王志斌 徐 強(qiáng) 奚英奇 王 果 姜圣俊 韓 燦

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

常規(guī)船型的系泊設(shè)計(jì)一般以CCS 鋼規(guī)中的舾裝數(shù)計(jì)算公式為基礎(chǔ)開展相關(guān)設(shè)計(jì)，選取對應(yīng)破斷強(qiáng)度的纜繩規(guī)格及數(shù)量，但該舾裝數(shù)公式的基礎(chǔ)是假定環(huán)境條件為風(fēng)速25 m/s，流速2.5 m/s［1］，未給出波浪載荷條件。由于本船為設(shè)有島式上建和大型外飄舷臺的特殊船型，CCS 鋼規(guī)中的計(jì)算公式不能完全將本船的受風(fēng)影響考慮在內(nèi)；更重要的是，本船所?？康拇a頭常年存在風(fēng)浪流三種環(huán)境載荷，波浪載荷對船體作用力非常明顯。相關(guān)資料顯示，國內(nèi)外均發(fā)生過因波浪載荷過大而引起纜繩斷裂的事故?；谝陨辖?jīng)驗(yàn)，本文認(rèn)為基于CCS 舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果的系泊設(shè)計(jì)對本船來講適應(yīng)性較差，風(fēng)險(xiǎn)較高。

在碼頭系泊設(shè)計(jì)領(lǐng)域，孫英廣［2］等指出：規(guī)范計(jì)算適應(yīng)于初期設(shè)計(jì)階段，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法對系纜張力進(jìn)行分析與研究。高峰等對數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法用于船舶系泊問題研究的優(yōu)劣進(jìn)行了詳細(xì)的分析與總結(jié)［3］。國內(nèi)眾多學(xué)者針對大型油輪、散貨船、LNG 運(yùn)輸船、礦石船等開展了大量的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)研究，在各類船舶系泊方式優(yōu)化、碼頭設(shè)計(jì)等方面取得了大量的具有實(shí)際工程意義的成果［4-5］。

為能夠科學(xué)、合理地開展本船的系泊設(shè)計(jì)，本文通過規(guī)范設(shè)計(jì)-仿真-試驗(yàn)三種途徑開展本船的系泊模式設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作，最終形成可靠的設(shè)計(jì)方案，能夠用于指導(dǎo)實(shí)船的碼頭系泊作業(yè)。

1 多系泊模式設(shè)計(jì)

1.1 規(guī)范設(shè)計(jì)

為盡量提高前期理論設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目組對比了LR、GJB 及CCS 中的舾裝數(shù)計(jì)算方法，針對本船主尺度，計(jì)算結(jié)果對比見表1。

從表1 的計(jì)算對比結(jié)果分析，CCS 計(jì)算出的舾裝數(shù)最小，比LR 計(jì)算值低兩檔；GJB 計(jì)算出的結(jié)果與LR 結(jié)果相接近，但GJB 的舾裝數(shù)最大一檔僅為1 930～2 080，無法指導(dǎo)本船設(shè)計(jì)。因此，從前期設(shè)計(jì)精度考慮，本船以LR 舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行初步的系泊模式設(shè)計(jì)。

按照LR 算出的舾裝數(shù)結(jié)果，對應(yīng)的系泊配置見表2。

表1 舾裝數(shù)結(jié)果對比表

表2 舾裝數(shù)配置表

由于舾裝數(shù)公式中沒有考慮波浪作用，其計(jì)算結(jié)果選用的纜繩破斷力偏小，不完全適用于本船碼頭風(fēng)浪流環(huán)境下的系泊，但可作為本船纜繩選取的基礎(chǔ)，而纜繩破斷力的實(shí)際值需要進(jìn)一步通過仿真計(jì)算和模型試驗(yàn)進(jìn)行研究確認(rèn)。

參考表2 中的纜繩數(shù)量，結(jié)合傳統(tǒng)的系泊模式設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，即“艏艉纜+橫纜+倒纜”的模式，形成初步的系泊模式方案，見圖1，作為仿真計(jì)算的初始設(shè)計(jì)輸入。

圖1 系泊模式1

1.2 仿真分析計(jì)算

1.2.1 仿真方法

在ANSYS 模塊中建立船體模型，采用面元積分法在AQWA-LINE 模塊中對船體進(jìn)行頻域分析，得到RAO、一階波浪力、二階波浪力、附加質(zhì)量和附加阻尼等船體水動力基本參數(shù)，然后按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算本船的風(fēng)力系數(shù)及流力系數(shù)，在AQWADRIFT 模塊中，采用時(shí)域耦合的分析方法，對船體-碼頭系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析，求解船舶系泊纜繩的張力。

