摘 要

第一章 绪论 1

第二章 三维势流理论和谱分析方法 3

2-1 三维势流理论 3

2-2 谱分析方法 5

第三章 风电安装船船型调研与建模 8

3-1 船型调研 8

3-2 建立模型 9

第四章 静水力计算 12

第五章 规则波中频率响应函数的计算 13

5-1 计算方法与相关要求 13

5-2 数据处理与分析 13

第六章 不规则波中运动参数统计值的预报 21

6-1 计算方法 21

6-2 算法与程序设计 22

6-3 运动参数统计值预报结果 25

第七章 船型参数对船舶在不规则波中运动统计值的影响 30

第八章 结论与展望 35

参考文献 36

致谢 37

摘要

在一定的波浪环境下，自航自升式风电安装船的耐波性是维持其能安全高效完成海上风机安装作业所需要考虑的重要性能之一。文章对大量执行这一作业船只的主要参数进行了调研和相关资料整理工作。文章从控制方程，边界条件等内容简要介绍三维势流理论，然后采用三维势流理论对风电安装船所处的流体环境进行描述和分析。

考虑了上述理论所忽略的粘性影响并在受其影响最显著的横摇运动上采取了一定修正手段，再使用相关软件计算得到频响函数，进而绘制出了六个自由度下不同迎浪角下的频响函数图线。

在讨论了用于描述海浪特征的相关海浪谱的表示方法和特征参量之后，基于耐波性预报中最为经典的谱分析方法，梳理了自然频率，频响函数，海浪谱和运动谱四者之间的关系，并建立算法对所设计的船舶进行不规则波中运动参数的计算以及耐波性的评估。 在此基础上为耐波性预报所开发的简单程序，具有和谐的用户界面，并通过条件语句的嵌套较好地减小了运行所占内存，可以在通过实验或计算机方法得到频响函数的前提下，具有相当广泛的应用空间，对这样一类非远海的海洋工程船舶的设计特别是主尺度的选取具有一定的参考价值，也对已建成船舶的适航性评估以及非安全因素的规避具有指导意义。

最后根据此结果，综合考虑静水力计算所得出的一系列参数，在提高稳定性和安全性的原则上保证排水量不发生变化的情况下进行船型变换，比对了与原船型的主要的自由度下的频响函数曲线和在不规则波当中的运动参数的统计结果预报，得到了在横摇性能上较优于原船的结果。

综合上述工作，得到了风电安装船的耐波性能对工程实际的指导意义和这一类船舶设计过程中不同参数之间的矛盾关系。结尾进行展望，介绍了当前这一类船型在处于改善稳性和耐波性的要求下的发展新趋势。

关键词：风电安装船；三维势流理论；谱分析方法；耐波性预报

Abstract

Under certain wave conditions, the seakeeping of self-propelled self-elevating wind power installation ships is one of the important performances to be considered to maintain its safety and efficient installation of offshore wind turbines. The article conducted research and related data compilation on the main parameters of a large number of vessels performing this operation. This paper briefly introduced the three-dimensional potential flow theory from the control equations and boundary conditions, and then used the three-dimensional potential flow theory to describe and analyze the fluid circumstance where the wind power installation ship is located.

Taking into account the viscous effects neglected by the above theory and taking some corrections on the most significant roll motion, the corresponding frequency was used to calculate the response amplitude operator(RAO), And then the frequency response functions had been solved, then the figures for different angles of wave under six degrees of freedom were drawn with these listed above.

After the discussion of the representation method and characteristic parameters of the relevant ocean wave spectrum used to describe the characteristics of the ocean wave, based on the most classical spectrum analysis method in the wave resistance prediction, the natural frequency, the frequency response function, the wave spectrum and the motion spectrum were then combed. An algorithm has been established for the calculation of the motion parameters of the irregular wave in the designed ship and the evaluation of the seakeeping. On this basis, the simple program developed for the seakeeping prediction had a harmonious user interface, and the memory of the operation was reduced by nesting the conditional statements. The frequency response function could be obtained through experiments or computer approaches. Under the premise, it had a wide range of application space, which had certain reference value for the design of such non-deep-sea marine engineering vessels, especially the main scale. It also evaluated the airworthiness of the completed ships and the avoidance of non-safety factors. There is no doubt that it possessed guiding significance.

Finally, based on this result, a series of parameters calculated by hydrostatic calculation are comprehensively taken into consideration. On the principle of improving stability and safety, the ship type change is carried out without changing the displacement, and the main degrees of freedom with the original ship type are compared. The statistical results of the frequency response function curve and the motion parameters among the irregular waves are predicted to be superior to the original ship in the roll performance.

Based on the above work, the guiding significance of the seakeeping performance of the wind power installation ship to the engineering practice and the contradiction between the different parameters in the design process of this type of ship are obtained. In the end, it has been introduced that the current development trend of this type of ship type under the requirements of improving stability and seakeeping.

