朱一鳴 王虎虎 陸云昊

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.中船融資租賃（上海）有限公司 上海200120）

引 言

船舶在錨泊時會隨著風浪流的變化而產(chǎn)生一定的運動，此時錨鏈與船體之間會產(chǎn)生相對運動。由于雙體船在水線以下具有兩個潛體及穩(wěn)定鰭等附體，其與錨鏈的相對運動可能會迫使錨鏈碰擦甚至纏繞進潛體或穩(wěn)定鰭。與潛體碰擦可能會導致船體油漆的脫落，對船舶水線以下的防腐帶來極大隱患；同時也會影響錨鏈及船體鋼板的使用壽命。纏繞進潛體或穩(wěn)定鰭會對船舶收錨帶來不利影響，甚至有可能損傷穩(wěn)定鰭。

小水面雙體船艏錨布置一般有3種方案，即將艏錨置于片體外側(cè)、片體中間及連接橋中間。艏錨布置方案不僅與船體總布置有關，還與錨泊地水文環(huán)境影響下錨鏈與船體的相對運動有關。下頁表1為國內(nèi)外部分部分典型雙體船艏錨布置方案。

由表1可知，若僅配置單錨，則均將艏錨置于連接橋中間；若配置雙錨，則有片體外側(cè)、片體中間及連接橋中間3種方案［1］。根據(jù)統(tǒng)計資料，在環(huán)境條件變化時，會出現(xiàn)錨鏈繞進艏部潛體內(nèi)側(cè)，致使錨鏈與船體外板摩擦，出現(xiàn)船體油漆脫落等現(xiàn)象。尤其船舶周圍海流為往復流時，碰擦現(xiàn)象更為嚴重。林偉國［2］、范井峰［3］等人就此問題采用靜態(tài)懸鏈線方法分析原因，并提出解決方案。但懸鏈線方法無法反映每一時刻船舶與錨鏈之間的相對運動，故采用時域模擬仿真以及模型試驗方法是必不可少的。

表1 國內(nèi)外部分典型雙體船艏錨布置情況

本文首先提出某小水線面雙體船艏錨布置方案并分析優(yōu)劣，確定艏錨布置方案。采用時域模擬仿真與模型試驗方法對雙體船錨泊狀態(tài)進行分析，模擬在往復流與風浪環(huán)境條件下船體運動過程和船體與錨鏈的相對運動情況，了解船體與錨鏈可能發(fā)生接觸的環(huán)境載荷特性，為實船拋錨作業(yè)提供參考。

1 艏錨布置方案

根據(jù)本船的結(jié)構(gòu)形式，錨裝置有3種布置方案。分別如下頁圖1 -圖3所示。這3種方案均是對稱布置。

1.1 方案1：錨位于片體外側(cè)

錨鏈筒出口點位于片體的外側(cè)，如下頁圖1所示。在片體外側(cè)出口點的位置設置錨架。該方案無需設置錨唇或錨穴，施工較為方便。但錨機需橫向布置，占用較多的甲板空間，錨架外觀形式較為繁復，超出船體較多，在靠碼頭時有發(fā)生碰撞的危險。

1.2 方案2：錨位于片體中央

錨鏈筒出口點位于片體的中央，如下頁圖2所示。在片體中央出口點的位置設置錨架。該方案施工較為方便，錨機布置在甲板兩側(cè)，占用較少的甲板空間。但由于水下潛體首部過于前突，為了避免收放錨時的摩擦及碰撞，需設置較大的錨架。

1.3 方案3：錨位于連接橋中央

錨鏈筒出口點位于連接橋上，如下頁圖3所示。錨置于連接橋中央。在連接橋上設置錨穴，錨收藏于錨穴中。形式簡潔內(nèi)斂，錨機布置占用較少的甲板空間。

圖1 方案1-布置圖

圖2 方案2-布置圖

圖3 方案3-布置圖

從總布置要求角度出發(fā)，方案3形式內(nèi)斂且占用較少甲板空間，比方案1和方案2更具優(yōu)勢。但由于船舶實際處于風、浪、流等復雜環(huán)境中，錨鏈與船體碰擦情況需要進一步的模擬驗證。本文以艏錨布置方案3為時域模擬仿真和模型試驗對象進行探究。

2 時域模擬仿真

2.1 基本理論

對于船舶的錨泊系統(tǒng)，其時域運動方程可寫作［4］：

式中：m為船舶質(zhì)量，kg；為附加質(zhì)量，kg；為勢流阻尼，N·s / m；為粘性阻尼，N·s / m；為船舶承受的環(huán)境載荷（包括風載荷、流載荷、一階波浪力、二階波浪力和錨鏈張力），N。

