張先波，楊亞先，呂迎雪，黃宣軍，孫士勇（.中交天津港灣工程研究院有限公司 中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 00；.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 00；.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 000）

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系泊船舶艉部與重心運(yùn)動(dòng)量差異的試驗(yàn)研究

張先波1，楊亞先2，呂迎雪1，黃宣軍1，孫士勇3
（1.中交天津港灣工程研究院有限公司 中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；3.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

摘要：通過對40車滾裝船在波浪作用下的尾部踏板與重心位置運(yùn)動(dòng)對比船舶系泊物理模型試驗(yàn)，得到了在相同的試驗(yàn)條件下，系泊船舶各運(yùn)動(dòng)量在艉部踏板和重心位置的差異，并分析了造成差異的原因，研究成果對沿海及內(nèi)河槽車滾裝船裝卸作業(yè)有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：重心；艉部；作業(yè)；船舶運(yùn)動(dòng)量

引 言

在進(jìn)行船舶系泊物理模型試驗(yàn)時(shí)，一般都是通過測定船舶重心處的運(yùn)動(dòng)量和裝卸作業(yè)允許的船舶運(yùn)動(dòng)量作對比，看其是否滿足船舶裝卸作業(yè)的要求［1～5］。但對于滾裝船而言，本身無裝卸設(shè)備，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。所以，為了汽車進(jìn)、出船艙安全，對于船舶艏、艉踏板處的運(yùn)動(dòng)量也有限制要求。

基于上述原因，本文以 40槽車滾裝船為例，開展了系泊船舶在波浪作用下船舶艉部踏板和重心位置運(yùn)動(dòng)量差異的物理模型試驗(yàn)研究。

1 船舶尺寸與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)船型采用 40車滾裝船，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)

1.1 試驗(yàn)水位及波浪

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

表2 試驗(yàn)波浪要素

1.2 系纜布置及護(hù)舷

試驗(yàn)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)舷均采用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 %），最大反力為476 kN （變形55 %）。系纜柱及護(hù)舷布置見圖1。

圖1 系纜布置圖及護(hù)舷位置

2 試驗(yàn)方法

2.1 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 。

2.2 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度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線要和理論曲線基本一致。纜繩的長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～伸長曲線按《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》給出的公式進(jìn)行計(jì)算。

2.3 數(shù)據(jù)分析

縱移向船艏方向?yàn)檎瑱M移離開碼頭為正，升沉向上為正，縱搖船艏向下艏艉向上為正，橫搖甲板離開碼頭為正，回轉(zhuǎn)船艏離開碼頭為正。

3 研究成果分析

本次研究進(jìn)行了不同波浪條件的船舶重心和艉部運(yùn)動(dòng)量差異的對比，波浪當(dāng)波高和周期較小時(shí)，船舶重心和艉部的運(yùn)動(dòng)量略有差別，但總體差別不大，但當(dāng)波浪波高和周期都增大時(shí)，運(yùn)動(dòng)量差異就會呈現(xiàn)不同程度的變化，有的略有差別，有的變化明顯。總之，在船舶的運(yùn)動(dòng)的六個(gè)運(yùn)動(dòng)量中，線位移量（縱移、橫移、升沉）有變化，角度量（縱搖、橫搖、回轉(zhuǎn)）則變化不大。

通過比較分析不同波浪條件下的運(yùn)動(dòng)量差異，為今后艏、艉上下汽車的滾裝船系泊作業(yè)提供參考。限于文章篇幅，本文只針對H4%波高為0.8 m，波浪平均周期為5 s的研究成果進(jìn)行分析說明。

3.1 90°波浪時(shí)船舶艉部與重心的運(yùn)動(dòng)量差異

通過分別對比滿載和壓載裝載度時(shí)船舶重心和艉部運(yùn)動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)系泊船舶的六個(gè)運(yùn)動(dòng)量中角度（縱搖、橫搖、回轉(zhuǎn)）的變化量不大，而位移（縱移、橫移、升沉）卻呈現(xiàn)出不同程度的變化。

1）船舶三個(gè)位移運(yùn)動(dòng)量中升沉變化較大，運(yùn)動(dòng)量差異值在50 %左右，橫移也出現(xiàn)超過20 %的差異，且運(yùn)動(dòng)量都是船艉時(shí)大于重心處；對于三個(gè)角度運(yùn)動(dòng)量來說，變化幅度不大，均未超過15 %。

2）在波浪用下，船舶各運(yùn)動(dòng)量并不是相互孤立的，造成船舶重心和艉部運(yùn)動(dòng)量差異是船舶各運(yùn)動(dòng)量共同作用的結(jié)果。分析造成運(yùn)動(dòng)量差別的原因，船舶縱搖肯定是造成升沉差別較大的因素之一，由于縱搖的原因，使得船舶重心和艉部運(yùn)動(dòng)的幅度產(chǎn)生差別，從而造成重心和艉部的升沉差別較大，一般情況下船舶艉部的升沉大于重心處；同樣，由于回轉(zhuǎn)的原因，使得船舶重心和艉部橫移也會產(chǎn)生差別，一般情況下船舶艉部的橫移大于重心處。

