張先波，李?yuàn)?，孫運(yùn)佳，劉志遠(yuǎn)

（中交天津港灣工程研究院有限公司，中國(guó)交建水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

系泊滾裝船在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

張先波，李?yuàn)?，孫運(yùn)佳，劉志遠(yuǎn)

（中交天津港灣工程研究院有限公司，中國(guó)交建水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

通過對(duì)40槽車滾裝船在不同波浪下的系泊模型試驗(yàn)，揭示了系泊船舶分別隨波高變化和波浪周期變化其運(yùn)動(dòng)量的變化規(guī)律，討論了不同波向?qū)Υ斑\(yùn)動(dòng)的影響，研究成果對(duì)沿海及內(nèi)河槽車滾裝船系泊作業(yè)具有重要的參考價(jià)值。

滾裝船；系泊；作業(yè)；船舶運(yùn)動(dòng)量

0 引言

滾裝船本身無裝卸設(shè)備，一般在船側(cè)或船的首、尾有開口斜坡連接碼頭，裝卸貨物時(shí)，汽車直接開進(jìn)或開出船艙。這種船的優(yōu)點(diǎn)是裝卸效率高，船舶周轉(zhuǎn)快和水陸直達(dá)聯(lián)運(yùn)方便；缺點(diǎn)是重心高，穩(wěn)性較差，船舶受波浪影響較大，進(jìn)行系泊作業(yè)時(shí)對(duì)波浪條件要求較高?；谏鲜鲈?，以40槽車滾裝船為例，結(jié)合文獻(xiàn)[1-3]中關(guān)于船舶裝卸作業(yè)允許運(yùn)動(dòng)量的要求，通過船舶系泊物理模型試驗(yàn)的方法，研究船舶運(yùn)動(dòng)量分別隨波浪波高和波浪周期的變化關(guān)系。

1 船舶尺寸及試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)采用40槽車滾裝船，考慮滿載和壓載兩種載度，船型尺度以及有關(guān)動(dòng)力參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)船型的尺度及動(dòng)力參數(shù)Table1 Ro-ro scale and parameters

1）試驗(yàn)水位及波浪

表2為試驗(yàn)采用的波浪要素，進(jìn)行了滿載設(shè)計(jì)低水位和壓載設(shè)計(jì)高水位測(cè)定，其中設(shè)計(jì)高水位4.04 m，設(shè)計(jì)低水位0.53 m。

表2 試驗(yàn)波浪要素Table2 Wave parameters

2）系纜布置及護(hù)舷

纜繩為72 mm的尼龍纜，其破斷力為740 kN，單根纜繩的允許拉力為333 kN。系纜方式為1-2-2-2-2布置（艏纜1根，艏艉橫纜2根，艏艉倒纜2根，艉纜2根）。

滾裝船碼頭護(hù)舷采用500H拱型橡膠護(hù)舷，設(shè)計(jì)反力344 kN，設(shè)計(jì)吸能72 kJ（變形52.5%），最大反力476 kN（變形55%）。系纜布置及護(hù)舷見圖1。

圖1 系纜布置圖及護(hù)舷位置Fig.1 Ship mooring figure and fenders'locations

2 試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)比尺

試驗(yàn)在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中進(jìn)行，采用正態(tài)模型設(shè)計(jì)，模型幾何比尺λ為1∶30，試驗(yàn)波浪采用不規(guī)則波，譜型采用JONSWAP譜，γ取3.3。

2）護(hù)舷及纜繩的模擬

護(hù)舷模擬確保模型護(hù)舷的反力-變位曲線及能量吸收曲線與原型相似。

纜繩模擬保證纜繩的長(zhǎng)度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線和理論曲線基本一致。纜繩的長(zhǎng)度為脫纜鉤到出纜孔的距離與出纜孔到絞車的距離之和；纜繩的受力-伸長(zhǎng)曲線按JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》給出的公式進(jìn)行計(jì)算。

