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1、海上拖航拖带力计算摘要大型海洋工程设施与无动力船舶在海洋上的拖航需求已日益增多。但是海上拖航作业环境 复杂多样，风和浪等多种不确定因素造成的阻力会影响到拖航作业所需要的拖带力，这影响到 了海上拖航的安全性，本文主要研究在不同环境下船舶所受到的阻力影响，其中包括空气阻力 和水阻力以及拖带时缆绳所受的拉力，以根据与此相关的经验公式计算船舶拖航时的各种阻力， 从而规范配备相应得拖轮以符合拖航作业的需求，但由于目前对拖航阻力的计算方法各有不同， 本文首先介绍海上拖航指南2011当中的经验公式并且进行相应的阻力分析，再综合比较其 他计算方法的利弊。本文通过Excel软件实现拖航阻力的计算，以此来分析不同
2、因素下以及不 同计算方法所造成的拖航阻力的变化，并通过相关实例进行验证计算方法。关键词：远洋拖航；阻力分析；拖缆拉力；分类计算海上拖航拖带力计算1 引言1.1课题研究的背景和意义伴随着贸易的提升以及海运经济的发展，人们对资源的需求从陆地上的矿产资源转移了资源更 加丰富的大海，这也促使了海洋资源设施的不断发展，而大型的海上工程往往都大型化、专业化、 造价高，拖航作业需要大面积的水域，出于节约成本的考虑，大部分海洋不具有自航性，因此很需 要有拖航来进行辅助作业，但是由于拖航作业执行的环境条件存在很多的不确定性，例如风、浪、 通航环境等条件，多种因素的影响会导致拖带作业时发生碰撞、搁浅、偏航和断缆等
3、意外。因此作 业工程存在一定的风险。因此对拖航作业当中涉及到的拖航阻力需要进行较为精准的计算，从而选 择合适的拖轮以满足被拖船的拖带需求，保证拖航作业有序安全地进行。但是由于拖航阻力的计算 方法比较繁杂，在多种情况下的计算方式各不相同，目前大多数拖航作业都是的阻力估计只能依靠 大概的数值，为了拖航的安全性，从而选择拖带力比较大的拖轮设备。本课题研究在拖航作业过程中，在不同因素下拖船以及被拖船所受到的各种阻力以及缆绳所能 起到的拉力，并探究不同阻力环境下所能达到的速度范围，为了保障海上的拖航安全，从不同的情 况下探究拖航拖带力的计算公式，合理安排拖带方式、拖轮配备方案等，从而能够顺利得进行，拖
4、轮拖带力的计算有助于模拟拖航作业环境，为有关科研人员提供阻力计算的参考，有助于更精确的 拖航仿真系统的建立，从而预判可能出现的风险，在风险面前及时采取应对设施，保障拖航作业的 实施，以及拖船与被拖物的财产安全。1.1国内外研究现状在国内，杨西阳在对海上的大型海洋结构的阻力分析上运用了多种计算方法。李昌伟对在狭窄 区域拖航环境中风和流的作用力进行了更准确的计算。严似松、黄根余在静水中以及风浪中的拖航 运动建立了数学模型，并将悬链线模型应用到了拖缆阻力的计算上。沈浦根船长对拖航的阻力计算 还考虑到了被拖物表面微生物和艏部形状不同对拖航阻力的影响，并且在拖航指南与owing 对比空气阻力的估算上认为
5、，比较合理的方式是风速V以现场迎风风速加上拖航速度展开估算。刘 艳敏、周佳等对缆绳张力的计算方法做了一定的研究。李伟峰，史国友从风、流、波浪对平台的作 用力角度出发探究了拖航阻力估算的方法。日本学者Yukawau研讨了拖带过程中的缆绳张力随两船 间距变动的状况，以及分析拖航的航向角对拖航时运动的影响。Wulder等人运用实时的仿真研究了 港内大船操纵运动中拖船与被拖船的相互作用力与三种不同类型的拖航助操工况的关系。1.2研究内容和框架本文的第一部分主要为绪论部分，介绍了该课题研究背景和研究意义。第二章依据海上拖航指 南以及相关文献，介绍了海上拖航的概念，以及种类，流程。第三章主要介绍了拖航作业
