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摘要：綜述船舶水面拖航系統(tǒng)運(yùn)動性能研究的進(jìn)展情況，按照經(jīng)驗(yàn)公式與圖譜研究法、水池試驗(yàn)研究法和數(shù)值計(jì)算模擬研究法等3種方法進(jìn)行分類，闡述拖航力計(jì)算方法、拖航系統(tǒng)水池試驗(yàn)技術(shù)、拖帶船舶水動力載荷與運(yùn)動特性和拖帶系統(tǒng)操縱運(yùn)動模擬方法等方面的技術(shù)現(xiàn)狀，為拖航系統(tǒng)運(yùn)動性能研究提供參考。

關(guān)鍵詞：水面拖航系統(tǒng)；運(yùn)動性能；經(jīng)驗(yàn)圖譜；水池試驗(yàn)；數(shù)值仿真

0引言

隨著船舶工業(yè)、海上工程和港口建設(shè)等不斷發(fā)展，與其相關(guān)的海上裝置的數(shù)量不斷增多、規(guī)格不斷增大，半潛式起重船等工程船、海上浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FloatingProductionStorageandOffloading，F(xiàn)PSO）和海洋平臺等浮式結(jié)構(gòu)物需通過拖航進(jìn)行運(yùn)輸，海上拖帶業(yè)務(wù)日益頻繁[1]。海上船舶在遇險(xiǎn)之后需盡快通過拖航拖至安全海域、港灣或修船廠。根據(jù)日本相關(guān)機(jī)構(gòu)對其近海海域的海難事故所做的調(diào)查報(bào)告，該海域需救助的遇難船舶日益增多，其中中小型船舶占70%左右，貨船和油船每年占20%~30%[2-3]。拖航作業(yè)需求不斷增多，拖航風(fēng)險(xiǎn)和拖航事故發(fā)生率不斷提升。根據(jù)世界近海事故數(shù)據(jù)庫（WOAD）所作的北海區(qū)域1980—1989年無動力船舶近海事故詳細(xì)報(bào)告，拖航事故約占風(fēng)險(xiǎn)總量的10%，屬于高頻事故[4]。影響海上拖航安全的主要因素[5]包括：主拖纜斷纜導(dǎo)致的拖船和被拖船操縱失控；被拖船過度偏蕩導(dǎo)致的拖帶失控；主拖纜纏繞螺旋槳導(dǎo)致的帶纜失敗及拖船失控。國際上導(dǎo)致大型移動裝置全損的首要原因是斷纜（約占20%），其中拖具原因經(jīng)驗(yàn)百分比達(dá)38%。就斷纜發(fā)生部位來看，拖船船尾經(jīng)驗(yàn)百分比達(dá)30%，彈性尼龍繩經(jīng)驗(yàn)百分比達(dá)28%，拖纜中部經(jīng)驗(yàn)百分比達(dá)7%[6]。為保證拖航作業(yè)順利開展，盡量降低拖航風(fēng)險(xiǎn)，船舶拖帶航行運(yùn)動性能研究受到廣泛關(guān)注。近年來，相關(guān)學(xué)者從拖航力計(jì)算方法、拖航系統(tǒng)水池試驗(yàn)技術(shù)、拖帶船舶水動力載荷與運(yùn)動特性和拖帶系統(tǒng)操縱運(yùn)動模擬方法等方面著手，開展了大量研究工作。本文按照經(jīng)驗(yàn)公式與圖譜研究法、水池試驗(yàn)研究法和數(shù)值計(jì)算模擬研究法等3種方法進(jìn)行分類，綜述船舶水面拖航系統(tǒng)運(yùn)動性能研究現(xiàn)狀，為后續(xù)拖航系統(tǒng)運(yùn)動性能研究提供參考。