對于錨鏈張力的求解，國內(nèi)外研究很多，發(fā)展成熟［5-8］。常見的為懸鏈線法，其方程形式為：

式中：x為距離錨點的長度，m；y為距地底高度，m；G為錨鏈單位長度的質(zhì)量，kg；Th為錨鏈水平張力，N。

2.2 船體建模

通過建模軟件建立雙體船面元模型，如圖4所示。利用水動力分析軟件，在頻域下進行水動力系數(shù)計算和時域下雙體船錨泊系統(tǒng)動態(tài)響應耦合分析。

圖4 雙體船模型

2.3 錨泊系統(tǒng)模擬

雙體船主要船型參數(shù)見表2。

考慮實船使用環(huán)境，調(diào)研實地海況，采集流速、流向等數(shù)據(jù)，為數(shù)值仿真提供計算輸入。模擬船體從初始位置到最終狀態(tài)的運動過程，考察在運動過程中船體的六自由度運動軌跡以及船體和錨鏈的相對位置關系，找出運動過程中錨鏈與船體最可能相碰的位置點，以觀察船體與錨鏈之間的位置關系。風浪流環(huán)境參數(shù)見下頁表3。

表2 船型參數(shù)

表3 數(shù)值模擬環(huán)境條件參數(shù)

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5為數(shù)值仿真中船體與錨鏈相對運動結(jié)果，錨鏈與船體之間碰擦統(tǒng)計結(jié)果見表4。

圖5 船體與錨鏈相對運動數(shù)值仿真結(jié)果

表4 纏繞校核結(jié)果

由表4可知，船體受到風浪流等環(huán)境載荷時，錨鏈與船體發(fā)生碰擦的可能性大大增加，甚至有纏繞現(xiàn)象。當海流與風浪同向或者夾角大于135°時，船體與錨鏈發(fā)生碰撞纏繞的概率較大。

3 模型試驗

根據(jù)船舶設計尺度和海洋工程水池模型試驗設施條件與能力，確定實體和模型之間的縮尺比為λ= 45。在試驗進行之前，根據(jù)風浪流夾角布置好造流管，兩個方向造流管長度各為12 m，確保試驗過程中模型及其運動處于穩(wěn)定的流場范圍內(nèi)，如圖6所示。

圖6 造流管布置圖（101工況）

試驗開始階段，流向為尾流（流向與船首夾角為0°），風浪與流向及船模保持相應角度，待船舶運動處于穩(wěn)定階段后，更改流向為首向流（流向與船首夾角為180°），在船舶運動處于穩(wěn)定階段后，停止試驗，完成整個試驗過程。試驗工況與表3保持一致。在船首主甲板中線處安裝高清攝像頭，對整個試驗過程中的錨鏈與船體相對運動進行記錄，纏繞校核結(jié)果見表5。

表5 模型試驗纏繞結(jié)果

錨鏈與船體相互作用以及船體水平運動情況 參見圖7和圖8以及下頁的圖9-圖12所示。

圖7 101工況船體與錨鏈碰擦情況

圖8 104工況船體與錨鏈碰擦情況

圖9 105工況船體與錨鏈碰擦情況

圖10 101工況船體水平面運動軌跡

圖11 105工況船體水平面運動軌跡

圖12 106工況船體水平面運動軌跡

試驗中，當船體承受艏向或艉向風浪流載荷時，易與船體發(fā)生接觸；而在其他方向上，錨鏈與船體發(fā)生碰擦的可能性較小。此時，船體周圍流場較為復雜，船體與錨鏈運動無明顯規(guī)律，船體易與錨鏈發(fā)生碰擦。

結(jié)合數(shù)值仿真與模型試驗結(jié)果，當海流與風浪同向或者夾角較大時，船體受到環(huán)境載荷影響，產(chǎn)生較大的偏蕩往復運動，錨鏈受海流及船體運動影響較大，運動較為復雜，從而導致船體與錨鏈發(fā)生碰撞纏繞的概率較大。當風浪與海流夾角在90°附近時，錨鏈與船體運動范圍干涉較小，發(fā)生碰撞纏繞的概率相對較低。

4 結(jié) 語

本文提出3種雙體船艏錨布置方案，從總布置角度，以艏錨布置方案3為研究對象，通過數(shù)值模擬與模型試驗方法，探究該方案在實際海況下，船體與錨鏈的動態(tài)響應以及船體與錨鏈碰擦情況。結(jié)果表明：海流與風浪同向或夾角較大時，船體周圍流場復雜，船體受到較大的環(huán)境載荷，船體發(fā)生較大的偏蕩運動，錨鏈的運動具有不確定性，易發(fā)生碰撞纏繞現(xiàn)象。該結(jié)果可為實船錨泊作業(yè)以及今后類似船型艏錨布置設計提供借鑒。