0 引　言

随着全球能源需求的增长和对可再生能源的追求，近海风能成为全球能源发展的焦点。近年来，我国不断出台相关政策，全面推进海上风电开发。《“十四五”现代能源体系规划》中指出，重点建设山东、江苏、浙江、福建、广东等海上风电基地，陆续推进海上风电深远海布局。

风机安装船专用于建设海上风电场，能满足运输、海上作业、起重和生活供给等多项功能^[1]。目前我国海上风机安装船（WTIV）已进入第四代^[2]，主要特点是：满足50 m以上水深作业，兼具运输、起重、动力定位、自升、自航等功能，具有优良的机动性和运输能力，具备安装15 MW左右风机的能力，满足深远海一体化海上风电施工作业要求。一些研究人员重点研究了自升式船舶的海上作业，并对其作业极限进行研究。例如，Smith等^[3]研究了自升式船在标准支腿下降过程中的允许冲击速度。Zhao等^[4]研究自升式起重船进行海上单叶片安装的情况，总结了安装的典型作业环境条件，即平均风速小于20 m/s，有义波高H_s为1.5～2.0 m。自升式平台桩腿通常由细长杆件组成，结构复杂，工程中最常用的计算水动力的方法是莫里森方程^[5]。一些研究者结合特定对象提出了确定水动力系数的方法。Jagadeesh等^[6]介绍了一种基于拖曳水池水下航行器AUV水动力系数的基础性实验研究。Pavon等^[7]通过仿真和实验2种方式研究了半潜式海上风力发电机的水动力系数。Li等^[8]通过建立一个二维数值水槽，仿真得到了在波流共同作用下的水动力系数。

目前，船舶主要有系泊定位、动力定位和系泊动力定位3种定位方式^[9]。对于系泊系统，随着水深增加其制造及安全成本会大幅增长，难以抵御恶劣环境，且机动性差，因此主要用在近海、浅海、海况较好时的海上作业^[10]。与系泊定位相比，动力定位技术不受水深限制，定位精确，机动性强且投入撤离迅速^[11]。

本文结合使用Genie、HydroD和OrcaFlex等软件提出一种针对自升式动力定位风机安装船从结构建模到数值计算和定点定位工作仿真分析的方法。以某海上动力定位风机安装平台为例，对船舶进行动力定位数值计算，根据比较不同工况下船舶的定位效果，选取定位更精确的150°和165°环境力方向开展水池模型试验，并将实验结果和数值结果进行对比，对风机安装船海上动力定位工程作业具有一定的指导意义。

1 船舶功能特性和基本信息 1.1 船舶基本参数

船舶主要参数如表1所示。该型风机安装船主要有4种装载工况：装载3套、2套、1套以及无风机设备装载的工况。风力发电机包括非常高而且非常重的塔架、重型机舱和长叶片^[12]。其中，装载3套风机设备时，风电安装船所受环境载荷最大，对于动力定位的能力要求最高。因此，选取装载3套风机设备的工况（吃水6.7 m），进行DP数值模拟和水池模型试验。船舶坐标系为右手坐标系，x轴指向船首，y轴指向左舷，z轴竖直向上；坐标系原点o位于船的设计水线面、中纵剖面和船的艉封板往前63.604 m处横剖面的交点，该坐标系随船移动，如图1所示。

1.2 推进器配置和船舶功能特性

该风机安装船共配置6台推进器，其中首部配置3台侧推，分别用T₁、T₂、T₃表示；尾部配置3台全回转推进器（带导管），分别用T₄、T₅、T₆表示。推进器布置如图1所示。

该船设计标准能够保证在中国海域、东南亚海域及欧洲北海安全作业。满足65 m水深、2.5 m有义波高海况、DP2定位能级的要求。该船甲板面积可以超过一个足球场，桩腿长度120 m左右，在对其每个支腿和顶升系统进行预加载时，它所承受的载荷远超过埃菲尔铁塔的重量（10000 t），一艘风机安装船一年之间平均需移动和升降150次^[13]。

