牵引操作中某些方面关于安全与能效 的非线性动力学观点外文翻译资料

 2022-08-22 15:22:49

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牵引操作中某些方面关于安全与能效

的非线性动力学观点

摘要

定期和紧急拖曳作业每天都在海上和限制水域进行，作为运输货物、帮助船舶停靠和出海或援救遇险单位的一种手段。即使在温和的天气情况下，这种活动也会对有关人员和单位的安全以及环境造成严重威胁。本研究探讨拖曳系统的动力学，其中拖曳是由单一弹性拖曳线进行。采用简化模型，将拖曳力建模为具有指定运动的点粒子，而被拖曳物的动力学则建模为三自由度（纵荡/横荡/首摇）非线性动力系统。系统的平衡通过分岔分析技术进行分析，如果需要，还可以通过时域仿真进行补充。本文以船舶拖曳的一次实际应用为例，介绍了航速、拖曳线长度、水深、风速等参数对拖曳性能的影响。计算结果表明，根据结构参数，可能存在多个稳定/不稳定的稳态拖曳位置。本研究还阐明，在不存在稳定平衡的情况下，会发生被称为“摆尾效应”的潜在的危险振荡现象。

关键词：分岔分析；摆尾效应；大漂移角操纵；多重平衡；非线性动力学；数值延拓；浅水；船舶安全；船舶拖曳；风。

介绍

几个世纪以来，拖曳作业一直是一种相对廉价的运输大量货物的方式。有迹象表明，早在公元前3000年，古美索不达米亚的贸易路线就依赖于由马匹（有时是奴隶）沿着河流和运河拖运的驳船，因为水运的效率已经被证明是普通驴商队的170倍[1]。在工业革命初期，由役畜拖拽的运河驳船曾与铁路竞争，但最终被速度更快、成本更低、灵活性更强的火车超越。

如今，船舶拖曳有多重目的：一方面，它仍然是广泛使用的在海上和内部水域运输货物的方法，因为这样做可以帮助缓解高速公路重型机动车（HGV）交通缓慢或触及地区较少的缺点，如果这不是很难，可以由当地基础设施提供服务[2]；另一方面，拖航作业是大多数船舶在港口靠泊和离港时的标准作业程序。所有这些活动属于一个类别，往往冠以“有计划的点对点拖曳”[3]的名义，他们可以提前计划，因此，可以检测出许多环境因素（风、海况、潮汐、洋流），可以制定出规范来减少这些因素所产生的潜在风险。但在紧急情况下，为救助因搁浅、推进或转向失灵、碰撞或其他原因而遇险的单位，也需要拖曳[4]；在这种情况下，为了避免人员伤亡、受损船舶进一步损坏、石油泄漏和环境破坏，时间成为一个关键问题，因此救援行动往往没有可能进行详细的规划。2002年至2007年期间，在英国[5]的沿海水域进行了40多起这样的行动，包括一些备受瞩目的行动，如营救MSC Napoli公司。失事船只在海洋环境中的石油泄漏造成的环境污染问题越来越受关注之后，一个由欧盟资助的被称为“SAFETOW”的研究项目，试图为船长提供工具，在他们无法控制自己的船只的时候给予帮助，并为救助和护送用拖船的船长提供足够的知识,为他们的决策行为提供最好的信息，使他们了解其不同的行为带来的各种后果[6]。

拖曳作业在许多不同的环境中是必要的，即内陆水域（如河流、湖泊、运河）、沿海水域、公海和港口。其中的每一种情况都具有若干潜在危险方面的特征：强水流、浅水、风和各种属于河流典型特征的障碍；运河通常又窄又堵；沿海水域有丰富的珊瑚礁或沙洲；港口可能过于拥挤；广阔的海洋没有一个封闭的避难所，以防突然和意想不到的天气变化。因此，不论计划的可能性如何，即使在温和的天气条件下，拖曳作业也总是对有关人员和单位的安全以及环境构成严重威胁。作为沿海水域造成危险的一个例子，我们可以看看2007年12月19日拖船“飞行幻影”号发生的事故[7]，导致其在搁浅而后困在浓雾中之后倾覆、沉没（并导致三人失去生命），当时它正在协助“红茉莉”号通过克莱德湾[7]，这场事故导致该船失去了一些船用引擎（价值超过2000万欧元），其在2010年9月被驳船从的里雅斯特运输到威尼斯[8][9]。就河流拖航事故而言，2009年7月19日，“北臂探险”号拖船在被其正拖曳的驳船乘一股急流追上之后，在加拿大不列颠哥伦比亚省塞谢尔特湾被称为“塞谢尔特急流”的地区倾覆[10]。最后，2007年4月12日，一艘名为“波旁海豚”的锚泊船在北海海域作业时沉没，15名船员中有8人丧生，尽管这艘船正在进行的近海作业与拖航没有严格的关系，但它的动态特性与拖航相似[11]。

