袁培銀，劉添宇，趙 宇

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

0 引 言

隨著船舶噸位的大型化，船舶航速的不斷提高，水位的大落差變化，特別是臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域，環(huán)境載荷的多變性和突發(fā)性，造成的海損事故越來越嚴(yán)重，選擇合理的布纜方式，研究船舶在碼頭系泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，預(yù)報(bào)各系泊纜的頂端張力，防止船舶與碼頭的過度撞擊，直接關(guān)系到碼頭結(jié)構(gòu)和裝卸貨物的安全性。

針對(duì)碼頭系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化布局，?？看巴廨d荷的計(jì)算及碼頭護(hù)舷的動(dòng)力特性分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過相關(guān)研究。Commins[1]于1962年采用時(shí)延函數(shù)進(jìn)行計(jì)算的方法，成功計(jì)算出碼頭系泊船舶的運(yùn)動(dòng)；Natarajan和Ganapathy[2]通過編寫SHIPMOOR程序計(jì)算碼頭系泊的相關(guān)結(jié)果，并開展模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果顯示SHIPMOOR程序數(shù)值模擬結(jié)果能夠接近碼頭運(yùn)動(dòng)的實(shí)際值。Hu Yi等[3]應(yīng)用AQWA軟件，模擬系泊狀態(tài)LNG船的運(yùn)動(dòng)特性；嵇春艷[4]以碼頭系泊為研究對(duì)象，利用水動(dòng)力分析軟件AQWA，分析不同浪向角作用下，系泊船舶的幅值響應(yīng)算子和一階波浪力，采用不同方式優(yōu)化船舶系泊系統(tǒng)；王建華[5]基于CFD求解器，對(duì)一座分布式系泊系統(tǒng)的浮式碼頭在入射波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，給出碼頭運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)受力的時(shí)歷曲線，并將結(jié)果與靜力分析進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證動(dòng)力分析方法的可靠性；趙洪波[6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文、地形等資料，采用船舶系泊物理模型對(duì)船舶漂移過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究結(jié)果表明通過延長(zhǎng)導(dǎo)流堤能夠改善水流和受力條件，降低船舶漂移風(fēng)險(xiǎn)；吳哲豐[7]總結(jié)幾內(nèi)亞GAC碼頭項(xiàng)目中多點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究多點(diǎn)系泊結(jié)構(gòu)荷載及工況，并結(jié)合軟件對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)證。夏運(yùn)強(qiáng)[8]采用波浪物理模型試驗(yàn)方法，研究系泊方式、系泊線材質(zhì)、緩沖吸能重錘等因素對(duì)系泊力和浮箱運(yùn)動(dòng)的影響，總結(jié)出穩(wěn)度較高的浮箱系泊系統(tǒng)；周斌[9]針對(duì)中小型LNG運(yùn)輸船裝卸貨物作業(yè)時(shí)與裝卸碼頭的船岸兼容系泊問題，使用軟件對(duì)船靠泊LNG接收站碼頭為例，確定船舶系泊方案，分析系泊纜受力情況。陳里[10]分析滑坡涌浪作用下系泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，以及波高、水深等因素影響下系泊船舶系纜力和撞擊能的變化規(guī)律，確定滑坡涌浪對(duì)內(nèi)河船舶系泊安全的影響程度。李金來[11]研究張力腿平臺(tái)碼頭舾裝階段系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，系泊方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，系泊環(huán)境載荷的計(jì)算方法，系泊力的時(shí)域計(jì)算和系泊應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備等內(nèi)容，提出一套切實(shí)可行的系泊方案；楊建民[12]針對(duì)碼頭處海洋環(huán)境條件，進(jìn)行碼頭不同裝載狀況的模型試驗(yàn)，獲得碼頭的六自由度運(yùn)動(dòng)及系泊載荷的動(dòng)力特性。