2 数值模拟 2.1 海洋环境扰动模型

全局坐标系XOY以船中与水线面和中纵剖面的交点为原点，XOY平面重合于静水面，X轴指向地理东，Z轴竖直向上，满足右手坐标系，迎浪方向为180°。如图1所示，从船舶ox轴正向到风、浪、流传播的方向为浪向角，表示为$ \alpha $，ox轴绕z轴逆时针转动与环境力方向形成的夹角为正方向，范围为0～360°。

进行动力定位分析时，按照行业常规做法，假设风浪流同向，并且互不干扰^[14]，即风浪流载荷在同一方向为船舶承受的最恶劣环境载荷。动力定位船舶受到风的扰动力和力矩可通过下式计算^[15]：

$ {\tau }_{\text{wind}}=\frac{1}{2}{\rho }_{a}{U}_{\text{wind\_R}}^{2}\left[\begin{array}{l}{C}_{X}\left({\alpha }_{\text{wind\_R}}\right){A}_{Fw}\\ {C}_{Y}\left({\alpha }_{\text{wind\_R}}\right){A}_{Lw}\\ {C}_{N}\left({\alpha }_{\text{wind\_R}}\right){A}_{Lw}L\end{array}\right] 。$

(1)

式中：$ {\rho }_{a} $为空气密度；$ {U}_{{\mathrm{wind}}\_{\mathrm{R}}} $和$ {\alpha }_{\text{wind\_R}} $分别为相对风速和风向；$ {C}_{X}\left({\alpha }_{\text{wind\_R}}\right) $、$ {C}_{Y}\left({\alpha }_{\text{wind\_R}}\right) $和 $ {C}_{N}\left({\alpha }_{\text{wind\_R}}\right) $为风压力（矩）系数；$ {A}_{Fw} $和$ {A}_{Lw} $分别为船舶水线以上正投影面积和侧投影面积；L为船长。

波浪对船舶的影响包括一阶波浪力和二阶波浪力，不规则波波浪力可通过规则波叠加得到。应用傅汝德-克雷诺夫假设，将船体简化为箱体船，得到动力定位船舶在规则波中三自由度的波浪力（矩）^[16]。此次数值模拟采用 JONSWAP 波浪谱：

$ {S} _{\eta} \left(\omega \right) = {\alpha }^{\mathrm{*}}{H}_{S}^{2}\frac{{\omega }_{{m}}^{4}}{{\omega }^{5}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[-\frac{4}{5}{\left(\frac{{\omega }_{m}}{\omega }\right)}^{4}\right]{\gamma }^{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}\left[ - \frac{{\left(\omega - {\omega }_{m}\right)}^{2}}{2{\sigma \omega }^{2}{\omega }_{m}^{2}}\right]。$

(2)

式中：$ {S}_{\eta }\left(\omega \right) $为波谱；$ {\alpha }^{\mathrm{*}} $为能力尺度参数；$ {\omega }_{{m}} $为谱峰频率；$ \omega $为频率；$ \sigma $为峰形参数。其中，$ {\alpha }^{\mathrm{*}} $和$ \sigma $定义为：

$ {\alpha }^{* }=\frac{0.0624}{0.230+0.0336\gamma -0.185(1.9+\gamma {)}^{-1}}，$

(3)

$ \sigma =\left\{\begin{array}{l}\omega \leqslant {\omega }_{m},\sigma =0.07，\\ \omega > {\omega }_{m},\sigma =0.09。\end{array}\right. $

(4)

对于桩腿所受波浪载荷，本文运用Morison方法计算。单位长度波浪载荷由单位长度的拖曳力和单位长度的惯性力组成：

$ \mathrm{d}F=\left(\frac{1}{2}{C}_{D}\rho DU\left|U\right|+{C}_{M}\rho AU\right)\mathrm{d}z 。$

(5)

式中：$ {C}_{D} $为拖曳力系数；$ {C}_{M} $为惯性力系数；$ U $为垂直构件轴线方向的水质点速度^[17]；$ \rho $为海水密度；$ D $为构件截面半径；$ A $为构件截面面积。本文使用设计波法，结合Stokes五阶波浪理论，分析准静态响应，计算桩腿所受波浪载荷。

