趙振華，衛(wèi) 濤，王樹彪，賈成軍

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

系泊系統(tǒng)對(duì)于保證船舶、船員和碼頭的安全性而言至關(guān)重要，國內(nèi)外針對(duì)系泊系統(tǒng)所建的物理模型和所做數(shù)值研究較多。物理模型試驗(yàn)成本高、通用性差；計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法可彌補(bǔ)該不足，但需在計(jì)算前定義船舶水動(dòng)力性能特征等較多的參數(shù)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會(huì)耗費(fèi)較多計(jì)算資源，計(jì)算時(shí)間較長[1]。利用相關(guān)船級(jí)社和國際組織頒布的規(guī)范來計(jì)算船舶系泊力可較為合理地解決船舶系泊力計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性和安全性問題。

石油公司國際海事論壇（OCIMF）已通過大量的試驗(yàn)和模擬總結(jié)出相應(yīng)的系泊力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，通過給出船型、球艏形狀、液罐形狀、裝載工況和深度吃水比等綜合因素來確定船舶的安全系泊方案，可較為合理地描述環(huán)境載荷，相對(duì)于舾裝數(shù)計(jì)算，該方法能對(duì)系泊力進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算，模擬船舶的真實(shí)受力情況，準(zhǔn)確性和合理性要高[2]。本文簡(jiǎn)要介紹 OCIMF系泊力計(jì)算的方法和原理，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助系泊力計(jì)算，供國內(nèi)同行參考和借鑒。

1 系泊力計(jì)算原理

1.1 標(biāo)準(zhǔn)系泊模型

碼頭系泊的模式需根據(jù)船舶和碼頭的具體情況來確定。船舶行業(yè)針對(duì)碼頭系泊設(shè)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系泊模型，并考慮標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境載荷工況[3]。通常，艏部和艉部布置有數(shù)根橫纜（主要用來限制船舶的橫向運(yùn)動(dòng)），舯部靠艏艉附近布置有數(shù)根倒纜（主要用來限制船舶的縱向運(yùn)動(dòng)）。圖1為碼頭標(biāo)準(zhǔn)系泊模式示意。

圖1 碼頭標(biāo)準(zhǔn)系泊模式示意

1.2 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境載荷

作用在系泊狀態(tài)的船舶上的環(huán)境載荷主要有風(fēng)、海流、潮汐、過往船舶的船行波、波浪及冰載荷等。通常情況下，系纜若能抵抗最大的風(fēng)和海流作用力，則其他較緩和的外界作用力也被認(rèn)為是可承受的[4]。因此，規(guī)范對(duì)環(huán)境載荷的考慮主要涉及風(fēng)和流作用力。

考慮任意方向60kn的風(fēng)，同時(shí)考慮：0°或180°方向3kn的海流；10°或170°方向2kn的海流；90°方向0.75kn的海流。

風(fēng)速選取海平面以上10m高度處30s的平均風(fēng)速。若所給的風(fēng)速不是10m高度處的平均風(fēng)速，則需根據(jù)規(guī)范給出的公式換算成10m高度處的平均風(fēng)速。若計(jì)算過程中給出的海流流速不是平均流速，則需根據(jù)規(guī)范給出的公式換算成等效平均流速。

1.3 系泊力計(jì)算方法

1.3.1 力學(xué)模型

OCIMF系泊力計(jì)算所考慮的相關(guān)環(huán)境載荷主要是風(fēng)載荷和流載荷。在力和力矩的全局坐標(biāo)系下，船舶受到的環(huán)境載荷可分解成x軸的縱向力Fx和y軸的橫向力Fy，并外加一個(gè)分解到z軸的艏搖力矩Mxy。通常情況下，為方便計(jì)算，將全局坐標(biāo)系下y軸的橫向力Fy和z軸的艏搖力矩Mxy分解成艏柱處的橫向力FyF及艉柱處的橫向力FyA（見圖2）。

圖2 系泊力計(jì)算力學(xué)模型示意

1.3.2 風(fēng)載荷計(jì)算

影響風(fēng)載荷計(jì)算的主要因素有船舶縱向受風(fēng)面積、橫向受風(fēng)面積、船長、吃水、風(fēng)向角及球艏形狀等，風(fēng)載荷具體計(jì)算過程為