3）數(shù)據(jù)分析

考慮到車輛都是經(jīng)由艏艉踏板上、下船，所以試驗(yàn)船舶是以艏部踏板處的X、Y、Z為準(zhǔn)。

3 研究成果分析

3.1 系泊船舶運(yùn)動(dòng)量隨波浪波高的關(guān)系

試驗(yàn)表明，系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量隨波高增大而增大。90°波浪作用時(shí)，船舶的橫移和橫搖隨著波高的增大變化幅度較大，45°和0°波浪作用時(shí)船舶的縱搖和升沉變化較為明顯。圖2和圖3是波浪平均周期6 s時(shí)系泊船舶橫移和橫搖隨波高的變化曲線。

對(duì)于滿載和壓載兩種不同船舶裝載狀態(tài)，船舶的運(yùn)動(dòng)量變化規(guī)律不盡相同。相同的波高下，滿載和壓載兩種狀態(tài)下90°波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量均大于45°和0°時(shí)。在滿載時(shí)，45°波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量大于0°波浪作用時(shí)；壓載時(shí)，則是0°波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量大于45°波浪作用時(shí)。

表3列出了滿載和壓載狀態(tài)下船舶在90°波浪平均周期為6 s時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)量。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得到：

1）系泊船舶的各運(yùn)動(dòng)量都隨著波高增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

2）波浪條件相同的試驗(yàn)條件下，90°波浪作用時(shí)對(duì)船舶的作用比45°和0°時(shí)更加顯著，船舶運(yùn)動(dòng)量明顯大于45°和0°波浪時(shí)。

3）對(duì)比船舶的各運(yùn)動(dòng)量變化，90°波浪對(duì)船舶的橫移和橫搖運(yùn)動(dòng)量影響更顯著，45°和0°波浪對(duì)船舶的縱搖和升沉影響較為明顯，而船舶的縱移和回轉(zhuǎn)隨著波高增大增幅較小。

4）滿載和壓載兩種不同的船舶裝載狀態(tài)下，船舶的運(yùn)動(dòng)量也不盡相同。滿載狀態(tài)下，90°波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量大于45°和0°波浪作用時(shí)，45°波浪作用時(shí)船舶的運(yùn)動(dòng)量大于0°時(shí)；壓載狀態(tài)下，0°波浪作用時(shí)船舶的運(yùn)動(dòng)量大于45°時(shí)。

圖2 波浪平均周期6 s時(shí)系泊滾裝船橫移運(yùn)動(dòng)量三分之一大值Fig.2 Significant swaying values under the action of waves of T=6 s

圖3 波浪平均周期6 s時(shí)系泊滾裝船橫搖運(yùn)動(dòng)量三分之一大值Fig.3 Significantrowing values under the action of waves of T=6 s

表3 波高變化時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量三分之一大值Table3 Significantship motion values under the action ofdifferentwave heights

3.2 系泊船舶運(yùn)動(dòng)量隨波浪周期的關(guān)系

試驗(yàn)表明，與系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量隨波高增大而增大不同，周期對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)量的影響并不是隨著波浪周期的增大船舶運(yùn)動(dòng)量也增大。90°波浪作用時(shí)，船舶的縱移出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象，橫搖也出現(xiàn)了從波浪平均周期為4～5 s時(shí)增幅較大，而5～6 s時(shí)增幅變緩甚至不增長(zhǎng)的現(xiàn)象；在45°和0°波浪作用時(shí)，升沉和縱搖隨著波浪的增大而增大，橫移和橫搖則變化幅度并不明顯。圖4和圖5是波浪H4%=0.6 m時(shí)系泊船舶橫移隨周期的變化曲線。

對(duì)于滿載和壓載兩種不同的船舶裝載狀態(tài)，

船舶的運(yùn)動(dòng)量變化規(guī)律不盡相同，滿載時(shí)基本上都是45°波浪作用時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)量大于0°波浪時(shí)，而壓載時(shí)則是0°波浪作用時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)量大于45°波浪時(shí)。同樣的波浪條件下，并非90°波浪作用時(shí)船舶的各運(yùn)動(dòng)量都大于45°波浪和0°波浪時(shí)。升沉和縱搖隨著波浪周期的增大，三個(gè)波浪方向的運(yùn)動(dòng)量互有大小。