1經(jīng)驗(yàn)公式與圖譜研究法

中國船級社于1997年頒布《海上拖航指南》（以下簡稱《指南》）[7]，并于2011年對其進(jìn)行補(bǔ)充完善[8]。《指南》中給出海上拖航阻力估算方法，按摩擦阻力、剩余阻力和空氣阻力對拖航阻力進(jìn)行分類，通過經(jīng)驗(yàn)公式對3種類型的阻力合成進(jìn)行拖航阻力估算。文獻(xiàn)[9]按照《指南》中的方法對打樁工程船進(jìn)行拖航阻力計(jì)算，并繪制拖航阻力曲線；文獻(xiàn)[10]根據(jù)《指南》中的方法計(jì)算工程船海上拖航阻力，對選擇合適拖力的拖船拖航進(jìn)行指導(dǎo)；文獻(xiàn)[11]對半潛駁船拖航沉箱施工中的拖航阻力進(jìn)行計(jì)算，有效選擇匹配的拖船進(jìn)行施工，降低沉箱拖航施工成本。《美國海軍拖航指南》[12]指出，拖帶纜繩極限張力由穩(wěn)態(tài)拖纜張力、偏航運(yùn)動引起的拖纜張力和在波浪中運(yùn)動引起的拖纜張力等3部分疊加而成。《美國海軍拖航指南》對多種拖帶航行工況進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，包括2種拖船類型（T-ATF166艦隊(duì)拖船和ARS50打撈救生船），5種被拖船類型（FFG1導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦、YRBM潛艇修理停泊及食宿駁船、DD963驅(qū)逐艦、AE26彈藥船和LHA1直升機(jī)登陸突擊艦），4種風(fēng)速（15kn、20kn、25kn和30kn），4種有義波高（1.22m、2.19m、2.77m和5.00m），3種拖帶航速（3kn、6kn和9kn），5種拖纜長度（300m、360m、450m、540m和630m），4種浪向角（0°、60°、120°和180°），計(jì)算在上述工況下拖纜的極限張力，并給出拖纜平均張力與極限張力的關(guān)系圖譜曲線。文獻(xiàn)[13]對比分析《指南》與《美國海軍拖航指南》中有關(guān)拖航阻力和動態(tài)纜繩張力計(jì)算的內(nèi)容，以3000噸級多功能漁船拖航計(jì)算為例，說明船舶海上拖航纜繩張力的計(jì)算方法。經(jīng)驗(yàn)公式與圖譜研究法可用來計(jì)算拖帶力，但存在一定的局限性：1)《指南》中僅給出拖航阻力的計(jì)算方法，并沒有計(jì)及波浪的影響；而經(jīng)驗(yàn)公式和圖譜都是在現(xiàn)有常規(guī)船型實(shí)際拖航數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)歸納得出的，對新興船型拖航的適用性有待考究。2)拖帶航行是較為復(fù)雜的海上活動，拖帶力與風(fēng)浪條件、拖航時(shí)間和裝具新舊等都有一定關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)公式與圖譜研究法很難準(zhǔn)確給出上述參數(shù)的變化對拖帶力的影響。

