尾筒封閉的柱式燈浮標(biāo)穩(wěn)定性仿真與試驗分析

張永輝 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處

由于鋼質(zhì)柱式燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)對稱制造方便，成本低，在我國的諸港口航道上已作為常規(guī)助航設(shè)施使用。本文分別應(yīng)用仿真方法和試驗方法對尾筒底部封閉的柱式燈浮標(biāo)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析，從而為尾筒底部封閉的柱式燈浮標(biāo)穩(wěn)定性分析提供一個有效、可靠的方法。

1.仿真分析

本研究采用SESAM軟件中的GeniE板塊、HydroD板塊、DeepC板塊、Xtract 板塊等獨立板塊。將GeniE 板塊建好的模型導(dǎo)入到HydroD板塊中，設(shè)定海洋環(huán)境，如波浪高度，波浪周期，風(fēng)速，波浪入射角度等，然后分別使用Wadam和Wasim Wizard進(jìn)行穩(wěn)定性分析和頻域分析。使用Postresp板塊對分析結(jié)果進(jìn)行后處理，使仿真分析的結(jié)果以圖表的形式顯示出來。

1.1 浮標(biāo)有限元模型的建立

考慮到浮標(biāo)尾筒和浮體結(jié)構(gòu)相對簡單對稱，故在建立浮標(biāo)有限元模型的時候?qū)艏芾玫刃У乃枷雽艏苓M(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，考慮到計算精度以及計算速度的問題，選取0.1m的網(wǎng)格對浮標(biāo)進(jìn)行離散化，并添加浮標(biāo)的材料屬性以及設(shè)置浮標(biāo)的勢表面等參數(shù)，求解生成得到浮標(biāo)的有限元模型。

1.2 浮標(biāo)動力學(xué)模型的建立

在線性理論中，流體運(yùn)動的速度勢是入射波速度勢、繞射速度勢以及輻射速度勢之和的線性疊加，物體在波浪的作用下的浮標(biāo)的運(yùn)動問題是一個綜合的問題。為了更好的描述浮標(biāo)在波浪下的運(yùn)動，本文將浮標(biāo)簡化成具有六個自由度的剛體運(yùn)動如圖1所示，繼而浮標(biāo)的運(yùn)動將用浮標(biāo)質(zhì)心的運(yùn)動代替，從而描述質(zhì)心處六個自由度的位移列陣假設(shè)為U=[u1u2u3u4u5u6]T，其中u1、u2和u3分別表示為浮標(biāo)的縱蕩、橫蕩和垂蕩；其中u4、u5和u6分別表示為浮標(biāo)的橫搖、縱搖和垂搖的角度，此處將只考慮浮標(biāo)的橫搖運(yùn)動。利用剛體動力學(xué)的一般理論，在浮標(biāo)微幅運(yùn)動的限制，考慮波浪的擾動力，因物體搖蕩偏離平衡位置而產(chǎn)生的恢復(fù)力矩，流體的阻尼力以及系泊系統(tǒng)而產(chǎn)生的外力等作用下的浮標(biāo)的運(yùn)動情況，繼而根據(jù)Lagrange方程建立浮標(biāo)在外激勵下的動力學(xué)方程為

式中：I為浮標(biāo)橫搖的慣性矩；θ與為浮標(biāo)的橫搖角位移以及橫搖的角速度；為等效波浪的擾動力力矩，可根據(jù)Morison公式確定；為因物體搖蕩偏離平衡位置而產(chǎn)生的等效恢復(fù)力矩，可根據(jù)文獻(xiàn)確定；為系泊系統(tǒng)而產(chǎn)生的等效外力力矩，可根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及文獻(xiàn)張力計算公式可知；為等效風(fēng)載的廣義力力矩，可根據(jù)文獻(xiàn)確定。

圖1 尾筒封閉的浮標(biāo)力學(xué)模型

1.3 浮標(biāo)穩(wěn)定性數(shù)值仿真計算

浮標(biāo)在外力干擾下發(fā)生側(cè)傾，當(dāng)側(cè)傾角過大，恢復(fù)力矩不足以維持浮標(biāo)的穩(wěn)定性時，浮標(biāo)會失去正常的工作狀態(tài)，甚至?xí)耆珒A覆。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，此時就不能忽略側(cè)傾角對恢復(fù)力矩大小的影響，所以，研究浮標(biāo)的橫搖運(yùn)動響應(yīng)，得出其側(cè)傾角值，對于準(zhǔn)確、可靠地判斷浮標(biāo)穩(wěn)定性是非常重要的。根據(jù)前面建立的浮標(biāo)動力學(xué)方程及力學(xué)模型，利用SESAM/HydroD板塊對浮標(biāo)進(jìn)行頻域下穩(wěn)定性分析。得到尾筒封閉的柱式燈浮標(biāo)在6級風(fēng)環(huán)境下仿真得到的有關(guān)浮標(biāo)穩(wěn)定性的相關(guān)曲線圖，如圖2為浮標(biāo)的恢復(fù)力矩和傾覆力矩曲線圖，圖3為浮標(biāo)的頻域穩(wěn)定性分析結(jié)果圖。

