穿越浪溅区
浪溅区是水下吊装负载穿过水面波浪的区域。这里的砰击力、浮力、阻力和附加质量如何影响吊索受力，松弛的吊带如何产生冲击载荷，以及被动升沉补偿器在一项35 t罩盖吊装研究中的作用。
- 这里有四种作用：水撞击物体时产生砰击力，物体逐渐入水时浮力增大，物体在水中运动时受到阻力，以及周围的水随物体运动时产生附加质量效应。
- 如果向上的力超过物体重量，吊带就会松弛，随后突然绷紧。 DNV-RP-N103 要求向上的水动力不超过物体最小水中重量的90 %。
- 在我们针对Hs 1.8 m条件下35 t玻璃纤维增强塑料（GRP）罩盖的研究中，RIGEL 75 t / 4.5 m将吊索峰值载荷从1,846 kN降至655 kN，并消除了所有吊带松弛事件；行程余量是限制因素。
连续穿越浪溅区只需一两分钟；如果吊装过程中需要暂停以待进水或排气，则会更久。但这一阶段往往决定整个吊装作业允许的海况。载荷在这里变化最快，重量轻、面积大的负载入水时可能使吊带松弛。
什么是浪溅区
浪溅区是水线附近负载一部分在空气中、另一部分在水中的区域。其高度并非固定的米数：它随波峰、波谷及吊臂端点的运动变化，因此会随海况和船舶响应增大。物体下放时会穿越该区域；如需回收，上提时还会再次穿越。
改变吊索载荷的四种作用
- 砰击力。 物体入水时，水撞击其底部及水平表面。该力与冲击速度的平方成正比， F_{\text{slam}} = \tfrac{1}{2} \rho\, C_s A_s v_s^2, 其中 C_s 是砰击系数（在简化方法中，光滑圆柱体至少取3，其他形状至少取5）， A_s 是迎水面积。砰击力持续时间短、峰值高，往往决定负载和索具的结构校核。
- 阻力。 水会阻碍物体在其中运动。阻力与相对速度的平方成正比， F_D = \tfrac{1}{2} \rho\, C_D A_p v_r^2, 其中 A_p 是从下方观察到的投影面积；对大型平板状负载，阻力可能超过其水中重量。
- 变化的浮力。 随着物体逐渐入水，浮力会分担吊索承受的部分重量；每一道经过的波浪都会改变浸没体积，从而改变吊索载荷， F_\rho = \rho\, \delta V g.
- 附加质量。 物体周围的水必须随之加速，因此物体入水后所需加速的有效惯性增大。吊臂端点和波浪都在运动，由此产生与相对加速度成正比的力。
浮力的影响取决于负载。密实的钢结构在水中仍保留大部分重量；同体积下较轻的物体，如GRP罩盖或带有大型舱罐的模块，则会失去很大一部分水中重量（实心GRP约失去一半），同时其大面积又承受波浪作用（图1）。我们的 水下吊装 一文以数值说明阻力和附加质量。
吊带松弛与冲击载荷
如果浮力和波浪向上的作用力超过物体重量，吊带就会松弛。片刻后再次绷紧时，吊索会承受冲击载荷，通常远高于静态重量。 DNV-RP-N103 的简化方法将这四种作用合并为一个特征水动力 F_{\text{hyd}}，并通过以下准则避免吊带松弛：
如果无法排除吊带松弛，该方法根据冲击速度、起升系统刚度以及包含附加质量的物体质量，计算冲击载荷：
升沉补偿器的作用
被动升沉补偿器串联安装在吊钩与吊带之间，使起升系统具有柔性。其气弹簧以行程吸收吊臂端点的运动，而不是将其传给吊带，从而消除物体相对水运动中由吊机带来的部分；水自身的运动仍然存在。阻力和附加质量力随之减小，较低的刚度 K 还会降低上式中的冲击载荷。按具体工况选型后，它可使吊带保持张紧。
但它也有三个限制。补偿器穿越浪溅区时不能耗尽行程，否则峰值载荷会再次出现。随着物体入水，吊索承受的重量下降，补偿器的平衡位置随之移动，因此需要核查穿越过程每个阶段的可用行程。此外，柔性系统的固有周期较长：只有波浪周期明显短于固有周期时，才能有效隔离负载；接近固有周期时，运动反而会放大。因此，吊装模型必须根据作业波浪周期核查系统调谐。
诸如 ANTARES 这样的自适应被动升沉补偿器可在穿越浪溅区时切换到刚度更高、阻尼更大的设定，使重量变化和波浪载荷占用更少行程，穿过后再恢复较柔的设定。
案例：Hs 1.8 m条件下的35 t GRP罩盖
在我们的CONSTELLATION研究 CS-2026-004中，一件35 t玻璃纤维增强塑料（GRP）防护罩盖从工程船下放，在Hs 1.8 m、Tp 7.5 s的海况下穿过水面。此类负载颇具挑战：罩盖是面积大、壁薄且相对尺寸较轻的壳体，入水时可能被波浪抬起。我们以相同负载、海况和索具，对八组波浪实现分别采用刚性索具及 RIGEL 75 t / 4.5 m设备进行计算。
| 八组波浪实现中的最不利结果 | 刚性索具 | 使用RIGEL |
|---|---|---|
| 吊索峰值载荷，对比RIGEL设备的736 kN SWL | 1,846 kN (2.5×) | 655 kN (89 %) |