2水池試驗(yàn)研究法

國內(nèi)拖帶航行運(yùn)動性能水池試驗(yàn)研究方法多為按照一定的縮尺比以幾何相似（包括船體線型相似，拖纜的直徑、長度、安裝位置和龍須角相似等）和力學(xué)相似（包括拖纜軸向剛度相似等）為條件，在拖曳水池開展規(guī)則波和不規(guī)則波試驗(yàn)，研究環(huán)境條件參數(shù)和拖纜配系參數(shù)等對拖航穩(wěn)性、拖航系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)和拖纜張力的影響。黃祥兵等[14]在華中科技大學(xué)拖曳水池對某型船單纜拖帶運(yùn)動進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，探討拖帶方式、被拖船系纜點(diǎn)位置、系纜方式、纜繩質(zhì)地選擇、拖纜長度和拖帶速度等拖帶配系參數(shù)的改變對船舶動力學(xué)響應(yīng)和系纜力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：被拖船在水平面內(nèi)的振轉(zhuǎn)運(yùn)動（見圖1和圖2）具有強(qiáng)烈的非線性特征；拖帶速度越大，被拖船系纜點(diǎn)位置越遠(yuǎn)離船的重心，船舶越易出現(xiàn)振轉(zhuǎn)運(yùn)動；纜繩的彈性系數(shù)是單點(diǎn)拖帶系統(tǒng)抗沖擊力的關(guān)鍵因素之一。趙戰(zhàn)華等[21]在中國船舶科學(xué)研究中心深水拖曳水池中開展半潛式自航工程船拖航模型試驗(yàn)，在水池一端布置16單位搖板式造波機(jī)模擬長峰不規(guī)則波，用細(xì)鋼絲繩模擬拖纜，進(jìn)行有呆木和無呆木工況下的靜水橫搖衰減試驗(yàn)、靜水中的拖航試驗(yàn)和波浪中的拖航試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：半潛式工程船在波浪中航行時(shí)，呆木可明顯減小船的搖擺運(yùn)動，對穩(wěn)定其航向有明顯的作用；有無呆木對拖纜力的影響不大，在波浪中拖航時(shí)，波浪對改變拖纜力的大小起主要作用。由于試驗(yàn)設(shè)備和條件的限制，上述拖航試驗(yàn)?zāi)Ｐ投家詥我槐煌洗瑸檠芯繉ο螅瑢⑼侠|一端系固于拖曳水池中的拖車上來模擬拖航運(yùn)動，而實(shí)際上海上拖航作業(yè)是拖船、拖纜和被拖船組成的系統(tǒng)的無約束運(yùn)動，且三者之間的運(yùn)動是相互關(guān)聯(lián)的。戚心源等[22]借助自航航向穩(wěn)定裝置使拖船和駁船的6個(gè)自由度均處于無約束狀態(tài)，以2600馬力（約1912kW）拖船、“重任702”駁船和拖纜聯(lián)結(jié)后的狀態(tài)為研究對象，在中國船舶科學(xué)研究中心大型耐波性水池中完成不規(guī)則波工況下的拖航試驗(yàn)，有效模擬拖航系統(tǒng)的海上拖航，探討纜長、浪向和航速等對拖航系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)和拖纜力的影響。文獻(xiàn)[23]~文獻(xiàn)[27]用1:100縮尺比的船模模擬類似“開拓者”號受損時(shí)的船體拖航狀態(tài)。在船模兩舷設(shè)置模擬破損的開口，舷側(cè)開口處可通過口蓋保持水密狀態(tài)；在船尾下方設(shè)置箱狀居住室，在此基礎(chǔ)上模擬傾覆狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)在經(jīng)船模中心線單點(diǎn)連接的拖纜與連接彈簧之間加入拖纜張力儀，由拖車拖曳航行。試驗(yàn)中模擬橫傾、艏縱傾、艉縱傾、傾覆和破損狀態(tài)；拖纜張力通過環(huán)歸測試；搖蕩通過設(shè)置于船體橫向、船體上方和艉部的3臺PSD攝像機(jī)，對船體上的3個(gè)非接觸發(fā)光二極管傳感器信號進(jìn)行采集、分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，有海水進(jìn)入破損船體內(nèi)的拖航阻力基本上與速度呈三次方關(guān)系。ZAN等[28]在馬來西亞理工大學(xué)海洋科技中心的拖曳水池（長120m，寬4m，深2.5m）用日本廣島大學(xué)的駁船模型（長1.219m，寬0.213m）對3種不同拖纜布置方式進(jìn)行靜水中的拖航試驗(yàn)，拖帶航速為0.5m/s。試驗(yàn)中用跟蹤管理器（QTM）記錄被拖船模6個(gè)自由度方向上的運(yùn)動。試驗(yàn)結(jié)果表明：對于“直線型”拖纜，隨著纜繩長度的增加，被拖船的橫蕩運(yùn)動位移增加；對于“V型”拖纜，隨著V型部分夾角的減小，被拖船的橫蕩運(yùn)動位移減小；對于“虎口”型拖纜，被拖船的橫蕩位移幾乎為零，但從拖點(diǎn)開始有較大的偏航角，同時(shí)對應(yīng)的受力要大于另2種拖纜。