表4分別列出了滿載和壓載狀態(tài)下船舶在90°波浪波高H4%=0.6 m時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)量。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得到：

圖4 H4%有效波高0.6 m時(shí)系泊滾裝船橫移運(yùn)動(dòng)量三分之一大值Fig.4 Significantswaying values under the action of waves of H4%=0.6 m

圖5 H4%有效波高0.8 m時(shí)系泊滾裝船橫移運(yùn)動(dòng)量三分之一大值Fig.5 Significantswaying values under the action of waves of H4%=0.8 m

表4 波浪周期變化時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量三分之一大值Table4 Significant ship movements under the action of different wave periods

1）船舶的各運(yùn)動(dòng)量并非都是隨著波浪周期的增大而增大，個(gè)別運(yùn)動(dòng)量出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象。

2）同一波浪條件下，并非90°波浪作用時(shí)，船舶的運(yùn)動(dòng)量都大于45°和0°波浪時(shí)，隨著波浪周期的增大，三個(gè)波浪方向的縱搖互有大小。

3）45°和0°波浪作用時(shí)，升沉隨著波浪周期增大變化幅度較大，縱移、橫移和橫搖隨著波浪周期增大變化幅度較小。

4）船舶運(yùn)動(dòng)量在滿載狀態(tài)下45°波浪時(shí)大于0°波浪時(shí)，而在壓載狀態(tài)下0°波浪又大于45°波浪時(shí)。

5）船舶橫搖在波浪平均周期為4～5 s時(shí)增幅較大，在5～6 s時(shí)增幅變緩甚至不增長(zhǎng)，這可能是波浪周期接近船舶的橫搖周期。

6）在波浪平均周期4 s，45°波浪和0°波浪時(shí)，船舶的運(yùn)動(dòng)量相差不大，但是隨著波浪周期的增大，波浪周期對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)量的影響出現(xiàn)變化。

4 結(jié)語

通過對(duì)40槽車滾裝船在不同波浪下的系泊模型試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）系泊船舶的各運(yùn)動(dòng)量都隨著波高增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但各運(yùn)動(dòng)量并非都是隨著波浪周期的增大而增大。

2）本次試驗(yàn)中，滿載狀態(tài)下45°波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量大于0°波浪作用時(shí)，而壓載狀態(tài)下0°波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量又大于45°波浪作用時(shí)。

3）在波浪波高相同、波浪周期由小到大的試驗(yàn)條件下，由于船舶的固有周期接近于波浪周期，船舶個(gè)別運(yùn)動(dòng)量出現(xiàn)了先是增幅較大到變緩甚至不增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

[1]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 165—2013,Design code ofgenerallayoutforsea ports[S].

[2]OCIMF.Mooring equipmentguidelines[M].3rd Edition.2008.

[3]PIANC.Criteria for movements of moored ship in harbours[R]. Brussel:PIANC,1995.

Moored ro-ro dynamic response in different wave conditions

ZHANG Xian-bo,LIShan,SUN Yun-jia,LIU Zhi-yuan
（Tianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,CCCC Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics of CCCC,Tianjin 300222,China）

Based on 40 tank car ro-ro mooring ship physicalmodeltests under differentwave conditions,we illustrated the law ofmooring ship motion respectively in differentwave heights and wave periods,discussed the influence of the ship's motion by differentwave directions.Research results can be considered as an importantreference value on coastaland inland water ro-ro mooring operation.

ro-ro;mooring;operation;ship motions

U652.3

A

2095-7874（2015）12-0041-05

10.7640/zggwjs201512010

2015-06-23

2015-12-05

張先波（1982—），男，山東荷澤人，碩士，工程師，港口海岸及近海工程專業(yè)。E-mail：zhangxianbo@tpei.com.cn