流对船舶作用力的计算类似风压作用力的计算式，如下^[18]：

$ {\tau }_{c}=\left\{\begin{array}{l}{X}_{c}=0.5\rho {A}_{fw}{V}_{c}^{2}{C}_{x}\left(\gamma \right)，\\ {Y}_{c}=0.5\rho {A}_{sw}{V}_{c}^{2}{C}_{y}\left(\gamma \right)，\\ {N}_{c}=0.5\rho {A}_{fw}L{V}_{c}^{2}{C}_{n}\left(\gamma \right)。\end{array}\right. $

(6)

式中：$ {A}_{fw} $、$ {A}_{sw} $分别为水线以下船舶正投影面积和侧投影面积；$ {V}_{c} $为流速；$ \gamma $为入射角；$ {C}_{x}\left(\gamma \right) $、$ {C}_{y}\left(\gamma \right) $、$ {C}_{n}\left(\gamma \right) $分别为流对船舶的纵向力系数、横向力系数和首摇力矩系数。

2.2 船舶频域计算模型和时域仿真模型

本文基于Sesam软件的GeniE模块对风机安装船进行结构建模。对于主船体部分，模拟出全船的基本结构，选择船体湿表面并设置压载工况，对船体和桩靴进行网格划分。对于桩腿部分，总长为120 m，主弦杆间距为8.75 m，水平腹杆间距为7 m，选用PIPE单元对每一根弦杆分别建模。

频域水动力参数采用SESAM软件的HydroD模块进行计算，用于频域分析的船体湿表面网格如图2所示。首先，在HydroD的Wizards栏中创建Composite Model，将GeniE里建好的船体有限元模型和桩腿的PIPE单元先后分别导入到HydroD进行计算。在进行桩腿所受波流载荷计算时，针对本文的X型桁架式桩腿，参考中国船级社《海上移动平台入级规范》，选取拖曳力系数C_D=0.7，惯性力系数C_M=2。本文以Stokes五阶波浪公式为基础，通过SESAM软件内部WAJAC模块计算波浪载荷，得到不同高度水质点的运动情况^[17]。

时域运动分析使用OrcaFlex软件进行计算，模拟动力定位阶段的时域计算模型如图3所示。具体实现方式为将由HydroD频域水动力分析所得到的水动力参数导入OrcaFlex作为输入条件，在考虑推进器推力、一阶波浪力、二阶波浪力、附加质量和阻尼、风力和流力等外力的基础上，针对不同环境海况下的船舶进行3 h短期预报，计算风机安装船的运动情况。桩腿的每一根弦杆均采用Shape单元进行等效建模。

2.3 环境条件和工况设置

在数值模拟中，桩腿下放至桩靴下缘距离船底板54 m，接近最大作业水深。主要分为两类工况：推进器完整工况以及单组推进器失效工况。其中，6台推进器共分为3组：T₁和T₅；T₂和T₄；T₃和T₆。这里选取T₂、T₄推进器失效作为失效工况的代表。仿真工况如表2所示。

2.4 数值仿真

动力定位系统是为了保持船舶固定位置或预设航迹^[19]。因此，只需考虑船舶在水平面内纵荡、横荡和首摇3个自由度的运动，180°、90°、0°风机安装船的3个自由度运动时历曲线和运动轨迹如图4～图6所示。图7为动力定位能力曲线，为极坐标上从0～360°的封闭包络线，该图是对船舶在全螺旋桨工作模式，有义波高为2.5 m，谱峰周期为8.0 s，风速为13.8 m/s，流速为1.03 m/s的典型工作环境下，进行0～180°浪向角仿真计算，角度间隔设为15°，180～360°图像由180～0°幅值结果对称所作。

由图7可知，在典型海况下，风机安装船在0～15°、90～105°、150～180°环境力下首摇方差和平均误差值较小，首摇运动相对稳定。由图4～图6可知，在0°时船舶纵荡幅值达到了6.45 m，离定位目标点距离较远；在90°时横荡幅值最大达到3.71 m，此时船舶遭受更大的环境干扰力，整体更难控制。船舶迎浪时，纵荡幅值最大为1.99 m；横荡幅值最大为0.06 m；首摇角度平均误差为0.26°；首摇幅值最大为0.87°。依据DNV规范^[20]，动力定位船舶水平面运动轨迹应在半径为3 m的圆内，且首摇角不超过3°，只有180°附近的作业工况完全符合此要求。在风机安装船定点动力定位作业时，环境力为150～210°是更为理想的作业环境。据此，开展水池模型试验时环境力主要集中设置在180°、165°、150°等3个方向上。这里选取165°、150°的环境力工况进一步分析。

