厚板结构对波浪作用下带月池船体垂荡运动的影响分析

曾智宏; 邓潇潇; 孙雷

doi:10.19693/j.issn.1673-3185.01993

厚板结构对波浪作用下带月池船体垂荡运动的影响分析

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01993

曾智宏^1,,
邓潇潇^1,,
孙雷^{1, 2, ,}

1.
大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024
2.
高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51679035）；辽宁省兴辽英才计划资助项目（XLYC1908027）；中央高校基本科研业务费资助项目（DUT20TD108）；大连理工大学大学生创新创业训练计划资助项目（2019101410401011423）

详细信息

作者简介:
曾智宏，男，1998年生，本科生。研究方向：船舶水动力学。E-mail：qq1774481948@mail.dlut.edu.cn

邓潇潇，男，1994年生，硕士。研究方向：带月池平台水动力分析。E-mail：3051478711@qq.com

孙雷，男，1982年生，博士，副教授。研究方向：船舶与海洋工程水动力载荷。E-mail：sunlei@dlut.edu.cn

通信作者:
孙雷

中图分类号: U661.1
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-09
- 修回日期: 2020-09-07
- 网络出版日期: 2020-12-10

effect analysis of thick plate structure on heave motion of ship with moonpool in waves

Zhihong ZENG^1
,,
Xiaoxiao DENG^1
,,
Lei SUN^{1, 2
, ,}

1.
School of Naval Architecture Engineering , Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
2.
Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China

摘要

摘要: 目的含月池的船舶在波浪作用下月池会对船舶运动产生不利影响，引起船体大幅运动，尤其是垂荡方向，导致相关功能设备受到损坏。为此，尝试通过在月池中布置厚板来解决此问题。方法基于势流理论和含月池钻井船频域数值模型，计算和分析不同长宽比和吃水的月池以及对称设置的不同高度厚板对船体垂荡运动的影响规律。选择某浮式生产储卸油装置（FPSO），利用AQWA软件对波浪作用下FPSO船体垂荡运动展开频域数值计算，并与文献所使用的方法及实验结果进行对比，验证所提数值模型及方法的可靠性和有效性。结果若设置的厚板上表面正好与静水面齐平，此时可有效抑制船体因月池内流体共振而产生的剧烈垂荡运动。结论研究结果可为含月池船体抑制垂荡运动提供参考。
- 月池 /
- 共振 /
- 垂荡 /
- 厚板结构 /
- 势流理论
Abstract: Objective The moonpool of drillship in waves will have an adverse impact on the motion of hull itself, leading to a large amplitude of motions, especially in terms of heave motion, which can cause damages to the relevant functional equipments onboard. This paper attempts to address the issue by arranging symmetrical thick pates in the moonpool. Methods On the basis of the potential flow theory and the constructed frequency-domain mathematical model, the impacts of length-width ratio and draft of moonpool and layout height of thick plate on the heave motion of hull were numerically calculated and analyzed. A floating production storage and offloading (FPSO) ship with moonpool was then selected to carry out frequency-domain numerical calculation of heave motion of hull in waves by the use of AQWA software. Comparison of the calculated results with the published experimental results in the open literature was done to verify the feasibility and reliability of the proposed method in this paper. Results The results show that, if the upper surface of the thick plates is actually at the level of the still water surface, the heave motion of ship hull excited by flow resonance in the moonpool will effectively suppressed. Conclusion The results of this research can provide valuable references for suppressing the heave motion of ships with moonpools.
- moonpool /
- resonance /
- heave /
- thick plate /
- potential flow theory

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图 1 船舶数学模型示意图

Figure 1. Diagram of mathematical ship model

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图 2 不同长宽比月池示意图

Figure 2. Diagram of the moonpool with different length-width ratios

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图 3 厚板示意图和月池横剖面图

Figure 3. Diagrams of thick plate and cross section of moonpool

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图 4 横浪及迎浪下钻井船运动响应(工况2)

Figure 4. RAO of the drillship in beam sea and head sea (case 2)

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图 5 横浪及迎浪下钻井船运动响应(工况5)

Figure 5. RAO of the drillship in beam sea and head sea (case 5)

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图 6 标模1 FPSO船体平面视图^[9]（单位：m）

Figure 6. Plane views of the No.1 FPSO ship model ^[9] (Unit in meter)

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图 7 标模1 FPSO船体网格剖分

Figure 7. Mesh generation of the No.1 FPSO ship hull

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图 8 90°浪向下FPSO船运动响应

Figure 8. RAO of the FPSO ship when α₀=90°

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图 9 120°浪向下FPSO船运动响应

Figure 9. RAO of the FPSO ship when α₀=120°

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图 10 180°浪向下FPSO船运动响应

Figure 10. RAO of the FPSO ship when α₀=180°

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图 11 标模2平面视图(单位：m)