Key words: wind power installation ship; three potential flow theory; spectral analysis method; seakeeping prediction

第一章 绪论

化石燃料储量的日渐紧张以及温室气体排放带来的一系列恶性问题，使得各国对清洁能源的开发和利用的水平不断地提高。风能作为清洁能源的一种，已经随着各型风机的布设而相当程度地被加以利用。除了在陆地上高纬度地区建设大规模风电场群，在资源相对丰富且较好回避了占地面积广大和噪音污染等问题的海洋地区利用风能已经成研究院所和装备厂家影响极其重大的现实性课题。针对这一类船舶开展的风电安装研究方兴未艾，自圣丹尼斯和皮尔森在1953提出对船舶在不规则波中运动参数统计值的基于谱分析的预报方法后 ^[14]，对其耐波性的预报就有了坚实的理论基础，随着在耐波性领域相关研究内容的丰富^[1]，对这一船型的设计也趋于多样化，专门化^[2]，其设计上的发展又促进了相关水动力理论的丰富^[3]。在目前的工作当中，耐波性问题和操纵性问题相耦合状况下的研究手段和解决方案^[4]，成为这一类船型乃至非近海船型发展的新推动力。

目前为止海上风机大致已经发展出了两种形式：即底部固定支撑式和悬浮式支撑式。因此针对此两类风机的工程结构和作业特点，并综合考虑航区特点来指导和规划风电安装船的船型参数的选取，以及风电安装船的耐波性预报和评估具有相当的指导意义。

所谓风电安装船，即是一类能够将海上风机平稳地运送到风电厂址并准确无误地使用相应的安装方法进行安装作业的一类海洋环境载具。简要来说，这类船只应当具有良好的稳性，耐波性，运输吊装和定位作业的能力。 世界上第一艘专门的并具有自航自升功能的风电安装船最早于上世纪五十年代由美国的Dean兄弟公司建造。经过三个代次的发展，这一船型逐渐演变出自升式的起重平台和浮式的起重船两类，不仅在起吊能力，甲板载荷承受水平等主要功能上得到了较大的提升，还在自航自升功能，工作人员生活作业环境，与直升机等的协同施工能力以及动力定位等性能指标上取得了相对长足的进步。早期我国不具有从事专门的海上风机安装作业的船舶，往往是具有起重特征的相关海洋工程船执行相关的施工作业。风电安装船的发展是在要解决因风机趋于大型化而引发的一系列现实工程问题下促成的，而这一实践最先在欧洲的船舶设计建造公司中展开。风电安装船的大型化的好处是显而易见的，能一次性吊装更多的风机（多者可达十个）和辅助设备，并对稳性和耐波性的设计也能提供较大的发挥空间。随着市场需求的不断增大和我国海上风力发电工程的不断发展，我国将来势必会建造越来越多的该类型船舶用于逐渐大型化的风机的安装和维护，因此对这类船型的主要性能之一的耐波性进行分析，对为将来进行风电安装船的设计提供一定程度的参考价值。

目前，风电安装类船舶大致可分为起重式工程船，自升式平台，自航自升式安装船，桩腿固定式风机安装船和离岸动力定位及半潜式安装船，但后两者由于吊装设备和船体结构的原因，往往被局限于近海的小型化的安装作业任务，因此本文不做过多赘述。文章中设计的目标属于第三类自航自升式风电安装船，但由于其执行同一任务，因此也应当吸取其他二者的主尺度等船形参数选取以及其他型线设计内容的工作经验。

经过对起重型船舶、自升式安装平台、自航自升式安装船共三类船舶计二十艘主尺度和其他等参数的统计和分析，综合考虑所需要考虑设计船舶所需要满足的1200t吊重和DP2动力定位等技术要求，在已有船型的基础上，结合其它因素进行调整。使用软件完成模型建立，并在此基础上对其进行静水力计算。再基于三维势流理论完成运动响应幅值函数计算，最终得到频响函数曲线。最后根据耐波性预报中经典的谱分析方法对所设计的风电安装船完成耐波性预报，并比对同排水量下调整了主尺度间无因次比值之间的结果，评估船型差异对风电安装船的耐波性影响，达到为工程实践中的设计提供借鉴和参考的目的。

第二章 三维势流理论和谱分析方法

获取设计船舶的运动响应函数所用到的计算辅助软件为Maxsurf软件，其理论基础是三维势流理论。在得到频率响应后对船舶的运动谱等内容获取和完成耐波性计算任务需要用到谱分析方法，这二者构成风电安装船耐波性预报和评估的理论基础。

2-1 三维势流理论

在实际工程环境中所遇到的问题就如同运动响应函数分析往往是三维的，这使得不能再像平面势流问题中能够依赖解析函数这一强有力的工具，因此求解精确解的数学手段相对有限；同时坐标系的选取也在很大程度上决定了能否对运动和边界条件进行准确描述描述，以及能否将未知函数表示成为分离变量的形式。

