張健博

[摘 ? ?要]在國(guó)際物流中，碼頭作為聯(lián)系貿(mào)易的重要水陸交通樞紐，是為船舶提供停靠裝卸貨物的必要場(chǎng)所。碼頭的技術(shù)問(wèn)題其中之一是系泊方式的選擇，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的系泊方案對(duì)船舶和碼頭的安全都十分重要。對(duì)一艘排水量為45 000t的散貨船的系泊狀態(tài)進(jìn)行分析，使用AQWA軟件，在三維勢(shì)流理論的支持下，選擇理想環(huán)境對(duì)船舶系泊方案進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容為：建立船舶和碼頭模型，使用AQWA頻域分析模塊對(duì)船舶的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析;碼頭系泊船舶時(shí)域耦合分析。設(shè)計(jì)兩種不同的系泊方案，比較兩種方案下船舶自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力的變化情況，確定適合的系泊方案。

[關(guān)鍵詞]碼頭系泊;AQWA;水動(dòng)力性能

[中圖分類(lèi)號(hào)]U653.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–0–03

Simulation Design of Wharf Ship Mooring Based on Aqwa

Zhang Jian-bo

[Abstract]In international logistics， as an important land and water transportation hub for linked trade， the wharf is a necessary place for ships to dock and load and unload goods. One of the technical problems of the terminal is the choice of mooring mode. Designing a reasonable mooring scheme is very important for the safety of ships and terminals. In this paper， the mooring state of a bulk carrier with a displacement of 45000 tons is analyzed. Using Aqwa software and supported by three-dimensional potential flow theory， the ideal environment is selected to simulate and design the ship mooring scheme. The main research contents are as follows： （1） establish the ship and wharf model. The Aqwa frequency domain analysis module is used to analyze the hydrodynamic performance of the ship. （2） Time domain coupling analysis of wharf moored ships. Design two different mooring schemes， compare the motion response of ship degrees of freedom and the change of mooring line tension under the two schemes， and determine the suitable mooring scheme.

[Keywords]wharf mooring; AQWA; hydrodynamic performance

現(xiàn)代社會(huì)中海洋運(yùn)輸十分關(guān)鍵。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是國(guó)家的根本，碼頭為船舶提供?？垦b卸貨物的必要場(chǎng)所，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)提高、社會(huì)進(jìn)步起到關(guān)鍵的作用。碼頭系泊方式是指系泊纜的數(shù)量和出纜角度不同方向的安排，若在系泊過(guò)程中受力不均會(huì)導(dǎo)致某一處系泊纜的受力變得過(guò)大，如果超出破斷張力，就會(huì)有系泊纜斷開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致發(fā)生斷纜事故，造成十分嚴(yán)重的損失[1]。

船舶的六個(gè)自由度對(duì)正在航行的船舶都很關(guān)鍵，對(duì)系泊船舶來(lái)說(shuō)，如果自由度變化很大，就會(huì)影響船舶的正常工作效率，因此一個(gè)合理的范圍對(duì)于船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也很關(guān)鍵[2]。本文選擇AQWA對(duì)一艘長(zhǎng)寬比為5.5∶1，排水量為45 000t的散貨船進(jìn)行模擬分析，研究其在理想環(huán)境中的系泊方式。

1 AQWA導(dǎo)入模型與網(wǎng)格劃分

本文船舶的具體參數(shù)見(jiàn)表1。本論文所有的計(jì)算中，坐標(biāo)系如圖1所示。在AQWA中導(dǎo)入由DesignModeler建模的船體和碼頭，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定碼頭和船舶的距離，如圖2所示。

2 碼頭船舶系泊方案設(shè)計(jì)

本文模擬碼頭的風(fēng)、流、浪運(yùn)動(dòng)情況，選取的工況見(jiàn)表2，采用NPD風(fēng)譜、JONSWAP波浪譜以及均勻流。碼頭水深設(shè)為20 m，波浪方向?yàn)?0°，即為橫浪;風(fēng)向?yàn)?0°，即為攏風(fēng);流向?yàn)?35°，有義波高2.5 m。