Figure 11. The plane view of No.2 FPSO ship model (Unit in meter)

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图 12 标模2 FPSO船体网格剖分

Figure 12. Mesh generation of the No.2 FPSO ship hull model

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图 13 迎浪下FPSO船垂荡运动响应（MP1）

Figure 13. Heaving RAO of the FPSO ship in head sea ( case MP1)

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图 14 横浪下FPSO船垂荡运动响应 (MP1工况)

Figure 14. Heaving RAO of the FPSO ship in beam sea (case MP1)

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图 15 迎浪下FPSO船垂荡运动响应(MP2工况)

Figure 15. Heaving RAO of the FPSO ship in head sea (case MP2)

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图 16 横浪下FPSO船垂荡运动响应(MP2工况)

Figure 16. Heaving RAO of the FPSO ship in beam sea(case MP2)

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图 17 迎浪下FPSO船垂荡运动响应(MP3工况)

Figure 17. Heaving RAO of the FPSO ship in head sea(case MP3)

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图 18 横浪下FPSO船垂荡运动响应(MP3工况)

Figure 18. Heaving RAO of the FPSO ship in beam sea(case MP3)

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图 19 月池固有频率对比

Figure 19. Comparison on the nature frequency of moonpool

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图 20 横浪及不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应（工况1）

Figure 20. Heaving RAO of the drillship in beam sea with different heights of thick plate（case 1）

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图 21 横浪及不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况2）

Figure 21. Heaving RAO of the drillship in beam sea with different heights of thick plate(case 2)

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图 22 横浪及不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况3)

Figure 22. Heaving RAO of the drillship in beam sea with different heights of thick plate(case 3)

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图 23 横浪及不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况4)

Figure 23. Heaving RAO of the drillship in beam sea with different heights of thick plate (case 4)

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图 24 横浪及不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况5)

Figure 24. Heaving RAO of the drillship in beam sea with different heights of thick plate (case 5)

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图 25 0°浪向不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况2)

Figure 25. Heaving RAO of the drillship with different heights of thick plate when α₀= 0° (case 2)

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图 26 45°浪向不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应（工况2）

Figure 26. Heaving RAO of the drillship with different heights of thick plate when α₀= 45° (case 2)

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图 27 135°浪向不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况2)

Figure 27. Heaving RAO of the drillship with different heights of thick plate when α₀=135° (case 2)

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图 28 180°浪向不同厚板高度下钻井船垂荡运动响应(工况2)

Figure 28. Heaving RAO of the drillship with different heights of thick plate when α₀=180° (case 2)

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图 29 横浪下厚板上表面高于静水面时钻井船垂荡运动响应(工况2)

Figure 29. Heaving RAO of the drillship with thick plate above the waterline in beam sea（case 2）

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表 1 含月池钻井船的主要参数

Table 1. Main parameters of the drillship with moonpool

参数	工况1	工况2	工况3	工况4	工况5
总长/m	112	112	112	112	112
型宽/m	28.1	28.1	28.1	28.1	28.1
型深/m	98	98	98	98	98
吃水/m	6	7.5	9	7.5	7.5
月池长/m	22.6	22.6	22.6	16	27.7
月池宽/m	11.3	11.3	11.3	16	9.2
排水量/t	14 474	18 379	22 248.4	18 379	18 379
重心垂向位置/m （相对船基线）	9.2	8.2	7.2	8.2	8.2
厚板厚度/m	1	1	1	1	1
厚板宽度/m	1.65	1.65	1.65	2.00	1.00
横摇惯性半径/m	7.9	7.9	8.037	7.9	7.9
纵摇惯性半径/m	27.864	27.954	28.149	27.954	27.954
艏摇惯性半径/m	28.899	28.905	29.272	28.905	28.905

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表 2 压载状态下标模1 FPSO船主要参数

Table 2. Main parameters of the No.1 FPSO ship in ballast condition

参数	数值
垂线间长/m	285
船宽/m	63
吃水/m	13
排水量/t	225 518
重心垂向位置/m	16.5
重心纵向位置/m	142.5
横摇惯性半径/m	19.45
纵摇惯性半径/m	71.25
艏摇惯性半径/m	71.25