3數(shù)值計(jì)算模擬研究法

3.1國內(nèi)數(shù)值模擬研究

3.1.1基于三維勢流理論的拖航模擬

基于三維勢流理論、波浪的輻射/衍射理論，可應(yīng)用水動力分析軟件AQWA中的AQWA-LINE和AQWA-DRIFT模塊，對拖航系統(tǒng)進(jìn)行頻域和時(shí)域內(nèi)的數(shù)值模擬與計(jì)算。AQWA軟件不僅可解決風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的拖帶航行運(yùn)動問題，還可考慮船體之間的水動力干擾，對多船拖航進(jìn)行數(shù)值模擬分析。石麗娜[29]對拖航系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)、浪、流載荷作用下的時(shí)域運(yùn)動仿真，研究拖航速度、拖纜長度、吃水、縱傾和環(huán)境條件等參數(shù)對拖航系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)和拖纜力的影響，探討多船拖航方案和拖航參數(shù)的優(yōu)化配備問題。唐振新[30]對時(shí)域內(nèi)風(fēng)、浪、流綜合作用下自升式平臺-拖纜-拖船組成的系統(tǒng)在靜水和水流中的拖航進(jìn)行拖帶運(yùn)動分析，研究各主要因素（拖纜長度、拖航初始速度、平臺吃水情況及環(huán)境）對平臺拖航穩(wěn)性的影響。朱緯龍[31]預(yù)報(bào)自升式儲卸油平臺六自由度運(yùn)動響應(yīng)及其典型剖面的垂剪力和彎矩值，研究拖纜長度、拖航速度、艏傾、艉傾、淺水效應(yīng)、風(fēng)載荷、流載荷和風(fēng)浪流的聯(lián)合作用對拖航系統(tǒng)的影響。基于三維勢流理論對拖航系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬尚存在一定的局限性，拖航系統(tǒng)是由拖纜、拖船和自升式平臺組成的非線性系統(tǒng)，復(fù)雜的非線性和相互作用的邊界條件將是進(jìn)一步研究時(shí)需考慮的問題；同時(shí)，AQWA軟件只能模擬直拖，若考慮拖航系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)性能，還需編寫外部程序，通過接口與軟件相連接。

3.1.2基于被拖點(diǎn)位置匹配法的非線性拖航模擬

文獻(xiàn)[32]~文獻(xiàn)[34]基于船舶操縱性運(yùn)動方程和拖纜的三維動力學(xué)運(yùn)動方程，提出被拖點(diǎn)匹配方法，構(gòu)建拖船-拖纜-被拖船整體的非線性拖帶動力學(xué)方程。該方法采用PD控制方法模擬拖船航向改變的運(yùn)動過程；被拖船采用水平面四自由度運(yùn)動方程，并引入風(fēng)、浪的作用力和力矩；拖纜張力采用被拖點(diǎn)匹配技術(shù)確定。通過模擬由5000t拖船和3000t被拖船組成的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，結(jié)合拖點(diǎn)匹配技術(shù)的拖船-拖纜-被拖船整體的非線性拖帶動力學(xué)方程在時(shí)域內(nèi)能有效模擬拖帶運(yùn)動。此外，得到以下結(jié)論：1)波浪載荷、風(fēng)載荷是拖航的擾動因素，其作用導(dǎo)致拖帶航向的穩(wěn)定性降低。2)若拖帶航向穩(wěn)定，則橫向穩(wěn)性能得到保持；若拖帶航向不穩(wěn)定，則可能導(dǎo)致橫向不穩(wěn)定。3)具有航向穩(wěn)定性的船舶的拖帶穩(wěn)定性僅與拖點(diǎn)位置有關(guān)，拖點(diǎn)位于水力作用點(diǎn)之前即可使拖帶航向保持穩(wěn)定。4)增加拖纜長度或選擇彈性大的拖纜能有效抑制拖纜張力的高頻振蕩。5)改變拖帶航速對拖帶航向穩(wěn)定性無影響，但增大拖帶航速會加快拖帶航向的響應(yīng)，同時(shí)會增加航向角的超調(diào)量。上述研究對開展拖航作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義，但有待進(jìn)一步深入研究，主要體現(xiàn)在以下3方面：1)僅對具有航向穩(wěn)定性的船舶進(jìn)行波浪作用下的拖帶運(yùn)動數(shù)值計(jì)算，需進(jìn)一步對不具備航向穩(wěn)定性的情況進(jìn)行研究；2)研究中拖纜與被拖船通過被拖點(diǎn)位置匹配，計(jì)入拖纜與被拖船的相互作用，但未考慮拖船與拖纜之間的相互作用；3)數(shù)值計(jì)算中拖船采用水平面三自由度運(yùn)動方程，即考慮3個(gè)平動運(yùn)動自由度，被拖船采用水平面四自由度運(yùn)動方程，在3個(gè)平動運(yùn)動自由度的基礎(chǔ)上增加橫搖運(yùn)動方程，有待進(jìn)一步研究。