圖2 浮標(biāo)恢復(fù)力矩（實線）和傾覆力矩（虛線）曲線圖

圖3 浮標(biāo)RAO曲線圖

根據(jù)以上方法，同樣可以得到尾筒封閉的柱式燈浮標(biāo)在不同風(fēng)力環(huán)境下的最大橫搖角，如在二、三、四、五和六級風(fēng)下最大搖擺角分別是0.7°、1.7°、3.2°、5.8°和9.3°。

2.試驗分析

2.1 測試對象及測試系統(tǒng)

這里以廣州航標(biāo)處高欄港16號燈浮標(biāo)所在海域的編號為GZ-C-064-15的尾筒封閉的柱式燈浮標(biāo)為測試對象。試驗儀器包括：動態(tài)傾角傳感器（VG200垂直陀螺儀）、無線發(fā)射和無線接收裝置一套、蓄電池（12V）、相關(guān)軟件一套、膠帶、232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接頭以及筆記本電腦等。

2.2 測試步驟

（1）在指定工作海域選擇試驗浮標(biāo)并將動態(tài)傾角傳感器安裝固定在試驗浮標(biāo)軸線位置，并保持傳感器安裝面與水平面平行；（2）將傳感器分別與蓄電池、無線發(fā)射裝置相互依次連接，且做好傳感器以及蓄電池的防水措施；（3）將電腦與無線信號接收裝置連接，同時將無線接收裝置和蓄電池連接確保正常供電；（4）打開電腦，運(yùn)行傳感器配套傾角測量軟件，進(jìn)行初始化設(shè)置，確保信號連接穩(wěn)定，若無線發(fā)射和無線接收裝置的信號燈呈現(xiàn)紫色閃爍，說明信號正常；（5）數(shù)據(jù)記錄間隔根據(jù)實際情況設(shè)定為8，根據(jù)軟件換算得出記錄每組數(shù)據(jù)所需時間為200+200×8=1800ms；（6）點擊軟件“開始”按鍵，傾角測量軟件開始工作并記錄浮標(biāo)的搖擺傾角。

2.3 結(jié)果分析

測試時浮標(biāo)所處位置的實時最大風(fēng)速約為四級風(fēng)的測試工況。根據(jù)現(xiàn)場所測得的數(shù)據(jù)，利用MATLAB得到該浮標(biāo)的搖擺角試驗時域曲線，包括浮標(biāo)電池箱上的傾角傳感器繞自身坐標(biāo)系X和Y軸旋轉(zhuǎn)的搖擺角試驗數(shù)據(jù)時域曲線。

通過仿真計算得到柱式燈浮標(biāo)在四級風(fēng)速環(huán)境下的最大橫搖角為3.2°，通過試驗所測得的有關(guān)GZ-C-064-15燈浮標(biāo)搖擺角的數(shù)據(jù)中，有98.3%的數(shù)據(jù)都是小于3.2°的，這說明試驗所得到的結(jié)果與仿真分析結(jié)果是基本吻合的，從而驗證了仿真分析結(jié)果的可靠性和有效性。

3.結(jié)束語

本文首先應(yīng)用SESAM有限元軟件對尾筒底部封閉的柱式燈浮標(biāo)的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，然后以廣州航標(biāo)處高欄港區(qū)海域所管轄的編號為GZ-C-064-15的尾筒封閉的柱式燈浮標(biāo)為測試對象，對其穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗分析，再通過對仿真分析結(jié)果與試驗分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了仿真分析結(jié)果的正確性。研究表明：基于SESAM有限元軟件對柱式燈浮標(biāo)的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析是可靠的，從而為柱式燈浮標(biāo)的穩(wěn)定性分析提供了一個有效的方法。這為分析、優(yōu)化柱式燈浮標(biāo)結(jié)構(gòu)提供了一個有效的研究方法。