ANSYS AQWA波浪力分析案例：绞吸挖泥船波浪力分析

一、背景

随着“大海外”战略的发展，公司越来越多的挖泥船到海外进行施工。海外施工环境恶劣，特别是风浪较大的时候，对挖泥船施工影响较大，严重时会造成安全事故。2011年天骅船在缅甸施工时，由于涌浪较大，导致船体对钢桩频繁撞击，使得钢桩在销子眼处出现裂纹（如图1），因此有必要研究波浪对绞吸船施工的影响。

图1 钢桩裂纹

二、分析工具

本次分析采用常用的波浪力分析软件AQWA进行分析，模拟船体在不同波浪情况下的运动状态及受力情况。AQWA是一套集成模块，主要用于满足各种结构流体动力学特性评估相关分析需求，包括从桅、桁到FPSOs，从停泊系统到救生系统，从TLPs到半潜水系统，从渔船到大型船舶以及结构交互作用。该软件相对成熟，在计算波浪力方面具有优势，因此采用该软件进行不同工况下的运动分析。

三、分析步骤

1、建立模型

根据船舶的实际尺寸，建立船体和钢桩三维模型。为计算方便，对模型进行简化，去掉对模拟影响不大的结构，建立模型如下：

图2 计算模型

船体长度xxm，宽度xxm，型深xm，总吨位4316t，满载平均吃水4.2m。该船处于无遮蔽的海域中，收到波浪的作用，分析其运动性能。

 2、参数设置

根据船体和钢桩实际的运动状态，通过软件计算其重心位置、转动惯量等参数，并对模型进行网格划分。本次网格采用四面体和六面体结构网格，采用智能网格方式进行划分，选取单元最大尺寸为2，共生成单元3686个，如下图所示。

图3 划分网格

3、计算载荷

计算水深为30米，分别计算如下工况下，船体在风浪作用下对钢桩进行冲击时，钢桩受到的作用力。假定波浪与船体夹角为45°，波高为1m，波的频率为0.167.通过AQWA软件模拟船舶的运动状态，并进行受力分析，其结果如下：

图4 压力和运动云图

图5 作用在船体上的纵向波浪载荷

图6 桩底反力

由上图可以的受力分析可以看出，钢桩在船体和土体的共同作用下，钢桩底部受力较大，在该工况下，钢桩底部的作用反力最大为1.05*106N。

4、钢桩应力计算

根据天骥船钢桩的实际结构和尺寸建立三维模型，桩尖入泥部分简化为实体（如图8），利用ANSYS软件计算在以上钢桩作用力的情况下，钢桩能否承受该压力。

图7 钢桩模型

钢桩的材料为DH36，其材料参数如下表所示：

    在Ansys中对钢桩划分网格，添加约束和载荷，如下图所示： 
图8 划分网格，添加约束和载荷

对钢桩施加1.5*e6N的载荷后，计算结果如下图所示：

图9  钢桩应变云图

图10  钢桩应力云图

5、仿真计算结果

从应力云图和计算结果可以看出，在钢桩桩底作用反力为1.5*e6N时，钢桩的最大应力为3.1737*e8Pa，发生在钢桩的销子眼附件，虽然小于钢桩的屈服应力，但安全系数只有1.1。为了保证钢桩的安全性，建议安全系数为1.4。进一步计算得出，当作用反力为1.2e6N时，钢桩的最大应力为2.529*e8Pa，安全系数为1.4，符合设计要求。

6、多工况结果分析

计算过程中需考虑考虑波浪与船体夹角不同，波高不同及周期不同对结果的影响，因此设定不同的工况，分别计算对应工况下钢桩桩底作用反力的极大值，并结合仿真分析结果对钢桩的承受能力进行分析。

      上述仿真结果可以看出，波浪与船体的夹角不同导致产生的钢桩作用反力也不同。不同波高对应对的钢桩受力也不同，波浪入射角度和周期相同的情况下，波高越大，钢桩力越大；波浪入射角度和波高相同的情况下，钢桩受力随周期的增大而先增大后减小，在周期为10s左右时，钢桩受力最大，可能是由于波浪周期为10时与船体的固有周期接近或者相等，发生共振引起的。

7、不同周期下的运动状态

图11  波高1m，周期5s

图12 波高1m，周期10s

图13  波高1m，周期18s

文章来源：滨海公司技术中心