(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連116024)

0 引 言

石油公司國(guó)際海事論壇(Oil Companies International Marine Forum, OCIMF)，是由在石油產(chǎn)品船運(yùn)和港口裝卸領(lǐng)域分享共同利益的石油公司組成的自愿性協(xié)會(huì)[1-2]。20世紀(jì)70年代，各國(guó)政府及國(guó)際組織對(duì)防止海洋污染、保障海上作業(yè)安全的迫切需求，催生了OCIMF的成立[3-4]。

作為石油工業(yè)安全與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)公認(rèn)的代言人，OCIMF旨在向業(yè)內(nèi)及成員提供海洋安全與環(huán)保方面的專業(yè)技術(shù)、操作指南與標(biāo)準(zhǔn)，其制定的保障船舶航運(yùn)、碼頭港口設(shè)施安全作業(yè)的指導(dǎo)性原則深受業(yè)界認(rèn)可，為推進(jìn)國(guó)際船舶規(guī)范建設(shè)起到了積極有效的作用。

20世紀(jì)90年代，世界各國(guó)對(duì)原油船進(jìn)行了大量試驗(yàn)，總結(jié)形成了豐富的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算曲線，在此基礎(chǔ)上，OCIMF編寫(xiě)了海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)浪流載荷預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該規(guī)范得到業(yè)界廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[5]。DAS等[6]在OCIMF規(guī)定計(jì)算超大型油船(Very Large Crude Carrier， VLCC)設(shè)備系泊力標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，利用準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)印度港口靠泊20萬(wàn)噸級(jí)VLCC的原油碼頭裝置系泊力進(jìn)行分析研究，計(jì)算得出設(shè)備操作的最大許可限度。易叢等[7]和王忠暢等[8]基于FPSO風(fēng)洞模型試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果、OCIMF規(guī)范結(jié)果和API規(guī)范結(jié)果，給出FPSO深淺水流載荷、風(fēng)載荷計(jì)算方法的建議。趙九龍等[9]結(jié)合OCIMF與ISO規(guī)范要求，提出載重量38 000 t化學(xué)品船兼油船導(dǎo)纜孔與軟管托架的集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了作業(yè)安全性和可靠性。趙振華等[10]根據(jù)OCIMF規(guī)范對(duì)系泊力計(jì)算的要求，編程實(shí)現(xiàn)系泊力的評(píng)估計(jì)算。張明霞等[11]基于OCIMF規(guī)范對(duì)某海域作業(yè)的FPSO串靠提油作業(yè)中拖船拖力進(jìn)行計(jì)算分析，得到允許作業(yè)環(huán)境條件下所需拖船拖力的分布曲線，為安全作業(yè)提供評(píng)估依據(jù)和理論依據(jù)。

圖1 符號(hào)約定及隨船坐標(biāo)系

OCIMF規(guī)范具有廣泛的實(shí)用性，能夠?qū)Υ鞍l(fā)生不同程度的漂移碰撞時(shí)受到的環(huán)境載荷進(jìn)行有效預(yù)報(bào)[12-13]，對(duì)于保證人員、船舶和港口碼頭的安全至關(guān)重要。在目前的研究及工程中，環(huán)境載荷系數(shù)采用OCIMF規(guī)范中的圖譜曲線手動(dòng)插值得到，圖譜曲線數(shù)量多、插值過(guò)程繁瑣易導(dǎo)致作業(yè)效率低且結(jié)果精度差。本文通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)圖譜曲線環(huán)境載荷系數(shù)的程序化計(jì)算，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度和效率，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 OCIMF環(huán)境載荷計(jì)算方法

1.1 坐標(biāo)系定義

OCIMF規(guī)范中船體符號(hào)約定及隨船坐標(biāo)系如圖1所示，其中：風(fēng)、流與船舶的夾角為θ，自船首方向隨浪為0°，迎浪為180°，沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

