0 引　言

伴随着中国大规模推进海上风电场址的开发与建设进程，海洋结构物正持续朝着超大型、超重以及非传统创新性结构形态的方向不断发展与演变^{[1 − 2]}。在运输船上装载大型结构物之后，船舶整体重心上移，致使其稳定性降低，从而增大了运输过程中的潜在风险。在风、流、浪涌及操作等多重因素的联合作用下，船舶的摇晃现象变得尤为显著，导致所承运的大型结构物也随之经历明显的振动与摇摆，整体的运动响应特征变得极为突出。若在此过程中，海洋结构物所经历的振动频率或摇晃幅度超出了其设计容许范围、运输施工的技术规范以及相关安全标准所规定的限值，则极有可能造成其损伤，进而为后续的安装作业与使用环节埋下重大的安全隐患^{[3 − 4]}；另外，船体过度的晃动还会进一步增加结构物发生倾覆的危险性。故而，对大型结构物在海上运输过程中的运动响应数据进行深入剖析，对于确保运输过程的安全性具有重要的指引作用。为了应对既定的运输航线，需选用合适的波浪频谱，并以此为基础，在特定的波浪条件下，计算出相应的运动响应幅值。同时，在船舶启航之前，还需基于预报的海洋运输环境，对可能的运动响应进行统计分析^[5]。

长期以来，水动力作用下海上运输设备的动态响应一直是深入研究的重点：傅圣航等^[5]采纳MOSES软件工具，详细分析了上部组块在运输过程中的频域运动响应，主要目的是预估船舶及其上部组块在各个自由度方向上运动及加速度的幅值大小。张智博等^[6]利用Ansys AQWA水动力分析软件，对双船起吊系统进行了频域水动力分析。研究了系统的水动力干扰特性和遮蔽效应，并探讨了起吊速度、波浪周期等因素对吊索张力和起重船运动的影响规律。闵巧玲等^[7]研发了一种创新的施工方法，该方法通过半潜驳船来执行导管架基础的直立式运输与安装工作，基于三维势流理论，构建了一个用于模拟半潜驳船运输和安装导管架基础的水动力分析模型，通过数值模拟方法，探究了下潜深度和有效波高等因素对导管架基础与半潜驳船系统运动响应及受力特性的影响规律。王凡^[8]、陈明胜等^[9]依据势流理论，运用水动力分析软件Ansys-AQWA，对新型风力发电机运输安装船在频域中的水动力特性进行深入分析。重点探讨了在规则波影响下，其附加质量系数、辐射阻尼系数，以及六自由度运动响应算子。此外，研究还涵盖了船体运动特性如何受到航速、水深、阻尼比以及波浪方向的影响。

本文阐述了导管架运输船舶的构造与特性，通过使用MOSES水动力计算软件，基于开航前所收集的航线沿途气象预报资料，对导管架在运输阶段进行了频域运动响应的深入分析。聚焦于规则波浪作用下，不同波浪入射方向、航行速度以及水深条件对导管架运动特性的影响机制，揭示这些关键因素如何共同作用于导管架的稳定性与运输效率。

1 分析理论基础

运动响应幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）是衡量浮体在规则波作用下运动响应特性的关键参数，它被定义为浮体运动响应幅值与单位波幅之间的比值，体现了浮体的固有特性，是频域分析中不可或缺的关键参数。此比值揭示了在线性波浪环境下浮体的动态响应特征。针对特定的波浪频谱，可以利用RAO来预估浮体在特定海况下的运动响应极值的统计特性。在MOSES软件中，对于近海及海湾区域，常采用JONSWAP波浪谱进行分析；而对于开阔的海域，则更适合运用ISSC波浪谱进行模拟^[10]，由于导管架运输终点为近海海域，本文采用JONSWAP波谱作为波浪环境条件。在MOSES软件中，采用三维势流理论来计算预设位置在各个自由度方向上的RAO值，旨在求得船舶的响应特性，也即传递函数，通过施加单位振幅波进行频域运动响应分析，可以确定各结构点在振幅与相位上的传递属性，从而在设计海况条件下预估其运动响应，最终提供精确的预测结果。通过在频域内分析，能够获得幅值响应算子（RAO）以及其他相关的水动力参数^{[11 - 15]}。波浪力作用下的船体运动方程式为：

$ \left[-\omega^2\left(M+m\left(\omega\right)\right)-i\omega K\left(\omega\right)+C\right]X\left(\omega\right)=F\left(\omega\right)。$