在势流理论框架下，流场中的流体具有不可压缩的特征，同时应当满足（即近似地处理为）无粘度无旋度这一条件，表现在其流场中，即：

, ,

同时将流体力学中速度势的定义代入不可压缩条件下的流体连续方程 中，得到满足拉普拉斯方程的不可压缩流体的势函数（以下简称为控制函数）：

由于船体关于中纵剖面对称的特点，可以为流场中的流动定义一个流函数（对称的流动情形所特有），将流场中最之前定义的无旋条件带入，将结果与上述得到的不可压缩流体的势函数相对照可以得到，船身所处流场所定义的流函数并不如同其速度势函数一样满足拉普拉斯方程，也不满足柯西-黎曼条件（即流函数不是调和函数）。这说明，若要把流函数作为未知数进行求解，无法得到解析解；但如果将速度势函数作为未知数，在实际工程环境所限制的边界条件下求解拉普拉斯方程，进而求解流场内的压力的分布以及其他理化参数，通常是可行的。

流场中的流动应当满足以上限制条件外，还应当引入船体处于流场中以及流场本身的特性带来的边界条件和相关控制方程：如果假定流场中船体表面某点处的速度在重合于该点曲率圆半径且由船体指向外部流场的方向的分量为,那么根据船体表面不可被液体穿透的条件就会有：

(n即为沿该点曲率圆半径且由船体指向外部流场的方向)

计算船舶运动幅值响应函数时又将之视为处于无界宽广流场中，因此在无穷远处的流场并不因船舶的行为而受到扰动，即有：

由上述两式可以看出要寻求ϕ的解，需要求解二阶线性的常微分方程——不论坐标系的选取如何，是一个变量还是代表三个维度的变量，皆是如此。如果采用剖面内的极坐标系来表示的话，用于解出这一方程的另外两个边界条件是船体表面的速度和流场无穷远处的速度所构建的：

在海浪的表面为气液相交形成的界面，这一数学模型上的各个点的速度就是位于该点流体质点的速度，的不考虑波浪发生破碎的情况（这一交界面不可被流体质点穿透），如果将波高z记为横坐标x，纵坐标y和时间t的函数，将波高函数对时间求取偏导数可以得到：

由于在所进行分析的某一时刻空间位置的速度等于该点流体的速度，上式当中的速度项，可以另外表示成，，据此代入可以得到运动学边界条件：

在这一表面上压力不仅连续分布，还等同于大气压，于是根据伯努利方程有：

此外还有不考虑海洋中水质点对海床的渗透作用，将这一部分看作固定的刚性边界，即底部不可穿透的条件，所以水质点在海底某点垂直于该点海床面元的速度分量与该点上的单位法向量点乘结果为0，设海床的形状函数为s，那么有：

由以上内容就可以解出船体所处流场的流动情况。并且可以将流场的速度势函数带入这一连通域内这一矢量所满足的格林公式，得到某一区域（体积）内流体的动能表达式：

(其中和s分别为控制体的体积和其边界表面)

这一表达式说明ϕ及能够决定内流体的动能，由此出发就可以证明拉普拉斯方程解具有唯一性，及船舶所在流场的流动解是唯一的。

在讨论了流场的控制方程，边界条件以及其他性质之后，现在再次根据控制方程具有线性的特征，利用叠加原理将船舶对所处的流体环境的扰动速度势分解成为六个单一自由度运动的速度势，表示为：

其中称为广义速度，称之为单位速度势，表示在单位速度运动下，物体沿各方向直线运动以及转动时的扰动速度势，由于表征的是速度势和速度的关系，因此只有广义速度与时间t中存在所谓的函数关系。自然地，每一个自由度下的都相应地满足控制函数，船体表面上的边界条件，无穷远处梯度为0三个方程式，将之带入上文单一运动提到的体积内的动能积分表达式之中，可以得到：

其中=，由于该式是动能的表达式，二者具有速度的量纲，因此应当拥有质量的量纲，定义为广义附加质量，之所以称为广义是因：当相互结合的两个运动为平动时才真正具有质量的量纲，平动和转动结合时其具有惯性矩的量纲，转动和转动相结合时则将具有质量矩的因此。（对其因次的分析将在之后获取运动幅值响应函数时获得附加质量和惯性矩以参与对粘性的补充修正这一工作发挥极其关键的作用）。同时，根据广义附加质量的定义式：=可以看出，广义附加质量是关于积分域和运动方式（平动和转动）的函数，因此只与设计船舶的形状,所分析的运动模态和频率有关，而与广义速度在时间尺度上的变化规律无关。由于船舶在波浪中的运动是非定常运动，在建立其微分方程式时这一定义就显得尤为重要。

现在回到拉普拉斯方程形式的控制方程当中，前文已经分析得出，无论选定的坐标系是怎样的，最终的求解问题都将是求解二阶线性微分方程。，由于所要讨论的运动的模态不同，因此得到的最终的运动方程往往会在一阶项和位移项的表达上有不同，单纯从数学的角度上讲，最后的方程应当形如：