1.2 風(fēng)載荷、流載荷計(jì)算模型

OCIMF中風(fēng)載荷的計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：Fx，w為縱向風(fēng)載荷；Fy，w為橫向風(fēng)載荷；Mxy，w為風(fēng)載荷偏航力矩；ρw為空氣密度，1.29 kg/m3；Vw為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；Ax為船體水面以上縱向受風(fēng)面積，m2；Ay為船體水面以上橫向受風(fēng)面積，m2;風(fēng)載荷系數(shù)Cx，w、Cy，w和Cz，w可根據(jù)風(fēng)向角、載荷工況及船首形狀等參數(shù)從OCIMF的風(fēng)載荷系數(shù)圖譜插值求得。

OCIMF中流載荷計(jì)算方法如下：

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：Fx，f為縱向流載荷；Fy，f為橫向流載荷；Mxy，f為流載荷偏航力矩；ρc為海水密度，1.025×103kg/m3；Vc為流速，m/s；Lpp為垂線間長(zhǎng)，m；T為平均吃水，m；流載荷阻尼系數(shù)Cx，c、Cy，c和Cz，c根據(jù)流向角、水深吃水比Wd/T(Wd為水深，m)及船首形狀從OCIMF的流載荷阻尼系數(shù)圖譜插值求得。

圖2 系統(tǒng)環(huán)境載荷系數(shù)分類模塊

2 OCIMF風(fēng)載荷和流載荷系數(shù)圖譜程序化設(shè)計(jì)

2.1 程序模塊框架

OCIMF中環(huán)境載荷系數(shù)分為：風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)。風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)又分別細(xì)分為滿載風(fēng)/流載荷系數(shù)和壓載風(fēng)/流載荷系數(shù)，每種載荷工況(滿載、壓載)又包含3種情況：縱向風(fēng)/流載荷系數(shù)、橫向風(fēng)/流載荷系數(shù)和風(fēng)/流偏航力矩系數(shù)。系統(tǒng)環(huán)境載荷系數(shù)分類模塊如圖2所示。

2.2 OCIMF風(fēng)載荷、流載荷系數(shù)分類

OCIMF共計(jì)7條風(fēng)載荷系數(shù)曲線和36條流載荷系數(shù)曲線(同一類型曲線又分為不同水深吃水比值曲線，水深吃水比分別為1.05/1.10/1.20/1.50/3.00/4.40/6.00/min/mean/max)，具體如表1和表2所示。

表1 風(fēng)載荷系數(shù)曲線分類

表2 流載荷系數(shù)曲線分類

2.3 程序模塊流程圖

對(duì)OCIMF風(fēng)/流載荷系數(shù)圖譜進(jìn)行歸類總結(jié)，根據(jù)實(shí)際水深吃水比值Wd/T，使用Visual Basic 6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)的環(huán)境載荷系數(shù)計(jì)算程序，可插值得到風(fēng)載荷和流載荷系數(shù)。具體環(huán)境載荷系數(shù)計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 環(huán)境載荷系數(shù)計(jì)算流程圖

3 程序功能實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

3.1 曲線程序化

曲線經(jīng)離散化處理后，利用Maple 17數(shù)學(xué)軟件將曲線進(jìn)行擬合，在VB中利用多次B樣條曲線繪制0°～180°區(qū)間內(nèi)的風(fēng)/流載荷系數(shù)曲線。以表1橫向風(fēng)載荷系數(shù)曲線、表2滿載工況下流載荷系數(shù)曲線為例，如圖4和圖5所示。

圖4 橫向風(fēng)載荷系數(shù)曲線 圖5 滿載時(shí)橫向流載荷系數(shù)曲線

本文程序按OCIMF規(guī)范依次給出風(fēng)載荷和流載荷阻尼系數(shù)圖譜曲線，當(dāng)實(shí)際水深吃水比與上述數(shù)值不同時(shí)，采用線性內(nèi)插法求得。其余擬合曲線略去。

