2024, Vol. 46
海上航行横向干货补给是海上物资、装备补给和人员换乘的重要手段之一[1 − 3]，其将干货物资悬挂在传送小车下，沿着架设的索道从补给船传递到接收船，实施干货补给。干货能否顺利发送至接收船，完全取决于高架索承载能力及其索道姿态，若高架索索道姿态未考虑充分，就难以发挥最大补给能力甚至无法补给。本文旨在运用ADAMS动态仿真干货补给姿态以及传统静力学方法，得到相应的计算结果，找到适合在不同设计阶段使用的方法，进而对航行干货补给系统设计工作进行优化。
1 海上航行横向干货补给接收系统建模 1.1 船舶运动和波浪运动船舶在海上有6个自由度的运动姿态，称为升沉、纵摇、横摇、横荡、纵荡和首摇。其中，在海上横向补给作业时，对索道姿态影响最大的是横摇和升沉。本文补给船和接收船的耐波性数据均取三一有义值，不考虑耐波性数据最大值。
补给船和接收船的所有耐波性数据输入包括：
海况：3级下、3级中、3级上、4级中、4级上、5级中、5级上；浪向：0°～180°（每隔5°）；航速：10 kn、12 kn、14 kn、16 kn；站距：50 m、55 m、60 m、65 m、70 m；接收站位置：露天甲板。
两船并行航行相互靠的比较近，两船的耐波性数据不仅受到海况和风情的影响，而且也受到两船兴波的影响。因此，在考虑货物上船时，货物距甲板边缘取0.3 m为宜[4]，以留有一定的安全裕度。
1.2 系统组成干货补给接收系统主要由发送立柱、高架索系统、内外牵索系统、传送小车及挂载货物、接收立柱组成。
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图 1 干货补给示意图 Fig. 1 Schematic diagram of dry cargo supply |
在计算分析中，既要保证计算的准确性，又要考虑可行性，因此需在保证主要指标精确的前提下，对复杂的索道系统进行适当简化。对高架索道系统进行如下简化：
1）不考虑牵引索的承载能力；
2）承载索补偿装置的简化，将补偿装置所提供的恒定张力效果简化为边界条件施加；
3）挂载小车和货物的简化，在简化计算中，不涉及小车运行控制货物姿态的变化，可采用简化模型；
4）索道系统的动态分析不考虑船的纵摇影响；
5）不考虑钢索在风的作用下摆动；
6）高架索上各点具有相同的物理性质。
1.3 高架索索道动力学仿真与分析 1.3.1 输入条件与仿真工况结合工程实际，建立了高架索道力学模型和高架索道动力学模型[5 − 7]，如图2所示。
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图 2 高架索力学模型 Fig. 2 Mechanical model of overhead cable |
图中：h1为接收点距甲板距离；h2为接收甲板距水线距离；h3为摇心距水线距离；l1为接收点距船舯距离；l2为接收点距船边距离；H1为发送点距甲板距离；H2为发送甲板距水线距离；H3为摇心距水线距离；L1为发送点距船中距离；L2为发送点距船边距离；D为发送点距接收点距离；S1为货物到达船舷时高架索距甲板距离。
货物在牵引索的拉动下沿索道前进，货物所在点即为钢索挠度的最大点，实际上，由于波浪、海流的作用，船会在升沉、横摇的作用下不停运动，这必然会对货物的垂向位置产生较大影响，现取其危险工况进行研究。
对于S1的危险工况，如图3所示。
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图 3 货物上船恶劣工况（S1极限） Fig. 3 Severe conditions for cargo boarding (S1 limit) |
1）补给船达到内倾最大值（此时发送点下降）；
2）接收船达到外倾最大值（此时接收点上升）；
3）补给船处于波谷，接收船处于波峰。
1.3.2 柔性索动力学模型在ADAMS中，有2种索道模型：简化法和离散法，本文货物质量大于柔索质量，出于计算精度与效率考虑采用简化法建模
1.3.3 多体动力学模型搭建如图4所示，设置船舶刚体模型，左边为接收船，右边为补给船。
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图 4 刚体模型 Fig. 4 Rigid body model |
滑轮为刚体模型；小车与滑轮之间通过固定副连接，集装箱与小车之间用弹簧连接。
索道滑轮模型在ADAMS中为一单独模块首先设置索道固定点Anchor，将其与船进行连接，如图5（a）所示；再设置滑轮参数，如5-（b）所示；接下来是滑轮具体位置、材料、连接方式设置，如图5（c）所示，在本模型中，用了4个滑轮、1个动滑轮、3个定滑轮、均为钢材，定滑轮与补给船连接起到导向作用；最后设置柔索，如图5（d）所示，设置柔索的直径、所接触的滑轮、材料参数，完成所有设置。
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图 5 索道模型 Fig. 5 Parameter setting of ropeway model |
小车与货物之间连接，简化为弹簧连接，需设置其刚度与阻尼系数，以及作用物体，如图6所示。
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图 6 弹簧模型 Fig. 6 Spring model |
设置船舶运动模型，通过motion设置来指定6个自由度方向上的运动，将输入的有义值与频率建立周期运动模型，如图7所示。
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图 7 船舶运动模型参数 Fig. 7 Parameters of ship motion model |
本研究关注值为干货在上船时S1的最小值，提出2种动力学模型：1）运动模型1，在小车及货物沿补给船向接收船传送整个行程中，提取S1的极值；2）运动模型2，将小车及货物固定在货物上船位置，进行较长时间的动力学仿真，提取这一段时间的S1最小值。
将2种动力学模型取相同工况（站距50 m，五级上海况、航速10 kn、浪向角90°）进行计算，输出S1曲线进行对比分析，如图8和图9所示。
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图 8 S1曲线（运动模型1） Fig. 8 S1 curve (motion model I) |
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图 9 S1曲线（运动模型2） Fig. 9 S1 curve (motion model II) |
2种模型的S1最小值，如表1所示。根据计算结果，S1值运动模型2相比运动模型1更小，说明研究S1时，运用运动模型2较合理。
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表 1 2种模型的S1最小值 Tab.1 S1 minimum value of two models |
在初始升沉方向相同情况下，采用运动模型2，分析2艘船初始横摇方向不同时，对S1最小值的影响，分为4种工况，如表2所示。
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表 2 4种工况说明 Tab.2 Description of four working conditions |