| 负载DAF，对比我们设定的2.0筛选值 | 5.38 | 1.91 |
| 单次计算中的吊带松弛事件 | 11 | 0 |
| 冲击载荷比，对比0.90吊带松弛限值 | 1.00 | 0.36 |
| 控制端（回缩端）的行程使用率，对比我们设定的90 %余量限值 | 无补偿器 | 98.4 % |
八次计算中，刚性索具的DAF介于3.41至5.38，使用RIGEL时介于1.15至1.91；控制端的行程使用率介于83至98 %。冲击载荷比表示吊索张力低于水中重量的降幅占该重量的比例：达到1.00时吊带松弛，其0.90限值是将 DNV-RP-N103 的吊带松弛准则应用于模拟张力的结果。DAF和行程筛选值是本研究采用的参考值，并非DNV限值。
在每一组波浪实现中，使用补偿器的计算结果均通过了全部四项响应筛选。行程是限制因素：八组中有四组在控制端（回缩端）使用了超过90 %的行程，最高达98.4 %，但未触及行程终点，因此实际吊装前需要复核调谐设定。在Hs 2.0 m条件下，所有已测试的设定都未通过全部四项筛选。 阅读GRP罩盖研究 →
穿越作业规划
- 筛选海况。 结合吊臂端点处的船舶运动，对作业涉及的不同波高、周期和来浪方向进行穿越分析。分析结果给出作业包络范围； 气象窗口 要求整个作业期间的预报海况都保持在该范围内。
- 选择穿越速度。 下放速度越快，在浪溅区停留的时间越短，但冲击速度和砰击力越大。 DNV-RP-N103的简化方法通常采用0.5 m/s的吊钩速度；我们的案例以0.16 m/s下放。
- 核查张力上下限。 最小张力决定吊带是否松弛；峰值载荷决定吊机、钢丝绳和索具能否承受。两者都必须核查。
- 通过时域分析确认。 建立包含波浪、船舶、吊机与索具、物体水动力及补偿器的时域模型，计算张力、运动和行程，完成最终核查。 CONSTELLATION 可在有无补偿器两种情况下进行分析。
来源与假设
- 砰击力、阻力、变化的浮力、吊带松弛准则及冲击载荷均依据 DNV-RP-N103，其旧编号为 DNV-RP-H103.
- 本案例来自我们的CONSTELLATION研究 CS-2026-004 （修订版C，2026年8月5日）：35 t GRP罩盖，RIGEL 75 t / 4.5 m，Hs 1.8 m，Tp 7.5 s（JONSWAP），八组各120 s的波浪实现；表中每个数值均为对应指标的最不利值。736 kN SWL是RIGEL 75 t设备的额定值，吊索载荷在罩盖上方的四肢吊带组中测量。罩盖为15 × 12 × 3 m的壳体，排水体积为10.73 m³，在水中保留约69 %的重量。本研究属于初步筛选，并非经认证的分析。
- 图1为示意图：钢的密度取7.85 t/m³，实心GRP取约1.9 t/m³，波浪驱动的作用力见图注。
常见问题
什么是浪溅区？
浪溅区是水线附近被吊物一部分在空气中、一部分在水中的区域。其高度随波浪和吊臂端点运动变化，因此也随海况和船舶响应变化。
为什么浪溅区往往是水下吊装的关键阶段？
这里的载荷变化最快：水撞击物体时产生砰击力，物体入水时浮力变化，在水中运动时受到阻力，周围的水随之运动时产生附加质量效应。重量轻、面积大的物体可能使吊带松弛，随后承受冲击载荷；这一穿越阶段往往决定可进行吊装的海况。
什么是冲击载荷？
松弛的吊带或钢丝绳再次绷紧时产生的短时高峰值载荷。 DNV-RP-N103 要求向上的水动力不超过物体最小水中重量的90 %，以避免这种载荷，并在无法避免时给出其计算方法。
升沉补偿器如何帮助穿越浪溅区？
它以行程吸收吊臂端点运动，减少物体相对水运动中由吊机带来的部分，从而降低作用力。按具体工况选型并留有足够行程时，它能使吊带保持张紧。在我们针对Hs 1.8 m条件下35 t GRP罩盖的研究中，RIGEL 75 t / 4.5 m将吊索峰值载荷从1,846 kN降至655 kN，且消除了所有吊带松弛事件。
哪些负载最难穿越浪溅区？
同体积下较轻且面积大的负载：罩盖、舱罐和有浮力的模块入水后会失去很大一部分水中重量，同时大面积又会承受波浪作用和水阻力。密实的钢结构在水中保留大部分重量，相对更容易吊装。
哪种补偿器适合浪溅区作业？
如果一个设定适合整个吊装过程，可选RIGEL或CYGNUS；如果穿越浪溅区时需要比其他阶段更高的刚度和阻尼，可考虑自适应被动升沉补偿器ANTARES。应在针对具体负载和海况的吊装模型中核查选型。
要让负载穿越浪溅区？
请向我们提供：
- 负载质量、几何形状和浮力
- 索具、吊机及船舶资料
- 海况、穿越速度及验收准则
我们将使用CONSTELLATION分别模拟有无补偿器时的穿越过程，并确定设备规格。
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