比较1、2号工况和3、4号工况数值计算结果，如图8 ~ 图13所示。可以看出，2号和4号推进器故障并未造成风机安装船定位性能的明显下降。在纵荡和横荡运动中，部分推进器失效和推进器完整工况的定位效果基本一致。由于推进器失效的工况中，相应波高和风速减小，首摇运动幅值整体反而减小，船首方向更加集中分布在目标方向。

3 试验设置 3.1 水池坐标系和环境条件

所有坐标系均为右手坐标系，Z轴正向竖直朝上。水池坐标系X轴正向从造波机指向消波滩，原点位于水池中心水平面处，如图14。船舶坐标系同数值模拟。通过升降深水试验池的假底控制水深为1.625 m。实验中通过调整甲板上压铁位置和重量来控制船舶重量、重心位置以及惯性矩，通过控制风机模拟产生不同风向风速的风。通过水池外的水泵模拟制造定常流。根据该船目标海域设定的有效波高H_s、谱峰周期T_p和波谱，通过控制造波机产生的不规则波浪，模拟实际海况中持续时长3 h的波浪。通过布置浪高仪对有义波高、谱峰周期以及极值波高等参数进行测定，从而进行波浪校准。试验波浪谱采用JONSWAP谱。

3.2 风机安装船模型

模型缩尺比为1∶40参数见表3。船首侧推和船尾全回转桨推力约定情况如图15所示。

3.3 动力定位系统

动力定位系统可分为4个模块：测量定位、状态估算、控制算法和执行模块。光学6个自由度信息捕捉系统将采集到的船舶位置信息发送给岸上的控制中心，使用图像处理技术提取船模在全局坐标系下的初始六自由度数据，再输入状态估计模块，并通过卡尔曼滤波算法获取船舶的实时位姿，再经控制算法模块的处理得到推理分配结果，发送指令至执行模块，如图16所示。

3.4 模型试验结果

由图17～图22可知，在150°和165°环境载荷下，对于全推进器正常工作和T₂、T₄推进器失效时，均能使风机安装船的位置和首向保持在期望值附近，一组推进器的失效并未使船舶定位能力显著降低，这与数值仿真结果一致。

与数值仿真结果不同的是，在水池模型试验中，推进器失效工况和完整推进器工况的纵荡和横荡幅值范围更大。其中，环境1的纵荡值最大达到4.73 m，环境2最大为−5.82 m；环境3最大为−7.46m；环境4最大为−3.54 m。在仿真工况中，纵荡幅值为−2.67 m。

在全推进器正常工作工况下，动力定位效果主要由环境力方向影响，150°环境力方向下船舶首摇运动幅值约为4°，165°环境力方向下船舶首摇运动幅值在3°以内，船舶迎浪时最大首摇运动幅值在1°附近，模型试验幅值结果与数值模拟幅值结果吻合良好。

4 结　语

本文结合使用Sesam和OrcaFlex等软件提出一种针对自升式动力定位风机安装船从结构建模到数值计算和定点定位工作仿真分析的方法。模拟风机安装船在桩腿下放至一定深度的自动定位工作模式，开展目标工作海况的动力定位数值模拟，并针对定位效果良好的工况开展水池模型试验研究，得到以下结论：

1） 在风机安装船定点动力定位作业时，在环境力0°～180°范围内动力定位数值模拟中，船舶迎浪时动力定位效果最好，并且能够满足DNV规范的标准。

2） 数值结果和水池模型试验结果均表明，在150°和165°环境力方向中，T₂、T₄推进器失效时，没有对船舶定位效果造成明显削减。

3） 数值结果和模型试验对比表明，首摇运动幅值吻合良好，纵荡、横荡运动幅值存在一定误差。

所述数值模拟和水池模型研究试验方法对动力定位船舶海上作业具有一定指导意义。海上风电的发展对世界清洁能源的未来至关重要。