6、中所涉及 到的相关计算，而且运用不同的经验公式进行阻力的估算。第四章主要是对于实际情况下对拖航作 业相关计算的验证，并用Excel软件进行简易的计算。第五章是总结和展望。2 理论基础2.1海上拖航的概念海上拖航是一种特殊的船舶运动，是指具有大功率发动机的拖轮通过缆绳等连接设备将被拖物 拖至制定目的地的特殊海上作业。2.2拖航系统的组成拖航系统的结构包括拖轮、被拖船和拖缆结构。按照拖轮数量、作业形式和被拖结构数量的不同，拖航的组成也会有一定的差异。按拖航区域 分，有内河拖船、沿海拖轮、远洋拖轮，其中后两者又可以合称为海洋拖轮；本文主要探究海上拖 航，即海洋拖轮。依靠使用目的来分类，可以进一步区分
7、救助遇难船只的救助打捞拖轮，和协助船 舶及海洋结构物进出港操作的在港拖轮以及用来拖带作业平台和其它海上设施的一般作业拖轮。被拖结构一般定义为因意外失去动力的海上船舶或者等待建造需要在海上进行位移的海上工程 设施。除了传统意义上的船舶以外，还有海上浮式生产储油装置FPSO (Floating Production Storage Offloading)、钻井平台、水下探测器、海洋科学浮标、深潜器等海上工程设施。考虑到经济因素 和使用条件，绝大多数海上工程设施一般不具备自航能力，通常会在沿海建造完成之后由拖轮拖带 到指定的作业地点。拖缆结构一般会包括主拖缆、龙须缆、卸扣、拖缆桩及三角板等等。而且缆
8、绳是拖航作业不可 缺少的重要工具，缆绳的拉力负荷是决定拖航作业是否能安全进行的重要因素。海上拖航作业过程 中所选用的拖缆一般为钢丝缆。若是航程时间过长，一般还会有备用拖缆，且尽可能地与主拖缆分 别卷在各自地卷筒上，方便及时更换拖缆。2.3拖航阻力及其分类船舶航行时，船舶或工程设施会受到来自风与水流的阻力，而在拖航过程中可能还会受到拖缆 的相互作用力。风阻力对船舶的影响主要与受风面积有关，受风面积越大，阻力越大，风速越快， 阻力越大。而水阻力的成因一般可以归纳为下面以下：兴波阻力：无论被拖结构是船舶还是海洋平台，在水中航行时都会地激起不同程度的波浪，从 而使船体的压力分布发生改变，进而产生了船舶
9、及结构首尾的流体流动压力差，如果从能量的角度 也可以这样去理解兴波阻力，在拖航过程中，拖轮或者是被拖船都由内部动力或外部拉力牵引着前 进，但动力的本质是能量，兴波的过程可以形象地理解为将船前进的能量转化为海水当中的能量， 促使波浪的形成消耗了船舶前进的能量，并且构成了拖航阻力的一部分。摩擦阻力：水等流体在实际生活中具有一定的粘性作用，完全无粘性的流体是不理想的，这种 粘性作用会使得船舶及海洋结构物在航行中在结构表面形成“粘性层”，这种情况的形成会带动与 水接触的结构向前运动。即边界层的形成带动水层向前运动的局面，这种作用也就形成了前进中的 结构物与水层之间的切向力，因此而形成的摩擦力会阻碍船体
10、的运动，因此我们可以称之为粘性摩 擦阻力或直接简称为摩擦阻力。另外，因在海上航行的结构物不相同，因此也会出现很多附体结构 以及不同的线型，这种情况的改变会产生水压力的改变从而造成漩涡的形成，而这也是因为水的粘 性。2.4船舶拖航的流程在拖航作业开始之前，首先需要撰写拖航报告，通过查阅相关的海事法规对拖航作业的内容建 立相应的操作规范，以保证合理且正确的完成拖航作业的准备工作。因为海上的气象条件千变万化， 大风大浪极容易影响船舶的稳性，因此还需要观察相应的拖航天气状况与海况，以防风力过大而造 成船舶的严重偏荡。相关人员还应做好拖轮和被拖结构的检查工作，检查拖轮性能、配备应有的拖 带属具及备用属具
11、、足够的给养和油水并做好人员的出航教育和心理工作。以及核实日常交通状况， 并据此能够制订拖航船队出港时间计划。在拖航作业中应随时注意海况航区、水深变化以及拖航船队的情况，注意拖带长度的变化以及 被拖结构的偏荡情况以及拖带缆绳属具的磨损情况等。当拖航操作即将结束，船舶进港时，应仿照 船队出港的操作，及时了解所进港口的水文情况，适时适当地转换编队形式，低速安全地将被拖结 构拖航进港，对于不需要进港的海上拖带，应将被拖物或船只妥善安放卸载。拖航后：被拖结构进 港停船，拖航操作完成后，应尽早与相关部门取得联系，完成交接任务。同时，如有必要，应做好 被拖结构的装卸与安放工作、做好缆绳与拖带属具的收集和整