(1)

式中：M为浮体质量；m为附加质量；K为阻尼系数；C为静水刚度；F为波浪作用力。

2 计算模型与环境参数 2.1 模型信息

本文分析的对象为某海上风电导管架，单航次运输2个导管架。图1为导管架的侧视图，图2为导管架装载俯视图。结合两图可以看出导管架尺寸约为30000 mm×30000 mm，总高68624 mm，重心高35000 mm。

2.2 计算参数

本次航行中，运输船的基本参数见表1。在全面考量运输船的稳性性能和海上作业所需空间的基础上，结合导管架在船上的预设布局，设定船首为坐标原点，船尾方向为正方向，对组块的质量重心进行统计，具体数据参见表2。

2.3 建立计算模型

如图3所示设定了软件的计算坐标系，其原点设定在驳船船首最前端的中线面与基平面相交点的投影位置上。将X轴的正方向设定为从原点延伸向船尾；Y轴的正方向则确定为从原点指向船舶的右舷侧；至于Z轴的正方向，则是定义为在原点处竖直向上的方向。

依据上述参数，利用MOSES软件进行建模工作，所得的计算模型如图4所示。在此过程中，将运输船及导管架的质量、重心位置等相关数据导入至MOSES软件中。由于导管架模型复杂，为了简化，将导管架迎风面积输入导管架重心位置，两导管架在纵向有重叠，分别输入横向和纵向迎风面积为1168.05 m²、584.85 m²，模型如图5所示。

2.4 环境参数设置

运输过程耗时多日，考虑到遭遇海况的不确定性，同时为了优化运输方案，以两导管架重心位置为水动力分析点，取13个浪向（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°）、3种不同水深（50 m、100 m、无限水深）、6个不同航速（0 kn、5 kn、10 kn、15 kn、20 kn、25 kn），对波浪频率范围0.2～2.5 Hz进行计算，综合分析运输过程的安全性。

3 不同浪向下的RAO

采用MOSES软件，计算了导管架在单位波幅规则波作用下的运动响应，并得出了频域范围内的导管架运动响应幅值算子（RAO）。

本文聚焦于0°～180°浪向范围内，导管架重心位置在不同浪向作用下的运动响应。图6为导管架A重心在6个自由度上，其运动幅值响应算子如何随波浪频率变化，针对各浪向进行了详细描绘。相应地，图7为导管架B重心在6个自由度上，运动幅值响应算子随波浪频率的变化情况，同样覆盖了不同的浪向。

观察图6中导管架A的纵荡运动响应图，发现在波浪方向为在角度为0°和180°时，响应表现最为突出；紧随其后的是60°和120°的情况；相比之下，在90°横浪的条件下，响应最小。相反，横荡运动在105°时取得最大值，而在0°和180°的方向上则呈现最小值。垂荡运动的响应曲线在横浪方向上展现出对称性。随着浪向角的逐渐增大，垂荡响应先呈现上升趋势，随后下降，在90°浪向角时达到最大值，且该最大值出现在频率为0.78 Hz的位置。横摇运动随着浪向角的改变，其变化趋势与垂荡运动相类似，同样在90°时达到最大响应，且峰值出现在0.38 Hz附近。值得注意的是，当处于横浪状态时，横摇运动的峰值会显著上升，远超其他浪向角下的响应情况，这提示船舶在进行作业时应当尽量规避横浪的条件。另外，当遇到横浪条件时，纵摇运动的响应会降至最低点，相比之下，在其他浪向的条件下，峰值响应则相对接近。纵摇响应在频率为0.86 Hz时达到最高点。在0°～90°的范围内，随着浪向角的增加，峰值向右侧偏移；而在90°～180°的范围内，随着浪向角的增加，峰值向左侧偏移。关于艏摇运动，其响应幅度在浪向角为45°时达到最大，而在90°和180°的浪向角下，响应幅度则降至最低，几乎可以忽略不计。由图7可知，导管架B的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇的运动响应曲线与导管架A的变化趋势极为相近，仅横荡运动在90°时达到极值，0°和180°下最小。

