结果（panmare 和 ANSYS AQWA）与试验结果在纵摇上吻合良好，但在短波区域的垂荡运动上存在一定偏差。 * 固定接触状态：模拟了船舶护舷顶住单桩且无滑移的情况。对比了垂荡和纵摇RAO。数值模拟总体上能捕捉趋势，但在某些波长下（如λ_w/L=1.8附近）未能复现试验中出现的局部峰值。 * 动态靠泊过程（核心验证）：选取了不规则波试验中的一段典型时间历程（Hs=0.1m， Tp=1.57s），使用从试验波谱中提取并简化后的波浪序列作为数值模拟的输入，对比了护舷垂直方向的位移和速度。这是验证模型预测“滑移”事件能力的关键。

四、 主要研究结果

1. 模型试验揭示的规律：规则波试验结果表明，维持护舷“粘滞”状态所需的最小水平推力（与接触压力相关）随波长变化。图中显示，该力在波长约为船长0.5倍和1.1倍处出现局部最小值。第一个最小值对应于波浪激励力接近零的情况；第二个最小值被解释为共振点，此时在护舷位置，波浪激励力与垂荡运动之间的相位差约为π/2，惯性力与恢复力相互抵消，使得控制船舶运动所需的力最小。

2. 数值模型验证结果：

   • 运动响应：在自由漂浮和固定接触状态下，数值模型对纵摇运动的预测比垂荡运动更为准确。对于固定接触状态，模型虽然存在局部偏差，但整体上能合理反映船舶的运动趋势。
   • 滑移事件预测（核心成果）：在不规则波动态靠泊过程的对比中，数值模型成功预测出了护舷发生滑移的关键时间点。如图15所示，模拟结果与试验数据在滑移发生的时刻上表现出良好的一致性。这证明了所开发的数值方法的核心能力——识别和预测靠泊作业中因波浪载荷导致护舷失稳滑移的风险时刻。
   • 存在的差异：对比也揭示了模型的一些不足。例如，在模拟中，护舷在滑移事件发生后重新“粘滞”的静止位置与试验观测值存在偏差。这被认为是导致后续运动和力预测出现误差的原因之一。研究指出，这主要归因于数值模型中采用了过于简化的线性弹簧-阻尼护舷模型，未能准确反映实际护舷非线性的载荷-变形特性。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发并验证了一种用于模拟双体船在波浪中靠近海上风力机单桩基础进行靠泊作业的时域数值方法。该方法创新性地耦合了基于势流理论的水动力计算（考虑了单桩绕射）和一个能够动态判断“粘滞/滑移”状态的护舷接触力学模型。

结论表明：尽管当前的简化模型在精确预测船舶运动轨迹和护舷复位位置方面存在局限，但其核心价值在于能够有效地量化护舷在靠泊过程中发生突然滑移的风险概率。模型能够识别出导致滑移的危险海况和操作条件。

科学价值：本研究为分析船舶与固定 offshore 结构物在复杂波浪环境下的耦合动力学问题提供了一种有效的数值框架。它将水动力载荷、结构接触非线性（摩擦）和船舶操控（推力）集成在一个时域仿真环境中。

应用价值：该工具可用于评估和优化海上风电运维船的靠泊作业安全性，指导操作窗口期的制定，辅助船型设计和护舷系统选型，从而提升海上风电运维作业的安全性与效率。

六、 研究亮点

1. 问题导向的创新性：针对海上风电运维中一个具体且高风险的实际作业环节——“靠泊登陆”，开展了集数值方法与模型试验于一体的系统研究，填补了该领域的研究空白。
2. 方法上的整合与创新：
   • 将解析的圆柱绕射波场与基于面元法的船舶水动力计算相结合，在保证一定精度的同时提高了计算效率。
   • 开发了一个动态的“粘滞-滑移”判别护舷接触模型，这是预测风险事件（滑移）的关键。该模型逻辑清晰，通过求解带约束的运动方程来获取维持粘滞所需的力，并与最大静摩擦力比较，从而决定接触状态。
3. 详实的实验验证：研究不仅进行了常规的自由衰减和规则波响应试验，还特别设计了模拟真实靠泊过程的动态试验，测量了护舷处的接触力，为数值模型的验证提供了宝贵且直接的数据支持。
4. 明确的工程应用指向：研究的最终目标明确指向工程应用——量化滑移风险。模型的验证也紧紧围绕这一核心目标展开，证明了其在风险预测方面的实用价值。

七、 其他有价值的内容与展望

论文在最后讨论了本研究的局限性并提出了未来改进方向： * 模型局限性：当前波浪模型未考虑船舶自身对周围波场的影响（即船舶兴波对入射波的扰动）。护舷模型过于简化，未考虑其非线性和滞回特性。 * 未来工作展望： 1. 通过耦合panmare（流体求解器）与有限元方法（FEM）（结构求解器）来建立更精确的护舷结构模型。 2. 在自由表面应用非定常边界条件，以改进波浪模拟。 3. 采用更高阶的时间积分方法以提高计算效率。 4. 将模型扩展到考虑船舶横摇运动，并将接触模型适配于更真实的、具有两个垂直护舷柱的靠泊结构。

这些展望为后续研究指明了清晰的技术路径。