1.2.2 計(jì)算工況

按照調(diào)研碼頭的水文資料和3 級海況的浪高范圍，本文中選取2 組典型三一波高H1= 1.069 m（2年一遇）、H2= 1.291 m（50 年一遇）對應(yīng)的工況進(jìn)行計(jì)算分析。流速值采用調(diào)研碼頭的最大實(shí)際流速0.51 m/s，工況組合見表3。

表3 典型仿真工況

表4 纜繩受力結(jié)果

1.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文基于8 根纜繩的系泊方式，將1～8 號纜繩的張力計(jì)算結(jié)果示于表4。

從表4 中的纜繩張力結(jié)果分析，最大張力出現(xiàn)在A1 工況6 號纜繩處，為93.897 t。與表2中的舾裝數(shù)規(guī)定的纜繩破斷力相比，3 級海況上限時(shí)，兩組工況仿真結(jié)果中的纜繩張力均大于618 kN（63.06 t），并且纜繩最大張力均出現(xiàn)在該6 號短橫纜。

基于8 根纜繩的系泊方式，結(jié)合表4 中的仿真結(jié)果，三級海況下纜繩上產(chǎn)生的最大張力為93.897 t，因此初步將本船的系泊纜繩選定為超高分子聚乙烯纜，破斷負(fù)荷為97.85 t。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系泊方案的合理性及科學(xué)性，本文后續(xù)將重點(diǎn)介紹通過水池模型試驗(yàn)對本船系泊模式的研究及優(yōu)化改進(jìn)。

2 多系泊模式優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)條件和內(nèi)容

2.1.1 試驗(yàn)條件

（1）水位：碼頭設(shè)計(jì)高水位為+4.31 m，設(shè)計(jì)低水位為+0.43 m，試驗(yàn)時(shí)取平均設(shè)計(jì)水位+2.37 m。

（2）潮流：主流向基本與海岸平行，最大流速為0.51 m/s。

（3）波浪：為方便對比分析，本文僅選擇幾種典型波浪工況進(jìn)行分析對比：有義波高1.069 m、1.291 m、1.37 m；譜峰周期分別為8.59 s、15.37 s、10.902 s。波浪方向?yàn)槭仔崩?35°。

（4）風(fēng)速：22 m/s、25 m/s。

（5）試驗(yàn)船型：按照本船的使用需求，本船試驗(yàn)時(shí)取滿載狀態(tài)，船舶的主要參數(shù)見表5。

表5 試驗(yàn)船型主要尺度及有關(guān)參數(shù)

（6）系泊纜：本船采用直徑40 mm 的超高分子聚乙烯纜，破斷負(fù)載97.85 t。

（7）碼頭結(jié)構(gòu)及系纜設(shè)施：碼頭型式為突堤重力式；碼頭采用1 500 kN 系船柱，間距25 m，系船柱距離碼頭邊緣1.5 m。碼頭的長度、寬度可認(rèn)為足夠大。

2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

基于圖1 中的系泊模式開展風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的船舶系纜力及船舶六自由度運(yùn)動，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果開展系泊模式的優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 模型相似

根據(jù)船舶尺度和海洋工程水池模型試驗(yàn)設(shè)施條件與能力，選定實(shí)體和模型之間的縮尺比為λ= 50，保證實(shí)物與模型之間重力相似及慣性相似。波高、波長、水深均按縮尺比λ計(jì)算；時(shí)間縮尺比λT=λ0.5，力縮尺比λF=γ λ3，慣性矩縮尺比λJ=γ λ5，質(zhì)量縮尺比λM=λ3，橫搖及縱搖周期縮尺比λT=λ0.5。

2.2.1 系泊纜繩“負(fù)荷-伸長”非線性彈性特性模擬

試驗(yàn)中采用兩根輕質(zhì)彈簧A、B 串聯(lián)來模擬目標(biāo)纜繩的彈性系數(shù)。模擬結(jié)果見圖2。

圖2 纜繩非線性特性模擬

從圖中比較可以看出模型試驗(yàn)較好地模擬了本船超高分子纜的非線性拉伸彈性特性。

2.2.2 船舶模擬

船舶的模擬按重力相似滿足以下條件：幾何相似、靜力相似和動力相似。

2.2.3 碼頭模擬

碼頭原型為重力突堤式碼頭，碼頭設(shè)計(jì)橫截面見圖3。試驗(yàn)中碼頭模型具有較大的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量，不會因波浪作用而有任何移動和變形，并能模擬實(shí)際碼頭波浪90°入射后的反射情況。