3.1.3基于MMG分離式操縱模型的拖航模擬

梁康樂等[35]采用船舶操縱運(yùn)動數(shù)學(xué)模型小組MMG（ShipManeuveringMathematicalModelGroup）的分離式操縱運(yùn)動模型和拖纜懸鏈線模型構(gòu)建拖船-拖纜-被拖船組成的拖航系統(tǒng)操縱運(yùn)動模型，數(shù)值模擬拖航系統(tǒng)直航、改變航向和受到小擾動時(shí)的運(yùn)動，并調(diào)整纜長、航速和拖點(diǎn)位置，觀察拖航系統(tǒng)的航跡、航向角和拖纜張力的變化。同時(shí)，對水動力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行淺水效應(yīng)修正，就淺水效應(yīng)對拖航操縱性的影響進(jìn)行初步分析和探討。研究結(jié)果表明：增加拖纜長度能有效改善拖航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并減小拖纜張力的振蕩幅度；被拖船拖帶點(diǎn)的位置越靠前，越能提高拖航系統(tǒng)抵抗外力擾動的能力，并使航向穩(wěn)定性變好；淺水效應(yīng)使拖航系統(tǒng)的航向穩(wěn)定性變好、航向改變能力變差，在狹水道改向時(shí)應(yīng)特別注意這一影響，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向點(diǎn)；改變自動舵的PD控制參數(shù)能有效減小拖船的航向角振蕩幅度，并能使系統(tǒng)由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。上述研究沒有考慮被拖船情況對拖航系統(tǒng)偏蕩的影響。洪碧光等[36]利用MMG分離型建模思想建立拖航系統(tǒng)運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，并通過仿真研究拖航速度、拖纜長度、水深、裝載情況及風(fēng)和流對被拖船偏蕩的影響，得出可通過改變被拖船裝載情況來抑制拖航過程中的偏蕩的結(jié)論。然而，該研究只考慮船舶在水平面內(nèi)的運(yùn)動，即考慮進(jìn)退、橫移和轉(zhuǎn)艏的3自由度方程，忽略了縱蕩、橫搖和垂蕩運(yùn)動及拖船與被拖船之間的水動力干擾對拖航結(jié)果的影響。