1) 求解出縱向風(fēng)載荷Fxw，橫向風(fēng)載荷Fyw及艏搖風(fēng)載荷Mxyw，即

式(1)～式(3)中：Cxw為縱向風(fēng)載荷曳力系數(shù)；Cyw為橫向風(fēng)載荷曳力系數(shù)；Cxyw為艏搖風(fēng)載荷曳力系數(shù)；wρ為空氣密度；Vw為風(fēng)速；AL為縱向受風(fēng)面積；AT為橫向受風(fēng)面積；LBP為垂線間長。

2) 將橫向風(fēng)載荷和艏搖風(fēng)載荷分解成艏柱處的橫向風(fēng)載荷FyFw及艉柱處的橫向風(fēng)載荷FyAw，即

1.3.3 海流載荷計(jì)算

影響海流載荷計(jì)算的主要因素有船舶深度吃水比、船長、吃水、流向角及球艏形狀等，海流載荷具體計(jì)算過程與風(fēng)載荷計(jì)算過程類似，這里不再贅述。

2 系泊力計(jì)算軟件開發(fā)

2.1 編程語言介紹

Visual Basic.Net即VB.Net，屬于Basic系語言，其以極具親和力的英文單詞為基礎(chǔ)標(biāo)識(shí)，與自然語言有極為相近的邏輯表達(dá)，是Basic系語言中最強(qiáng)大的編程語言之一[5]。

2.2 軟件主要組成

根據(jù)OCIMF系泊力計(jì)算原理和流程，使用Visual Basic.Net在Visual Studio 2008平臺(tái)上開發(fā)OCIMF系泊力計(jì)算軟件，軟件程序計(jì)算流程見圖3。軟件分為曲線數(shù)據(jù)模塊、環(huán)境參數(shù)模塊、船型參數(shù)模塊、系泊模型模塊、計(jì)算應(yīng)用模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊和軟件幫助模塊等7個(gè)模塊，各模塊的功能結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 OCIMF系泊力計(jì)算軟件程序計(jì)算流程

圖4 OCIMF系泊力計(jì)算軟件各模塊功能結(jié)構(gòu)

2.2.1 曲線數(shù)據(jù)模塊

曲線數(shù)據(jù)模塊包含曲線數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)維護(hù)等 3個(gè)子模塊。提供全面的最新版《OCIMF系泊設(shè)備指南》（3rd Edition 2008）相關(guān)曳力系數(shù)的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)規(guī)范提供的風(fēng)載荷和流載荷曳力系數(shù)圖表提取數(shù)據(jù)點(diǎn)保存在數(shù)據(jù)庫中。軟件根據(jù)曲線顏色的“RGB值”取點(diǎn)歸類；對(duì)曲線上曲率較大的位置加密取點(diǎn)。以風(fēng)載荷曳力系數(shù)為例，OCIMF給出不同球艏類型下的風(fēng)載荷曳力系數(shù)（見圖5～圖7）。

圖5 縱向風(fēng)載荷曳力系數(shù)

圖6 橫向風(fēng)載荷曳力系數(shù)

2.2.2 環(huán)境參數(shù)模塊

環(huán)境參數(shù)模塊提供風(fēng)向力參數(shù)設(shè)置和流向力參數(shù)設(shè)置2個(gè)子模塊，其中：風(fēng)向力模塊可設(shè)置風(fēng)向起始角、終止角、步長、風(fēng)速和空氣密度等數(shù)據(jù)；流向力模塊的設(shè)置與風(fēng)向力模塊的設(shè)置類似。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)之后，點(diǎn)擊計(jì)算系數(shù)按鈕即可計(jì)算風(fēng)向力和流向力相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)根據(jù)曲線數(shù)據(jù)模塊數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的曲線數(shù)據(jù)，利用三次樣條插值算法得到，從而為計(jì)算風(fēng)向力和流向力做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。環(huán)境參數(shù)風(fēng)向力模塊界面見圖8。

2.2.3 船型參數(shù)模塊

船型參數(shù)模塊提供液化氣船、油船和其他船型等3個(gè)子模塊，可根據(jù)不同船型設(shè)置球艏形狀、深度吃水比、船長、吃水和不同工況下的受風(fēng)面積等船型參數(shù)。軟件能自動(dòng)給出相關(guān)參數(shù)的缺省值，判別輸入?yún)?shù)的合理性，同時(shí)對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。圖9為船型參數(shù)液化氣船模塊界面。