圖3 碼頭橫截面

2.3 海洋環(huán)境條件模擬

海洋環(huán)境條件坐標(biāo)系定義如下：船艉至船艏方向定義為0°，順時(shí)針為正。

2.3.1 潮流模擬

試驗(yàn)時(shí)以恒定流模擬碼頭出現(xiàn)的最大流速0.51 m/s，潮流方向與碼頭平行，潮流模擬值為0.072 m/s。

2.3.2 風(fēng)速模擬

實(shí)際風(fēng)速取22 m/s、25 m/s，試驗(yàn)時(shí)通過軸流風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)速儀測量標(biāo)定水面以上0.2 m（實(shí)際值為10 m）的平均風(fēng)速為試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，模型值?.11 m/s、3.536 m/s。

2.3.3 波浪模擬

波浪模擬通過調(diào)節(jié)造波機(jī)搖板的振幅及周期來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在船舶所在位置采用電阻式浪高儀實(shí)時(shí)測量波浪的波面升高和周期。波浪選用JONSWAP譜，譜峰參數(shù)選擇3.3；試驗(yàn)波浪采樣時(shí)間不小于8.5 min，采樣頻率25 Hz，采樣點(diǎn)不少于16 500 點(diǎn)，有義波高和譜峰周期誤差控制在5%以內(nèi)。

圖4 -圖6 為目標(biāo)波浪與模擬值得對比圖像。

圖4 有義波高1.07 m波浪模擬結(jié)果

圖5 有義波高1.291 m波浪模擬結(jié)果

圖6 有義波高1.37 m波浪模擬結(jié)果

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 系泊模式1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）系泊模式及試驗(yàn)工況

采用圖1.1 中傳統(tǒng)的系泊模式，試驗(yàn)中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%；系泊纜的長度模擬見下頁表6。

選取2 組典型試驗(yàn)工況，見下頁表7。工況A1、A2 環(huán)境條件與仿真計(jì)算中的01、02 工況一致，不同點(diǎn)在于模擬水深為17.37 m，比仿真工況水深15 m 略大。

（2）試驗(yàn)結(jié)果

纜繩張力結(jié)果見下頁表8，船體運(yùn)動見下頁表9。

表6 系泊模式1下纜繩長度模擬m

表7 試驗(yàn)工況1

表8 纜繩張力1

表9 船體運(yùn)動值1

（3）試驗(yàn)分析

根據(jù)兩組工況的纜繩張力結(jié)果分析，纜繩張力較大值主要出現(xiàn)在艏部短橫纜、尾部短艉纜、短倒纜上，并且纜繩受力分布極不均勻；A1 工況纜繩最大張力值為125.563 t，A2 工況纜繩最大張力值為315.444 t，均超過本船纜繩破斷力。

A1 工況采用2 年一遇的短周期波，A2 工況采用50 年一遇的長周期波，雖然波高幅值相差不大，但從表8 -表9 中可以看出，長周期波對纜繩張力、船體運(yùn)動幅影響甚大，能引起上述值大幅增加。

試驗(yàn)工況A1 與仿真工況01、試驗(yàn)工況A2 與仿真工況02 的纜繩張力對比見圖7、下頁圖8。

圖7 A1工況與01工況纜繩張力對比

從圖7 和圖8 中可以看出，模型試驗(yàn)結(jié)果中的纜繩最大張力遠(yuǎn)大于仿真試驗(yàn)結(jié)果；圖8 中可以看出仿真試驗(yàn)結(jié)果并未體現(xiàn)出長周期波對纜繩張力的巨大影響。

圖8 A2工況與02工況纜繩張力對比

按照模型試驗(yàn)結(jié)果分析，系泊模式1 的系泊方案及纜繩配置并未達(dá)到本船3 級海況系泊的要求，因此需要從優(yōu)化系泊模式或增大系泊纜破斷負(fù)荷兩方面對本船的系泊設(shè)計(jì)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由圖7 可見：系泊模式1 下的纜繩張力受力極不均勻，短纜的張力過大，而長纜的利用率卻很低，具備通過優(yōu)化系泊纜布置提升整體系泊能力的可行性，考慮到增大系泊纜強(qiáng)度將導(dǎo)致系泊設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)困難，因此選擇通過優(yōu)化系泊模式1 來提高本船的碼頭系泊能力。

2.4.2 系泊模式2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）系泊模式及試驗(yàn)工況

基于系泊模式1，項(xiàng)目組增加了艏部2 號、3號短纜和艉部6 號短纜的長度，使2 號至6 號纜的長度盡量相當(dāng)，并取消了短橫纜，如圖9 所示。試驗(yàn)中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%。