系泊用的纜繩采用的大多為尼龍纜，本次模擬使用的纜繩直徑為10 mm，干重10.26 kg/m，等效截面積取0.01 m2，破斷強(qiáng)度為7 000 kN。本次模擬的碼頭系泊，由碼頭、系泊纜、船舶三部分組成，不考慮系泊纜入水的情況，所有系泊纜在空氣中通過(guò)導(dǎo)纜孔與碼頭上的帶纜樁鏈接。

系泊方案一通過(guò)選擇12條系泊纜進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，坐標(biāo)分布見(jiàn)表3。示意圖如圖3所示。

系泊方案一系泊纜受力情況如圖4所示，可以看出Cable9、Cable10所代表的兩根纜繩的受力略高出破斷張力，而Cable5、Cable11根系泊纜受力較小，存在受力不均的問(wèn)題。因此碼頭系泊船舶方案存在風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行優(yōu)化。

在保證系泊過(guò)程中不超出破斷力安全范圍的同時(shí)，也應(yīng)繼續(xù)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)時(shí)域耦合分析，方案一在橫搖方向船舶的運(yùn)動(dòng)范圍在-8.2°～6.157°;在縱搖方向，船舶的范圍在-0.888°～1.213°;在艏搖方向，船舶的運(yùn)動(dòng)范圍在-5.134°～5.161°。

方案一的設(shè)計(jì)中存在部分系泊纜受力超出破斷張力的情況，需要進(jìn)行優(yōu)化使得最大受力小于破斷力的同時(shí)盡可能減小船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

方案二在方案一基礎(chǔ)上，針對(duì)Cable9、Cable10兩根系泊纜最大受力超出破斷力最大值，在不增加纜繩數(shù)量的情況下改變纜繩的出纜角度使得纜繩的受力滿足要求。方案二的坐標(biāo)分布圖見(jiàn)表4;示意圖如圖5所示，纜繩受力情況如圖6所示。

從圖6可以看出，與方案一相比，方案二系泊纜整體的受力有所下降，其中Cable9、Cable10系泊纜受力已經(jīng)低于破斷張力，受力較小的Cable5、Cable11受力有所增加，整體受力滿足理想條件下船舶系泊的要求。

方案二的船舶運(yùn)動(dòng)幅值如下：在橫搖方向，船舶的運(yùn)動(dòng)范圍在-6.055°～4.392°;在縱搖方向，船舶的范圍在-1.084°～1.111°;在艏搖方向，船舶的運(yùn)動(dòng)范圍在-5.069°～6.208°。相比于方案一運(yùn)動(dòng)幅值幅度有所減小，符合安全設(shè)計(jì)的理念。

經(jīng)過(guò)分析后可以得到結(jié)論，方案二與方案一相比，每根系泊纜的受力有所平衡，自身受力均小于破斷張力，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅度有所降低，在理想環(huán)境中滿足系泊所需的設(shè)計(jì)條件，故而在設(shè)計(jì)中第二種設(shè)計(jì)方案比較合理。

3 設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論

使用AQWA對(duì)排水量為45 000t的散貨船在理想環(huán)境下對(duì)碼頭系泊進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，得到了兩種不同方案的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力變化情況，通過(guò)比較確定了最優(yōu)系泊方案，并通過(guò)數(shù)據(jù)說(shuō)明，系泊方案二是本次碼頭系泊模擬設(shè)計(jì)方案中最優(yōu)選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭建廷.船舶碼頭系泊形式及水動(dòng)力性能分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2016.

[2] 高峰，王煒正，李焱.大型LNG船舶在風(fēng)浪流共同作用下的系泊試驗(yàn)研究[J].水道港口，2013，34（5）：398-402.