圖7 艏搖風(fēng)載荷曳力系數(shù)

圖8 環(huán)境參數(shù)風(fēng)向力模塊界面

圖9 船型參數(shù)液化氣船模塊界面

2.2.4 系泊模型模塊

系泊模型模塊提供標(biāo)準(zhǔn)系泊模式定義、纜繩特性定義和系泊屬具特性定義等3個(gè)子模塊，可設(shè)置系泊纜繩的布置位置、數(shù)量及夾角，纜繩的長度、直徑、破斷力及安全系數(shù)，系泊屬具的外形尺寸及作用力特征等信息。該模塊可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)系泊模型建立和個(gè)性化系泊方案配置的功能。圖10為系泊模型系泊模式定義模塊界面。

2.2.5 計(jì)算應(yīng)用模塊

計(jì)算應(yīng)用模塊提供系泊力計(jì)算和系泊屬具強(qiáng)度校核2個(gè)子模塊，可根據(jù)已設(shè)置好的參數(shù)（如風(fēng)向、海流方向和步長）并行輸出多種方案的系泊力計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)判別并輸出復(fù)合工況下的最大系泊力數(shù)據(jù)；根據(jù)計(jì)算出的系泊力和定義的系泊屬具參數(shù)校核屬具強(qiáng)度。圖11為計(jì)算應(yīng)用模塊界面。

圖10 系泊模型系泊模式定義模塊界面

圖11 計(jì)算應(yīng)用模塊界面

檢查計(jì)算結(jié)果，確認(rèn)無誤之后點(diǎn)擊生成報(bào)告按鈕，程序可自動(dòng)生成一份Word版《OCIMF系泊力計(jì)算報(bào)告》，并能自動(dòng)繪制計(jì)算用的工況示意圖。

2.2.6 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊提供軟件主界面背景圖修改、曲線顏色設(shè)置、軟件分辨率調(diào)整、輸出報(bào)告字體格式及報(bào)告模板和報(bào)告保存路徑修改等人性化設(shè)置功能。

2.2.7 軟件幫助模塊

軟件幫助模塊提供系泊力計(jì)算相關(guān)規(guī)范的鏈接查看、軟件計(jì)算原理文檔和常用軟件操作設(shè)置說明等功能。

3 結(jié) 語

本文主要介紹OCIMF系泊力計(jì)算軟件的計(jì)算原理，包括系泊力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)系泊模型、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境載荷、風(fēng)載荷和流載荷的計(jì)算方法；介紹系泊力計(jì)算軟件的開發(fā)過程，包括編程語言和軟件主要功能模塊。在采用OCIMF系泊力計(jì)算軟件計(jì)算系泊力時(shí)，相關(guān)系數(shù)通過精度較高的三次樣條插值算法得到，可提高系數(shù)選取的精確性；準(zhǔn)備好相關(guān)數(shù)據(jù)之后，通過程序自動(dòng)完成系泊力計(jì)算，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過以上計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)化手段，不僅能節(jié)省人工計(jì)算時(shí)間，而且可方便地進(jìn)行多方案對(duì)比，從而做出最優(yōu)選擇。同時(shí)，該軟件可根據(jù)模板自動(dòng)生成可編輯版計(jì)算報(bào)告，并最終形成一份正式送審文件。

綜上所述，OCIMF系泊力計(jì)算軟件的計(jì)算精度高、計(jì)算速度快，能有效避免因計(jì)算失誤造成的系泊件選型錯(cuò)誤等問題，該軟件的開發(fā)對(duì)節(jié)省造船成本和提高工作效率具有一定意義。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 夏賢斌. 大型船舶安全系泊斷纜原因分析與預(yù)防[J]. 中國水運(yùn)，2016, 16 (10)： 15-18.

[2] OCIMF. Prediction of wind loads and current loads on VLCCs[S]. 1994.

[3] FLORY J F, BANFIELD S P, RACTLIFFE A. Computer mooring load analysis to improve port operations and safety[J]. Ports,2014, 8 (6)： 20-22.

[4] OCIMF. Mooring equipment guidelines [S]. 2008.

[5] 邵鵬鳴.Visual Basic. Net面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.