基于上述计算所得数据，汇总了2个导管架在运输阶段，各个自由度以及不同工况条件下所产生的最大运动响应数据，详细情况请参见表3。

综上可知，随着波浪频率的变化，两导管架重心位置的各项RAO的变动趋势保持一致。同时，导管架的横荡、纵摇以及横摇运动也呈现出相似的随波浪频率变化的趋势。在低频范围内，纵荡运动呈现出较大的响应幅度，然而，随着波浪频率的不断增加，其运动响应逐渐减弱，直至趋近于0。垂荡与艏摇运动的响应则随频率的上升而递减。相比之下，纵摇与横摇运动在波浪频率增加时，会先达到一个峰值，随后再随着频率的进一步增大而降低。对于不同的浪向，纵荡运动的响应变化幅度相对较小，这表明它对方向的变化具有较高的不敏感性。相比之下，其他方向上的运动则展现出了明显的变化特征，尤其是横摇运动。当遇到横浪状态时，横摇运动的响应幅度会明显高于其他浪向条件，同时，其响应的峰值也会显著地增大。这提示在作业时应尽量规避横浪条件。

4 不同航速下的RAO

随着航速的增加，船舶与波浪之间的相对运动速度增大，导致波浪遭遇频率发生变化。这种变化会影响船舶的RAO值。在某些频率下，船舶的RAO值可能较高，而在其他频率下则可能较低。因此，航速的变化可能导致船舶在特定波浪条件下的运动响应特性发生变化。本文选取规则波浪下导管架在船舶各航速下的运动响应，由于在不同航速下两导管架的运动响应变化相似，因此只分析导管架A，比较导管架A各项RAO，如图8所示。

基于上述的计算结果，系统地整理了2个导管架在运输阶段，于各个自由度以及不同工况条件下所产生的运动响应最大值，并将这些数据详细地列在表4中。

可以看出，航速对RAO的影响主要为峰值附近，且均随着航速增大，峰值附加值减小，对纵荡与纵摇运动的影响主要为0.5～1.2 Hz频率范围内，在此范围内的纵荡最大值相差约为0.04 m，纵摇最大值相差约为0.08°，在频率低于0.5 Hz或大于1.2 Hz时，有无航速对导管架运动响应几乎无影响。对横荡与横摇运动的影响主要为0.3～0.5 Hz频率范围内，在此范围内的横荡最大值相差约为1.15 m，横摇最大值相差约为2.27°。对垂荡与艏摇运动的影响主要为0.4～1.2 Hz频率范围内，不仅对峰值有影响，而且会使峰值频域偏移，在此范围内，垂荡最大值相差约为0.05 m，艏摇最大值相差约为0.02°。

5 不同水深下的RAO

海域内水深的变化通常会对海水的流动模式造成影响，这种影响进而会波及到船体的运动状态。为了详细研究水深这一因素对风机运输安装船耐波性能的具体作用，在规则波条件下分别进行了计算分析。导管架在50 m水深、100 m水深和无限水深（1000 m）中的运动响应幅值算子，如图9所示。

观察结果显示，在低频范围（0.2～0.8 Hz）内，水深对纵荡、纵摇及艏摇运动产生了一定程度的影响，然而，在高频范围内，水深对导管架运动的影响变得微不足道，基本上可以忽略。而随着水深增加，横荡与横摇峰值会逐渐减小，横荡最大值相差约为1.73 m，横摇最大值相差约为3.19，水深对垂荡几乎无影响。

6 结　语

1）通过分析导管架在不同浪向条件下的RAO（运动响应幅值算子），发现横荡、纵摇以及横摇运动对于波浪频率及浪向的变动展现出较为明显的敏感性。特别是在横浪状态下，横摇运动的响应峰值显著增大，表明在实际运输过程中应避免在横浪环境下作业，以确保运输的安全性和稳定性。

2）不同航速对导管架的运动响应有显著影响。随着航速的增加，部分自由度（如横荡、横摇、垂荡和艏摇）的运动响应峰值出现变化，峰值频率也有所偏移。但总体而言，航速对低频区（低于0.5 Hz或高于1.2 Hz）的运动响应影响较小。

3）水深条件的变化对导管架的运动响应也有一定影响。在低频区域，水深对纵荡、纵摇和艏摇运动有一定影响，而在高频区域则影响较小。随着水深的增加，横荡和横摇运动的峰值逐渐减小，但对垂荡运动的影响几乎可以忽略不计。

综上所述，本文通过对导管架运输过程中的运动响应进行全面分析，得出了在不同环境条件下导管架运输的响应特征，为实际运输过程提供了参考。未来工作将进一步研究风机整机运输的稳定性，以进一步优化海上风电导管架的运输和安装方案，确保整个风电项目的顺利进行。