12、理等工作。3 拖航拖带力计算本章主要是通过相关公式研究拖带力与相关速度的关系3.1阻力计算公式对于拖航来说，海上拖航的各种风险情况的分析离不开船舶阻力的计算，只有在准确估算被拖 船以及拖船、拖缆等拖航组成部分的各项航行阻力的前提下，才能正确合理地选定拖轮，制定拖航 计划。但是影响拖航阻力的因素种类多样，例如被拖物的形状结构、拖航环境等都构成影响因素。 因此为了较为准确地计算出拖航阻力，一般会通过水池实验或者风洞模拟实验，但是这些方法都统 一存在费用高和耗时长等问题，因此实际工程一般采用经验公式进行推算。如中国船级社海上拖 航指南当中的计算公式，但是此经验公式依然存在着缺点，只能够大概估算阻力，
13、离实际还有些 偏差，因为该公式只考虑了摩擦阻力、剩余阻力以及空气阻力，而忽视了波浪作用下所引起的阻力。下面将根据不同的拖航阻力计算公式进行分析对比。传统经验公式按照海上拖航指南2011中的阻力估算公式，实际工程中往往采用该经验公式进行计算，海 上拖航的阻力Rt为Rt = 1.15气 + RB(KN)(1)R = 1.67AV 1.83 x 10-3 (KN)(2)R = 0.1475A V 1.74+0.15V (KN)(3)B2其中Rf为摩擦阻力；RB为剩余阻力；V为拖航速度；5为方型系数；A1为水下湿表面积(m2)；A2为浸水部分船中横剖面积(m2)；对于一般正常船舶，其水下湿表面积公式为
14、：q= L(1.7d +5B) m2(4)运输驳船、首尾有线形变化的箱型，其公式为：1 = 0.92L(B + 1.81d) m2对于首尾无线形变化的箱型船及水上结构，其公式为：A1 = L( B + 2d )m2(6)其中：L为船长;B为船宽;d为拖带吃水;5为方形系数而对于有些上层建筑受风面积大的船舶或者是自升式平台等海洋平台上部受风面积大的结构， 应该特别计算其风阻力影响，其拖航阻力应按下式计算。S R = 0.7( Rf + R) + RKN(7)其中Ra表示风力，且R = 0.5.pv2 2C A -10-3 KN(8)P为空气密度，kg/m3，按1.22kg/m3计算，v为风速，m
15、/s，取20.6m/s； Cs为受风面积所对应的形状系数，相关取值如表3-1所示；Ai为受风面积，m2,按顶风计算； S表3-1形状系数C值s形状C s球形0.4圆柱形0.5大的平面（船体、甲板室、平滑的甲板下面积）1.0成群的甲板室或类似结构物1.1钻井架1.25钢丝绳1.2甲板下暴露的梁和和桁1.3小部件1.4孤立结构形状（起重机、梁等）1.5在Towing中的空气阻力的估算方法还有R = 0.611 x （V + V）2 xZ C A x CH x 10-3（kN）该公式考虑的因素除了结构水线以上受风部分的面积Ai （顶风）、受风面积的形状系数Cs, 以及海区顶风的真风速VW、拖航的速度V夕卜，还把受风面积的几何中心高度系数CH考虑在内 了，由于风作用力会与上层建筑几何中心的高度成正比，因此越上层的建筑的风阻力也会越大，受 风面积的高度系数CH如表3-2所示表3-2高度系数CH几何中心距水线高度m高度系数CH0-15.31.015.3-30.51.130.5-46.01.246.0-61.01.3沈浦根拖航阻力公式沈浦根先生具有多年的拖航实践经验，且在拖航指南公式的基础上所总结出的阻力估算公式是 其中非常具有代表性的，尤其在计算实际拖带的拖航系统中显得更加准确。在沈先生提出的拖航阻 力估算方法中，总阻力除了摩擦阻力Rf和剩余阻力之RB外，还考虑了包