系泊纜的長度模擬見表10。

選取2 組典型試驗(yàn)工況見表11。

（2）試驗(yàn)結(jié)果

纜繩張力結(jié)果見表12。

船體運(yùn)動值見下頁表13。

圖9 系泊模式2

表10 系泊模式2下纜繩長度模擬m

表11 試驗(yàn)工況2

表12 纜繩張力2

表13 船體運(yùn)動值2

（3）試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，相同工況下A1 下，系泊模式1、2 下的纜繩受力對比見圖10。

圖10 A1工況下系泊模式1、2的纜繩受力對比圖

從試驗(yàn)結(jié)果及圖10 可以看出，系泊模式2 中的纜繩最大張力為101.923 t，比系泊模式1 中最大張力125.563 t 約下降18.83%，但仍略大于本船系泊纜的破斷強(qiáng)度。

在相同工況A1 下，系泊模式1、2 下的船體運(yùn)動對比見圖11。

從圖11 中分析可以看出，系泊模式2 下的橫蕩運(yùn)動顯著增加，其他運(yùn)動幅度與系泊模式1 基本相當(dāng)。本文分析，系泊模式2 中橫蕩運(yùn)動顯著增加與取消短橫纜有關(guān)。

在A3 工況下，波高幅值提高至1.37 m，風(fēng)速下降至22 m/s，從計(jì)算結(jié)果看，纜繩最大值達(dá)到160.413，同樣超過纜繩破斷力。

圖11 A1工況下系泊模式1、2的船體運(yùn)動對比圖

整體來看，系泊模式2 的系泊能力較系泊模式1 有一定幅度的提升，通過增大艏艉短纜的纜繩長度使整體纜繩長度趨于均勻，能夠有效地提高碼頭系泊能力，但帶來的問題是導(dǎo)致船舶橫蕩運(yùn)動變大，為進(jìn)一步降低纜繩的受力，需對系泊模式2 再次進(jìn)行優(yōu)化。

2.4.3 系泊模式3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）系泊模式及試驗(yàn)工況

基于系泊模式2，進(jìn)一步增加了艏部3 號、4號纜繩和艉部5 號、6 號纜繩的長度，使8 根纜繩整體在長度上更為接近，形成系泊模式3，如圖12所示。試驗(yàn)中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%。

系泊纜的長度模擬見表下頁14。

選取2 組典型試驗(yàn)工況，見下頁表15。

圖12 系泊模式3

表14 系泊模式3下纜繩長度模擬m

表15 試驗(yàn)工況3

（2）試驗(yàn)結(jié)果

纜繩張力結(jié)果見表16，船體運(yùn)動值見表17。

表16 纜繩張力3

表17 船體運(yùn)動值3

（3）試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，相同工況下A1 下，系泊模式1、2、3 的纜繩受力對比見下頁圖13；不同系泊模式下的纜繩實(shí)際長度對比見下頁圖14。

從圖13 中可以看出，系泊模式3 中的纜繩最大張力為96.988 t，相比較系泊模式1 中最大張力下降22.7%，相比較系泊模式2 中最大張力下降了約4.84%，并且小于本船纜繩破斷力，整體系泊能力更強(qiáng)，具備3 級海況上限浪高下碼頭系泊的能力，能夠達(dá)到本船使用要求。同時(shí)通過對比圖13中不同系泊模式下的纜繩受力平均偏差值得出，系泊模式3 纜繩受力平均偏差最小，不僅整體系泊能力更強(qiáng)，而且纜繩受力更加均勻。

本次模型試驗(yàn)中，系泊模式的優(yōu)化主要在于調(diào)整短纜的長度，使整體8 根纜繩的長度趨于相當(dāng)，并未增加系泊纜的破斷強(qiáng)度。從圖14 中可以看出，系泊模式3 中的各纜繩長度分布更均勻，對應(yīng)于圖13 中的該系泊模式下纜繩最大張力最小，纜繩受力也更均勻。