取典型工况（站距50 m，五级上、航速16 kn、浪向角90°）进行计算，输出S1曲线进行对比分析，如图10～图13所示。
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图 10 S1曲线（工况1） Fig. 10 S1 curve (Condition I) |
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图 11 S1曲线（工况2） Fig. 11 S1 curve (Condition II) |
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图 12 S1曲线（工况3） Fig. 12 S1 curve (condition III) |
4种工况下S1的值如表3所示。表中，不同初始横摇方向结果不同，工况3为其最危险工况，故对其进一步研究。
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表 3 S1最小值（横摇） Tab.3 S1 minimum (roll) |
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图 13 S1曲线（工况4） Fig. 13 S1 curve (condition IV) |
选取2.2.1节中的工况进行升沉运动的初始方向分析，工况如表4所示。
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表 4 工况说明（升沉） Tab.4 Working condition description (heave) |
取典型工况（站距50 m，五级上、航速16 kn、浪向角90°）进行计算，输出S1曲线进行对比分析，如图4 ~ 图17所示。
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图 14 S1曲线（工况1） Fig. 14 S1 curve (Condition I) |
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图 15 S1曲线（工况2） Fig. 15 S1 curve (Condition II) |
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图 16 S1曲线（工况3） Fig. 16 S1 curve (Condition III) |
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图 17 S1曲线（工况4） Fig. 17 S1 curve (Condition IV) |
4种工况下S1的值如表5所示。表中，不同的初始深沉方向结果不同，工况1为其最危险工况，故对其进一步研究。
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表 5 S1最小值（升沉） Tab.5 S1 minimum (heave) |
综上，初始运动方向为：接收船逆时针转、升，补给船顺时针转、升。
3 计算结果及分析干货接收系统匹配的依据是干货能到达接收船的接收平台，即货物在传送过程中避免与接收船甲板相撞。
货物距甲板高度示意图如图18所示。其中：S1为货物达到甲板时挂接点距离甲板距离，根据仿真计算得出；H1为挂接点距货物底部距离，本文中以传送小车挂载2个标准1t集装箱作为输入载荷，H1取2.7 m；H2为货物底部距甲板安全距离，根据1.1节可知H2取0.3 m。货物顺利上船，应满足S1≥H1+H2=3.0 m。
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图 18 货物距甲板高度示意图 Fig. 18 Schematic diagram of cargo height from deck |
本文按照接收船干货接收装置布置方案和补给船船型进行动力学仿真计算，主要计算结果采用雷达图，如图19所示。
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图 19 计算结果示意图 Fig. 19 Schematic diagram of calculation result |
由表6可得，在补给作业航速10~18 kn、5级海况以下，干货可在全浪向下顺利发送至接收船。
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表 6 干货发送至接收船的结果（航速：10 ~ 18 kn，海况：3级下~5级上） Tab.6 Results of dry cargo sent to receiving ship (speed: 10~18 kn, sea condition: lower level 3~upper level 5) |
对高架索系统做如下基本假设：
1）高架索为绝对柔性构件，只承受沿索轴向张力，不承受剪力和弯矩；
2）忽略高架索张力引起的轴向变形量；
3）高架索质量均匀分布，索上各点具有相同的物理性质。
高架索空间位置、受力状况及变形如图20所示。
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图 20 横向补给系统高架索受力图 Fig. 20 Stress diagram of overhead cable of transverse replenishment system |
图中：h为高架索发送端与接收端高度差；L为站距；XQ为集中荷载作用点距发送端的水平距离；fQ为载荷点高架索的静挠度；q为高架索自重产生的均布荷载；Q为集中质量引起的静荷载；TA和TB为高架索发送端和接收端张力；HA和HB为高索发送端和接收端水平张力；VA和VB为高架索发送端和接收端垂直张力。
通过静力学分析得到悬挂点的运行轨迹为：
| $ y = h - \frac{{Q(L - {X_Q})}}{{{H_0}L}}{X_Q} - \frac{{q(L - {X_Q})}}{{2{H_0}L}}{X_Q}({S_1} + {S_2}) - \frac{h}{L}{X_Q} 。$ |
通过设置挂点横坐标，可求得干货上船位置及与上层甲板的挠度，即可推算S1值，如表7所示。
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表 7 静力学算法与ADAMS算法比较 Tab.7 Comparison between static algorithm and ADAMS algorithm |
通过分析比较，运用静力学算法求得的S1值比运用ADAMS动态仿真求得的偏大。
5 结 语运用ADAMS动态仿真航行干货补给过程，由于工况较多，且ADAMS运算过程相对于传统静力学算法时间较久，而传统静力学方法整体数值变化趋势与动态结果近似且安全余量较大，故在具体工程项目中可在论证阶段以及方案设计阶段采用传统静力学方法，在后续需详细设计时，采用ADAMS建模的方法以优化设计方案。
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