1 相似準(zhǔn)則

試驗(yàn)過程中應(yīng)保持模型和實(shí)船的形狀完全相似，模型的制作嚴(yán)格按照縮尺比進(jìn)行，縮尺比即實(shí)船和模型各項(xiàng)相應(yīng)線性尺度之比，其值為常數(shù)。

式中：L，B，d分別為長(zhǎng)度，寬度及吃水，下標(biāo)m及s分別表示模型和實(shí)體；λ為縮尺比。模型在海洋工程水池中試驗(yàn)時(shí)，其水深h，波高H和波長(zhǎng)λ也必須滿足幾何相似條件，即

船舶或海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常忽略或放棄黏性的影響，保持實(shí)體與模型的Froude數(shù)和Strouhal數(shù)相等，即滿足兩者的重力相似和慣性相似，

式中：V，L，T 分別為速度，特征線尺度及主要周期。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h2>

國(guó)際海洋工程試驗(yàn)一般選擇最佳模型縮尺比是60～80，根據(jù)諸多試驗(yàn)采用縮尺比進(jìn)行綜合分析，設(shè)定試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為70。

2.1 甲板駁船模型

甲板駁船模型嚴(yán)格按照主尺度和模型轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行制造，用鐵皮制作船身，具體甲板駁船模型參數(shù)見表1。

表1 船舶試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨萒ab. 1 Basic parameters of ship model

2.2 系泊纜模型

系泊纜的制作需要滿足外形相似，幾何相似，彈性系數(shù)相似。為了滿足重量相似，可以用稱重的辦法計(jì)算缺少重量，用相應(yīng)保險(xiǎn)絲及小鐵塊均勻纏繞。彈性系數(shù)相似是模型制作中最復(fù)雜的，試驗(yàn)過程中采用連接合適彈性系數(shù)和長(zhǎng)度的彈簧，滿足其彈性特性。

3 系泊方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的外界試驗(yàn)工況為最危險(xiǎn)的狀態(tài)，波浪的傳播方向?yàn)?0°，采用雙首纜及雙尾纜的設(shè)計(jì)形式，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系泊系統(tǒng)布置形式Fig. 1 Layout of mooring system

4 測(cè)量方法及試驗(yàn)方案

4.1 纜繩拉力測(cè)量

拉力傳感器一端固定在系泊纜索上，另一端固定在船模上，船舶在外環(huán)境的作用下產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，系泊纜索產(chǎn)生拉力，信號(hào)傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)上，處理相關(guān)系泊纜索頂端張力數(shù)據(jù)。

4.2 護(hù)舷壓力測(cè)量

護(hù)舷壓力測(cè)量的方式通過在船舶的首尾各布置一個(gè)應(yīng)變片，船舶在外環(huán)境的作用下產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)幅值，運(yùn)動(dòng)過程中撞擊應(yīng)變片，通過應(yīng)變片的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)采集系統(tǒng)上，利用計(jì)算機(jī)分析，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成壓力值，進(jìn)而得到其壓力時(shí)歷曲線。

4.3 試驗(yàn)系泊方案及工況

表2 試驗(yàn)工況Tab. 2 Working condition of experiment

5 試驗(yàn)結(jié)果和分析

5.1 船舶主要自由度運(yùn)動(dòng)幅值

圖2～圖6為各設(shè)計(jì)工況作用下船舶橫蕩、橫搖和垂蕩三自由度的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)情況。從圖2～圖4可以看出，相同的系泊條件，相同的波幅，不同的波浪周期對(duì)船舶產(chǎn)生的作用效果不同，對(duì)于橫蕩、橫搖和垂蕩的運(yùn)動(dòng)幅值，隨著波浪周期的增大，船舶的橫蕩運(yùn)動(dòng)、橫搖運(yùn)動(dòng)及垂蕩運(yùn)動(dòng)更劇烈。從圖2、圖5和圖6可以看出，相同的系泊條件，相同的周期，不同的波幅對(duì)船舶產(chǎn)生的效果不同，對(duì)于橫蕩、橫搖和垂蕩的運(yùn)動(dòng)幅值，隨著波幅的增大，船舶的橫蕩運(yùn)動(dòng)、橫搖運(yùn)動(dòng)及垂蕩運(yùn)動(dòng)更劇烈。從圖2～圖6中可以看出，船舶的主要自由度運(yùn)動(dòng)都是在平衡位置基礎(chǔ)上進(jìn)行的，且運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線比較符合規(guī)則波的運(yùn)動(dòng)特性及規(guī)律。