本研究的范围是分析船舶拖曳动力学的一些方面，因为这是由丰富和有趣的非线性效应主导。例如,有人负责拖曳操作时会渴望理想、稳定、有序的拖曳，因为这个条件把阻力最小化（因此,拖曳线张力也能最小化），而且它一般更不容易创造危险的情况（当然，除非拖船的推力有一定程度上的损失,从而导致拖曳发生追尾[12]），对一些拖曳对象来说这可能是不可能实现的。实际上，这取决于许多参数（特别是拖曳中拖缆连接点的位置[13][14]），可能存在稳定的侧向拖缆位置，当被拖缆以非零漂移角移动时，会产生更大的阻力。但是，可以看出，在某些参数的配置中，可能根本不存在稳定平衡。这项研究的一个有趣的结果是，这种情况与一种被称为“摆尾效应”的潜在危险现象的出现直接相关。这种现象不仅发生在拖拽的情况下[15]，也发生在系泊物受水流作用的情况下（见例[16]）；然而，这两种情况之间存在着差别，因为拖航的相对速度可能会达到较高的值，而在近海作业中，水流速度受到自然环境的限制。当摆尾效应发生时，被拖物受拖轮位置的横向振荡影响。这种情况可能特别危险，因为峰值张力和松弛线的周期交替在最好的情况下只会导致线本身的快速磨损，但在最坏的情况下，会导致线的失效或拖曳操作中涉及到的单元出现过大的横倾力矩。

过去关于船舶拖航动力学的研究大多使用基于非线性导数的模型[13][14][17]，其优点是允许应用相对简单的分析方法来研究系统的行为。然而，这种方法有一个严重的缺点，那就是只有在漂移角相对较小的情况下才适用，而这种情况在拖航过程中并不总是能得到满足。这个问题是由于多项式模型固有的局限性，它总是只能在它们所确定的点附近产生良好的近似。此外，当一些非线性导数需要量纲化时，它们要除以参考速度（通常是前进速度），参考速度有时会变得非常小，甚至为零，就像纯漂移运动那样，从而在这种情况下产生奇异点。因此，在研究船舶拖曳动力学时，使用能够成功预测大漂移角水动力的操纵模型是必要的。本文将利用[18][19]所建立的模型来模拟拖航的动力学过程。

参照河流导航，河流船舶拖曳可能在基础设施不发达的地区变得特别重要，因为它可能是运输货物唯一的方法（顶推驳系统也广泛使用，虽然这样的配置需要专门设计的船只和配件，使得拖曳可以更容易进行）；此外，拖航是紧急打捞报废船舶或在两地间移动特殊用途船舶时所采用的标准程序。其他影响，如由于稳定的风或有限的龙骨间隙造成的影响，在这样的环境中变得重要，并将在这篇论文中进行研究，因为它们可能会大大改变被拖物的行为，并可能导致危险的情况。

论文组织如下。首先，介绍了所使用的数学模型的特点。在此基础上，介绍了用于系统平衡分析的分析技术。然后将提供一些应用实例，论文将以一些最后的评论结束。

数学模型

本研究研究的是拖曳系统的动力学，拖曳是通过单一的弹性拖曳线进行的（虽然有时会采用更复杂的安排[3][20]，但在本文中不进行研究）。与[13][14]类似，使用了简化模型，其中拖船被建模为具有指定运动的点粒子，而被拖物的动力学是通过3自由度（纵荡/横荡/首摇）MMG型操纵模型模拟的。所采用的三种参考系，一种是固定在地球上的（Omega;???），另一种是与被拖船固定的（????），原点不一定与船的重心一致，第三种是与拖船固定的（????）；采用的符号约定如图1所示。在图1中首摇/方位角表示的方式，像往常一样，使用psi;。

图1：参照系

拖船

（拖动点）

所有参照系为右手系

被拖船

由于前面提到的建模假设，本文只考虑被拖船的动力学；为了使模型相对简单，并考虑到即使是被拖曳物的行为也已经相当有趣和丰富的事实，这两个相互作用的系统的整体动力学，无论多么重要和有趣，都没有加以研究。

被拖曳物的运动被认为是由参考点O的标准三自由度平面操纵模型控制的（见图1）：

（1）

此处原点O已确定, ?[千克]是船舶质量，?[米每秒]和?[米每秒]是被拖物的纵向和横向速度，?[弧度每秒]是首摇角速度，??[米]是对于O点的重心纵向位置（为了对称，??被假定为零，即被拖船的中心位于中线面上），而???[千克乘平方米]是对点O的首摇惯性力矩。方程中的点代表随时间的变化。拖船位于（1）的右侧，遵循MMG模型的思想[21]，即根据原因把外部作用进行分离，假设拖船受操纵（水动力）力/力矩（下标“M”）、风力/力矩（下标“W”）和拖缆的影响。拖缆力由力矢量[牛]表示，该力矢量假设作用于拖曳点（船舶固定参考系）。向量、和是三个固定的船载参考轴x、y和z的单位向量。注意，在（1）中，一个点（∙）表示点积，而插入符号（and;）表示标准的外积。

如前所述，最广泛用于确定操纵力的技术是基于非线性导数的模型。除了因可靠的回归公式只有少数几个可用，导致非线性导数的确定性不足之外，基于导数的方法的主要缺点是它不能正确地再现当一艘船的横向速度近乎（或超过）其推进速度时，它的水动力行为（即：当漂移角很小的假设不再有效时，因为漂移角变得非常大）。