表3和表4分別列出了90°波浪作用時(shí)滿載和壓載裝載度下重心和艉部運(yùn)動(dòng)量及其差異的比較，表中：差異=（重心-艉部）/重心。

表3 90°波浪滿載時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量比較

表4 90°波浪壓載時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量比較

3.2 45°波浪時(shí)船舶艉部與重心的運(yùn)動(dòng)量差異

1）45°波浪作用下，系泊船舶的六個(gè)運(yùn)動(dòng)量中橫移和升沉變化較大，其他運(yùn)動(dòng)量則變化不大（滿載時(shí)橫搖變化較為明顯）。

2）船舶運(yùn)動(dòng)量中升沉和橫移變化較大，且運(yùn)動(dòng)量都是船艉時(shí)大于重心處；其中滿載時(shí)，橫移和升沉比壓載時(shí)變化更大，幅度達(dá)100 %以上。

正如 90°波浪時(shí)所分析，船舶縱搖是造成升沉差別較大的因素之一，且船舶艉部的升沉大于重心處；由于回轉(zhuǎn)的原因，使得船舶重心和艉部橫移也會產(chǎn)生差別，一般情況下船舶艉部的橫移大于重心處。表5和表6分別列出了45°波浪作用時(shí)滿載和壓載裝載度下重心和艉部運(yùn)動(dòng)量及其差異的比較。

表5 45°波浪滿載時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量比較

表6 45°波浪壓載時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量比較

3.3 0°波浪時(shí)船舶艉部與重心的運(yùn)動(dòng)量差異

在0°波浪自船艏至船艉傳播的作用下，系泊船舶的六個(gè)運(yùn)動(dòng)量中升沉變化較大，其他運(yùn)動(dòng)量則變化不大。

1）船舶三個(gè)位移運(yùn)動(dòng)量中升沉變化較大，運(yùn)動(dòng)量差異值基本都在60 %左右，且運(yùn)動(dòng)量都是船艉時(shí)大于重心處；其他運(yùn)動(dòng)量變化幅度不大，均未超過20 %。

2）通過 0°波浪可以分析，在波浪作用下，船舶艏艉隨著波浪此起彼伏，造成艏艉升沉運(yùn)動(dòng)量大于重心處的運(yùn)動(dòng)量。

表7和表8分別列出了90°波浪作用時(shí)滿載和壓載裝載度下重心和艉部運(yùn)動(dòng)量及其差異的比較。

表7 0°波浪滿載時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量比較

表8 0°波浪滿載時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)量比較

4 結(jié) 語

1）波浪條件不同對于船舶重心和艉部運(yùn)動(dòng)量的影響也有不盡相同。波向?yàn)?0°和45°時(shí)，船舶重心和艉部的橫移和升沉也有所不同，波向?yàn)?°時(shí)，主要是船舶升沉有所不同，且均是艉部的運(yùn)動(dòng)量大于重心處。

2）波浪用下，船舶的各運(yùn)動(dòng)量并不是相互孤立的，而是相互耦合，造成船舶重心和艉部運(yùn)動(dòng)量的差異是船舶各運(yùn)動(dòng)量共同作用的結(jié)果。

3）對于系泊作業(yè)的船舶，當(dāng)對船舶艏、艉運(yùn)動(dòng)量也有要求時(shí)，為了工程安全起見，在進(jìn)行系泊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對船舶的艏、艉運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行測定。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張先波.浙江舟山液化天然氣（LNG） 接收及加注站項(xiàng)目一期工程船舶系泊物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告（滾裝船碼頭部分）［R］.天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2015， 5.

［2］ 黃宣軍.浙江舟山液化天然氣（LNG） 接收及加注站項(xiàng)目一期工程船舶系泊物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告（LNG碼頭部分）［R］.天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2015， 3.

［3］ 黃宣軍.河北滄州黃驊港LNG項(xiàng)目系泊船舶運(yùn)動(dòng)物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2014， 9.

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［5］ 張先波.廣廈（舟山）能源集團(tuán)有限公司黃澤山油品中轉(zhuǎn)儲運(yùn)項(xiàng)目船舶系靠泊物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2012.

Physical Model Study of Ship Motion Differences between Stern and Center of Gravity for Moored Ro-Ro Ship

Zhang Xianbo1， Yang Yaxian2， Lyu Yingxue1， Huang Xuanjun1， Sun Shiyong3
（1.CCCC Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics， CCCC Tianjin Port Engineering Institute， Tianjin 300222， China；2.CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China；3.CCCC Third Harbor Consultants Co.， Ltd.， Shanghai 200032， China）

Abstract：Based on 40 tank car ro-ro mooring ship physical model tests ， the difference of ship motions between the center of gravity and stern are compared in the same wave conditions， the causes of the differences are analyzed.Research results can be Considered as an important reference value on coastal and inland water ro-ro mooring operation.

Key words：center of gravity；stern；operation；ship motions

中圖分類號：U661.33+8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0013-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160203

收稿日期：2015-07-13

作者簡介：張先波（1982-），男，工程師，主要從事港口海岸及近海工程試驗(yàn)研究。