3.2 結(jié)果對(duì)比

以表1不同載況橫向風(fēng)載荷系數(shù)、表2滿載工況6種水深吃水比值時(shí)橫向流載荷系數(shù)為例，分別以本文程序及圖譜手動(dòng)插值求得相應(yīng)環(huán)境載荷系數(shù)，對(duì)比分析數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)果如表3～表10所示，對(duì)應(yīng)的風(fēng)/流載荷系數(shù)相對(duì)誤差(|程序計(jì)算值-圖譜插值|/圖譜插值)對(duì)比如圖6和圖7所示。

表3 壓載時(shí)橫向風(fēng)載荷系數(shù)Cy,w

表4 滿載時(shí)橫向風(fēng)載荷系數(shù)Cy,w

表5 水深吃水比Wd/T =1.05橫向流載荷系數(shù)Cy,c

表6 水深吃水比 Wd/T =1.10橫向流載荷系數(shù)Cy,c

表7 水深吃水比 Wd/T =1.20橫向流載荷系數(shù)Cy,c

表8 水深吃水比 Wd/T =1.50橫向流載荷系數(shù)Cy,c

表9 水深吃水比Wd/T =3.00橫向流載荷系數(shù)Cy,c

表10 水深吃水比 Wd/T ≥6.00橫向流載荷系數(shù)Cy,c

圖6 不同載況橫向風(fēng)載荷系數(shù)相對(duì)誤差 圖7 滿載工況橫向流載荷系數(shù)相對(duì)誤差

對(duì)比分析程序計(jì)算結(jié)果與OCIMF圖譜差值結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 不同載況橫向風(fēng)載荷系數(shù)對(duì)比表明，在壓載工況下來(lái)風(fēng)角度為170°時(shí)，程序計(jì)算結(jié)果與圖譜插值的最大相對(duì)誤差為6.86%。滿載工況不同水深吃水比值下橫向流載荷系數(shù)對(duì)比表明，當(dāng)水深吃水比Wd/T=3.0，來(lái)流角度為170°時(shí)，最大誤差為5.83%。

(2) 圖6和圖7中相對(duì)誤差曲線呈現(xiàn)出兩端高中間低的趨勢(shì)，原因是針對(duì)OCIMF環(huán)境系數(shù)圖譜曲線中間曲率變化較大的部分，程序進(jìn)行加密處理，使計(jì)算誤差較小。

(3) 橫向風(fēng)載荷系數(shù)曲線和滿載時(shí)橫向流載荷系數(shù)曲線在來(lái)風(fēng)/流角度為90°時(shí)達(dá)到峰值。在0°～180°，曲線不存在關(guān)于90°角度對(duì)稱，因此實(shí)際工程問(wèn)題不能簡(jiǎn)化為角度對(duì)稱載荷計(jì)算模型。

4 結(jié) 論

(1) 在以往研究中，尚無(wú)將OCIMF規(guī)范中海洋結(jié)構(gòu)物環(huán)境載荷系數(shù)圖譜進(jìn)行曲線圖形及系數(shù)計(jì)算的程序化處理，本文通過(guò)解讀OCIMF規(guī)范中風(fēng)/流環(huán)境載荷計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境載荷系數(shù)曲線及系數(shù)計(jì)算的編程求解。

(2) 在程序開(kāi)發(fā)和計(jì)算過(guò)程中，結(jié)合數(shù)學(xué)方法，利用高次樣條曲線方程擬合系數(shù)曲線，提高系數(shù)結(jié)果的計(jì)算精度、速度和穩(wěn)定性，解決以往手動(dòng)插值圖譜求解時(shí)的繁瑣，有效地提高了求解效率。通過(guò)將該程序應(yīng)用于某拖船輔助作業(yè)可行性分析[11]，取得較好結(jié)果，具體結(jié)果在文中不再贅述，證明該程序計(jì)算結(jié)果具有可靠性，對(duì)工程項(xiàng)目具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。