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表 3 标模2 FPSO船主尺度参数

Table 3. Main parameters of the No.2 FPSO ship model

参数	船模尺寸	实船尺寸
船长/m	4.0	138
船宽/m	0.8	27.6
吃水/m	0.2	6.9
MP1尺度 (VMP/VS = 1.5%)
月池长度/m	0.2	6.9
月池宽度/m	0.2	6.9
月池中心/m	(0.65, 0, 0)	(22.4, 0, 0)
船舶质量/t	0.567	21 627.8
船舶重心/m	(−0.11, 0, 0.055)	(−3.8, 0, 1.9)
惯性半径/m	(0.28, 1.02, 0.76)	(9.7, 35.2, 26.2)
MP2尺度 (VMP/VS = 6.4%)
月池长度/m	0.4	13.8
月池宽度/m	0.4	13.8
月池中心/m	(0.65, 0, 0)	(22.4, 0, 0)
船舶质量/t	0.502 69	20 642.3
船舶重心/m	(−0.15, 0, 0.057)	(−5.2, 0, 2.0)
惯性半径/m	(0.29, 1.024, 0.75)	(10.0, 35.2, 25.9)
MP3尺度 (VMP/VS = 42.7%)
月池长度/m	2.0	69
月池宽度/m	0.4	13.8
月池中心/m	(−0.15, 0, 0)	(−5.2, 0, 0)
船舶质量/t	0.374 69	15 386.1
船舶重心/m	(−0.08, 0, 0.083)	(−2.76, 0, 2.9)
惯性半径/m	(0.30, 1.11, 1.13)	(10.4, 38.3, 39.0)

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表 4 月池固有频率

Table 4. Natural frequency of moonpool

工况	数值模拟的固有频率/Hz	经验公式计算的固有频率/Hz
1	0.157	0.160
2	0.147	0.149
3	0.138	0.140
4	0.145	0.148
5	0.148	0.150

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表 5 横浪下钻井船垂荡运动响应(工况1)

Table 5. Heaving RAO of the drillship in beam sea (case 1)

h₁/m	月池升沉固有频率/Hz	船体垂荡幅值/(m·m⁻¹)
无厚板	0.157	1.201
1.0	0.147	1.406
2.0	0.148	1.363
3.0	0.148	1.335
4.0	0.149	1.309
5.0	0.148	1.302
5.2	0.147	1.334
5.4	0.146	1.339
5.6	0.146	1.347
5.7	0.145	1.375
5.8	0.140	1.502
5.9	0.128	1.626
6.0	0.180	0.865

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表 6 横浪下钻井船船体垂荡运动响应(工况2)

Table 6. Heaving RAO of drillship in beam sea (case 2)

h₁/m	月池升沉固有频率/Hz	船体垂荡幅值/(m·m⁻¹)
无厚板	0.147	1.396
1.0	0.138	1.727
2.0	0.139	1.670
3.0	0.139	1.627
4.0	0.140	1.582
5.0	0.140	1.569
6.0	0.140	1.539
6.5	0.140	1.539
6.7	0.139	1.557
6.9	0.138	1.592
7.1	0.138	1.591
7.2	0.137	1.625
7.3	0.133	1.790
7.4	0.124	1.895
7.5	0.202	0.405

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表 7 横浪下钻进船垂荡运动响应(工况3）

Table 7. Heaving RAO of the drillship in beam sea (case 3)

h₁/m	月池升沉固有频率/Hz	船体垂荡幅值/(m·m⁻¹)
无厚板	0.138	1.701
2.0	0.132	2.011
4.0	0.132	1.898
6.0	0.133	1.860
8.0	0.133	1.798
8.2	0.132	1.833
8.4	0.131	1.851
8.6	0.132	1.806
8.7	0.131	1.852
8.8	0.128	2.105
8.9	0.120	2.268
9.0	0.160	0.981

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表 8 横浪下钻井船垂荡运动响应(工况4)

Table 8. Heaving RAO of the drillship in beam sea (case 4)

h₁/m	月池升沉固有频率/Hz	船体垂荡幅值/(m·m^-1)
无厚板	0.145	1.301
1.5	0.138	1.614
3.0	0.139	1.912
4.5	0.139	1.476
6.0	0.139	1.429
7.5	0.180	0.613

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表 9 横浪下钻井船船体垂荡运动响应(工况5)

Table 9. Heaving RAO of the drillship in beam sea (case 5)

h₁/m	月池升沉固有频率/Hz	船体垂荡幅值/(m·m^-1)
无厚板	0.148	1.452
1.5	0.144	1.583
3.0	0.144	1.547
4.5	0.145	1.505
6.0	0.145	1.469
7.5	0.201	0.543

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表 10 横浪下厚板上表面高于静水面时钻井船垂荡运动响应(工况2)

Table 10. Heaving RAO of the drillship with thick plate above the waterline in beam sea (case 2)

h₁/m	月池升沉固有频率/Hz	船体垂荡幅值/(m·m^-1)
无厚板	0.147	1.396
7.5	0.202	0.405
7.6	0.169	0.970
7.8	0.168	0.934
8.0	0.169	0.969

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