圖2 工況10船舶主要自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 2 Main degree of freedom time history under tenth condition

圖3 工況11船舶主要自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 3 Main degree of freedom time history under eleventh condition

圖4 工況12船舶主要自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 4 Main degree of freedom time history under twelfth condition

圖5 工況13船舶主要自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 5 Main degree of freedom time history under thirteenth condition

圖6 工況16船舶主要自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 6 Main degree of freedom time history under sixteenth condition

5.2 纜繩纜索頂端張力

從圖7～圖9可以看出，相同的波幅，不同的周期波浪作用下，系泊纜的頂端張力隨著波浪周期變大而逐漸變大。從圖7、圖10和圖11可以看出，相同的波幅，不同的周期波浪作用下，系泊纜的頂端張力隨著波幅的增大而逐漸變大。從圖9～圖11可以看出，試驗(yàn)中系泊纜索拉力曲線大多符合規(guī)則波運(yùn)動(dòng)規(guī)律，拉力的數(shù)值在平衡位置附近上下波動(dòng)。試驗(yàn)及實(shí)際工程中，為保證船舶運(yùn)動(dòng)幅值在合理范圍內(nèi)，系泊纜頂端設(shè)有預(yù)張力，由于各系泊纜所起到的作用不同，設(shè)置的預(yù)張力大小也不一樣，船舶在外工況的作用下，出現(xiàn)繞軸和沿軸的運(yùn)動(dòng)，系泊纜索的頂端時(shí)歷實(shí)時(shí)變化，系泊纜處于連續(xù)張緊-松弛的狀態(tài)。

圖7 工況10系泊纜索頂端張力時(shí)歷曲線Fig. 7 Time history of the top tension of mooring line under tenth conditions

圖8 工況11系泊纜索頂端張力時(shí)歷曲線Fig. 8 Time history of the top tension of mooring line under eleventh conditions

圖9 工況12系泊纜索頂端張力時(shí)歷曲線Fig. 9 Time history of the top tension of mooring line under twelfth conditions

圖10 工況13系泊纜索頂端張力時(shí)歷曲線Fig. 10 Time history of the top tension of mooring line under thirteenth conditions

圖11 工況16系泊纜索頂端張力時(shí)歷曲線Fig. 11 Time history of the top tension of mooring line under sixteenth conditions

6 結(jié) 語(yǔ)

碼頭系泊系統(tǒng)是船舶在舾裝、靠泊時(shí)的重要裝置，通過高樁碼頭船舶系泊試驗(yàn)，分析系泊船舶的運(yùn)動(dòng)特性、系泊纜頂端張力和護(hù)舷壓力等參數(shù)，可以為工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)意義。在船舶碼頭系泊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

1）由于甲板駁船的船型特殊性，采用雙首纜、雙尾纜的系泊形式，試驗(yàn)中船舶的主要自由度運(yùn)動(dòng)幅值在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)系泊纜布置形式的合理性；

2）系泊狀態(tài)下船舶橫蕩、垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)幅值，隨著波浪周期的增大而增大，隨著波幅的增加而非線性增加；

3）系泊纜索的頂端張力變化時(shí)歷曲線符合規(guī)則波作用的特性，在預(yù)張力的基礎(chǔ)上，圍繞平衡位置波動(dòng)，系泊纜索的頂端張力隨著波幅的增加而增大。