3.2國外數(shù)值模擬研究

近年來國外學(xué)者在水面拖帶航行系統(tǒng)運(yùn)動性能計(jì)算模擬研究方面主要致力于解決以下問題：1)耦合拖船-被拖船-拖纜的非線性問題數(shù)值計(jì)算方法；2)對拖航過程中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動特性、破損船舶的拖航穩(wěn)定特性等進(jìn)行仿真計(jì)算；3)將減小拖航系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)和提升拖航穩(wěn)性的方法（如使用有艉鰭的拖船、采用電流舵控制）的效果預(yù)報(bào)評估加入數(shù)值仿真計(jì)算內(nèi)容中。文獻(xiàn)[37]和文獻(xiàn)[38]將由模型試驗(yàn)測得的水動力加入操縱性方程中，假定拖纜為剛性纜，數(shù)值計(jì)算平載狀態(tài)和艏艉存在吃水差狀態(tài)的拖航系統(tǒng)的航向穩(wěn)定性，并研究舵控系統(tǒng)對拖航系統(tǒng)操控的影響。結(jié)果表明，用電流舵可使拖航系統(tǒng)在沒有大橫蕩和大艏搖的情況下保持航向穩(wěn)定性。FITRIADLY等[39-40]對定常風(fēng)條件下被拖船的非線性回轉(zhuǎn)特性進(jìn)行分析，采用操縱性方程描述拖船和被拖船的運(yùn)動，采用二維集中質(zhì)量法求解耦合動態(tài)張力的纜繩運(yùn)動，采用Newmark-beat法進(jìn)行數(shù)值方程求解。研究結(jié)果表明：在風(fēng)向?yàn)?20°工況下，無艉鰭被拖船的航向角有所減小；在順風(fēng)和迎風(fēng)工況下，有艉鰭被拖船（見圖5）會產(chǎn)生較大角度的艏搖，尤其是在高風(fēng)速下會增加被拖船的回轉(zhuǎn)運(yùn)動；在無風(fēng)工況下，增加拖點(diǎn)位置與被拖船長的比值可減小回轉(zhuǎn)運(yùn)動。FITRIADHY等[41]根據(jù)耦合拖船與被拖船運(yùn)動的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動理論提出松弛拖纜計(jì)算公式，對平穩(wěn)轉(zhuǎn)向拖航運(yùn)動進(jìn)行線性和非線性時(shí)域數(shù)值計(jì)算，同時(shí)在日本廣島大學(xué)的拖曳水池中進(jìn)行測試（見圖6）。研究結(jié)果表明：非線性時(shí)域計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果更接近；增加拖纜長度，艏搖運(yùn)動響應(yīng)增大，更易使拖纜在轉(zhuǎn)向過程中進(jìn)入纜繩松弛狀態(tài)，從而造成拖航失控。的運(yùn)動及拖點(diǎn)張力。

4結(jié)語

關(guān)于船舶水面拖航系統(tǒng)運(yùn)動性能研究，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已從經(jīng)驗(yàn)公式、統(tǒng)計(jì)圖譜、拖曳水池試驗(yàn)、耐波性水池試驗(yàn)、三維勢流理論和時(shí)域非線性方法等方面開展諸多工作，但仍需進(jìn)行深入研究，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)進(jìn)一步研究解決耦合拖船-被拖船-拖纜的拖航六自由度運(yùn)動的復(fù)雜非線性問題的方法，計(jì)入水動力的非線性部分，考慮風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用，準(zhǔn)確、全面、盡量真實(shí)地反映拖航系統(tǒng)的運(yùn)動響應(yīng)特性和操控規(guī)律；2)繼續(xù)深入研究多種保持直線拖航穩(wěn)定性、拖航回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的手段，并通過水池試驗(yàn)或數(shù)值模擬開展研究，預(yù)報(bào)評估保持拖航穩(wěn)定性的效果，最終得到有關(guān)船舶水面拖航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性結(jié)論；3)將研究對象拓展至受損船舶，進(jìn)一步深入研究受損船舶在不同損傷狀態(tài)下的拖航運(yùn)動特性，通過水池試驗(yàn)或數(shù)值模擬方法研究受損船舶在拖航部署實(shí)施中最有可能出現(xiàn)的工況。

作者：劉艷敏1,2；邢福1,2；周佳1,2 單位：1.中國船舶科學(xué)研究中心，2.深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室