且不论实践中需要模仿标准操作行为，在日常操作中也不会正常地达到这样的情况，因为在这种情况中偏航角保持得足够小，而在非标准操作的情况下，更类似于在动态定位、捕蟹、进港出港、捕鱼活动和在拖曳的某些阶段中，漂移角变大，因此基于导数的模型不适合研究这些操作活动。为了克服这一困难，在这项工作中，采用了一种能够再现高漂移角下的操纵力的模型，如[18][19]所示。利用[18]开发的模型和标准的基于非线性导数的(一阶和三阶)模型得到的无量纲力和力矩的比较如图2所示。该示例使用[17]中描述的驳船作为示例船(除了缩放之外，该驳船将在本文后面的示例应用程序中使用)。在横向力和首摇力矩的计算中，[17]中给出的无量纲导数通过使用总船速变得有量纲化。图2还显示了减少水深(实际上是一个相当浅水的条件)对两种方法预测的力/力矩的影响。在Ankudinov公式[22]的基础上，考虑到[23]显示的情况，在模型中引入了浅水效应。可以看出，在这个特殊的情况下，基于导数的模型给出的侧向力在浅水情况下与大漂角模型一致，而在深水情况下明显不同。对于首摇力矩，基于导数的模型不能再现大漂角模型所表示的力矩行为。

在风力效应方面，采用了[24]中使用的模型。来自[24]的数据为评估作用在船上的力和力矩提供了可能性，当相对速度、攻角和上层建筑的形状已知时。注意，虽然空气动力学效应在这里被称为“风力效应”，但这种空气动力学效应也出现在“静止空气”中。因此，模拟中使用的模型考虑了船体和空气之间的相对速度，然后应用空气动力系数考虑了表观(相对)风的速度。最后，拖缆张力?被定义为拖缆的伸长和它的破坏载荷的一个函数。因此，这个函数依赖于在拖船与被拖船的拖缆连接点之间的距离（ℓ）和绳子的直径。本文选用的牵引线为一种未使用过的高韧性聚酯12股圆线[25]，其载荷-伸长图如图3所示。

选择的直径为d=36mm，相当于保证的最小破断力为273 kN[25]。这个选择基于一些考虑因素，参照一艘小型内河拖船的典型系桩拉力，被认为与BP=73.5 kN相等，这个值会用于接下来的计算中，在国际海事组织建议的拖缆的最小推荐断裂载荷中，被设置为拖船的系桩拉力的三倍，假设这小于392 kN[26]。然而，没有考虑拖缆失效(线张力超过断裂负荷)的可能性。这是因为本文的主要目的是分析被拖船的非线性动态行为，而不是对与此类活动相关的实际操作问题进行严格的检验，这是一个有待进一步研究的问题。结果，公称延伸率/张力图(图3)被使用延伸率的纯二次函数扩展到断裂负荷之上。在本例中，选择“新12股”绳索(图3)作为参考。据此，在点P处施加的拖缆张力矢量的结果模型为:

（2）

此处，ℓ是拖缆结束点之间的瞬时距离，??是未拉伸的拖缆的长度，??是[25]中提到的最小断裂载荷，LBL是拖缆处于标称断裂载荷的长度，?((ℓ minus; ??)frasl;??)是图3定义的根据经验得到的载荷与延展的关系，在这个特定的案例中，?= 17.23，是定义拖缆作用于被拖船的作用力的方向的单位向量（即上述关系）（如图1所示）。

分析技术

模型（1）描述了被拖船的运动，是一个非线性动力学模型。因此，它在原则上可以用丰富而有趣的动力学现象来描述。在此，我们把注意力集中在平衡位置的确定和对已经提到的“摆尾效应”现象的一些部分评估上。由于模型是非线性的，对于同一组参数，我们可以期望存在多个具有不同稳定性的平衡条件。这在过去的分析基础上得到了证明[13]。因此，对系统的行为有一个尽可能大的了解是很重要的。

式(1)中的模型当然适用于直接时域仿真。然而，这些可能是耗时的，因此在某些情况下是不切实际的。此外，暴力数值模拟只能提供有限的数据集。在一定条件下的稳定解和不稳定解同时存在等问题不能通过时域仿真来确定。在本研究中，我们决定通过平衡的分岔分析来处理模型(1)，并辅以一些时域仿真来分析系统，特别是在摆尾效应开始时。如果数学模型足够简单且具有充分的分析性，则可以通过分析确定平衡，并根据平衡的稳定性对其进行描述，就像过去在[13]中所做的那样。然而，在调查的案例中，这种方法是不可能的，因为无论是操纵模型[19]，还是风力模型[24]都不是完全可解析的。因此，一个完整的数值分岔分析已被应用。在[27][28]中可以找到类似的方法，虽然它不适用于拖航，但适用于在风中进行船舶操纵。该方法可概括如下。

考虑一个通用分岔参数?（例如被拖船上的拖曳点纵向位置、风速、hellip;hellip;），通过使用参照固定在拖船上的参照系的经过转换的状态变量寻求动力系统的平衡:

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