相同工況A1 下，系泊模式1、2、3 下的船體運(yùn)動對比見圖15。

圖13 A1工況下系泊模式1、2、3的纜繩受力對比圖

圖14 不同系泊模式下的纜繩長度對比圖

圖15 A1工況下系泊模式1、2、3的船體運(yùn)動對比圖

圖16 A3、A4工況下的纜繩受力運(yùn)動對比圖

通過圖15 對比船體運(yùn)動幅值得出，系泊模式3 下的橫蕩、橫搖大幅增大，并且其它運(yùn)動幅值也有一定幅度的增加。

工況A4 下的纜繩受力與系泊模式2 中工況A3 的纜繩受力對比見圖16。

A4 工況與A3 工況相比，風(fēng)速提高到25 m/s，環(huán)境條件更加惡劣，但從圖16 中可以看出，A4 工況下的纜繩最大張力比A3 工況下的纜繩張力大幅降低，通過查表12、表16 并計(jì)算求得纜繩最大張力約下降30.06%，且A4 工況纜繩張力的平均偏差大幅小于A3 工況，纜繩受力均勻性更好。

基于系泊模式3 下的試驗(yàn)結(jié)果，得出通過調(diào)整纜繩長度使纜繩長度盡量保持均勻，避免短纜出現(xiàn)，可以明顯的提高纜繩受力均勻性和整體系泊能力；在未增加系泊纜強(qiáng)度的情況下，通過優(yōu)化系泊模式使本船在碼頭具備了3 級海況上限下系泊的能力，同時(shí)也明確了本船系泊纜配置數(shù)量及破斷負(fù)荷（97.85 t）。

3 結(jié) 語

（1）針對受風(fēng)面積特殊的船型，在前期的系泊設(shè)計(jì)過程中，LR 規(guī)范中的舾裝數(shù)計(jì)算相比較CCS鋼規(guī)參考性要強(qiáng)，前者可以涵蓋特殊船型所有的正風(fēng)面積計(jì)算。

（2）由于舾裝數(shù)公式的基礎(chǔ)未包含波浪影響，以本船特殊船型為例，在基于風(fēng)浪流聯(lián)合作用的碼頭下進(jìn)行系泊模式設(shè)計(jì)時(shí)，纜繩的破斷力必須相應(yīng)提高，提高幅度可參考水動力仿真軟件進(jìn)行目標(biāo)工況下的計(jì)算評估，本船仿真后的纜繩最大值較舾裝數(shù)要求值約高出48%。

（3）相同工況下，模型試驗(yàn)的纜繩張力最大值大幅高于仿真計(jì)算結(jié)果，尤其是長周期波影響下的纜繩張力；從科學(xué)性、準(zhǔn)確性角度考慮，特殊船型下的系泊能力建議通過水池模型試驗(yàn)進(jìn)行最終的驗(yàn)證及優(yōu)化。

（4）從試驗(yàn)結(jié)果分析，傳統(tǒng)系統(tǒng)模式下的短纜最容易出現(xiàn)張力極值，引發(fā)系泊纜的斷裂，整體纜繩受力均勻性差，降低了系統(tǒng)的系泊能力。

（5）從模型試驗(yàn)中對系泊模式的優(yōu)化方式及試驗(yàn)結(jié)果分析，取消短纜，調(diào)整纜繩的長度，使各纜繩的長度趨于相當(dāng)，能夠顯著提高系泊能力和纜繩受力均勻性；缺陷在于短橫纜的缺失導(dǎo)致船體的橫蕩、橫搖運(yùn)動增大。

（6）通過模型試驗(yàn)中對系泊模式的優(yōu)化及驗(yàn)證，最終明確了本船的系泊纜破斷負(fù)荷為97.85 t，碼頭系泊模式參照系泊模式3（見圖12）。按照試驗(yàn)結(jié)果，可以滿足風(fēng)25 m/s、浪高1.069 m（三一波高）、流速0.51 m/s 環(huán)境條件下的碼頭系泊，達(dá)到了3 級海況系泊的要求，為實(shí)船的碼頭系泊提供了有力的技術(shù)支撐。

（7）基于短纜缺失造成的船體運(yùn)動幅值大的缺陷，本文認(rèn)為通過優(yōu)化碼頭系船柱布置，使船舶?？繒r(shí)能夠拉出長橫纜，在提高整體系泊能力的同時(shí)，可以解決船體運(yùn)動幅值大的問題。但該設(shè)想尚未驗(yàn)證，將在后續(xù)船的模型試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

本船為設(shè)有邊島式上建和大型外飄舷臺的特殊船型，受風(fēng)載影響明顯，且停泊碼頭同時(shí)存在風(fēng)浪流三種環(huán)境載荷。本文通過開展理論初步設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算研究和模型試驗(yàn)研究，形成了科學(xué)合理的適用于本特殊船型系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，降低了因舾裝數(shù)忽略波浪影響而給系泊設(shè)計(jì)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，并為實(shí)船的碼頭系泊提供可信的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也可為其他特殊船型的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。