船舶系泊問(wèn)題的試驗(yàn)研究技術(shù)

高 峰，孟祥瑋，鄭寶友，李 焱

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，綜合國(guó)力得到很大增強(qiáng)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源和原材料的需求越來(lái)越大，水上運(yùn)輸由于運(yùn)量大、成本低的特點(diǎn)日益得到重視，對(duì)運(yùn)載工具也提出了較高的要求。世界船型的趨向是“一大（噸位大）、二高（高技術(shù)含量、高附加值）、三新（新技術(shù)、新工藝、新船型）”［1］，為滿(mǎn)足我國(guó)能源、原材料、國(guó)際間貿(mào)易對(duì)船舶運(yùn)輸?shù)男枨?，也順?yīng)了上述潮流。在此背景下，船舶大型化對(duì)港口布局和水深要求就越來(lái)越高，因此港口往往有向外海發(fā)展的趨勢(shì)，并較多地采取開(kāi)敞式布置形式，碼頭也向大型化、深水化發(fā)展。此時(shí)由于停泊水域的風(fēng)、浪、流等自然環(huán)境條件呈現(xiàn)大小、方向隨機(jī)性較強(qiáng)的復(fù)雜現(xiàn)象，在外界環(huán)境動(dòng)力的綜合荷載作用下，系泊船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及受力情況也更為復(fù)雜［2］。碼頭前系泊的船舶與纜繩、護(hù)舷共同組成的系泊系統(tǒng)中，系泊的船只沒(méi)有完全被固定，它可以隨著潮汐、貨物的裝載、卸載等做升沉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于風(fēng)、水流、波浪等外在動(dòng)力環(huán)境因素作用而產(chǎn)生震蕩，其中包括6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量（即縱移、橫移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)）。圖1為一個(gè)典型的系泊系統(tǒng)，由船艏纜繩（Head Lines）、船艉纜繩（Stern Lines）、橫纜及倒纜（Breast&Spring Lines）以及護(hù)舷（Fender）等組成，該示例中有12條系泊纜繩和4個(gè)護(hù)舷，如果求解的話包括16個(gè)未知量，即纜繩的內(nèi)力和護(hù)舷反作用力，加之隨波流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，因而找出這個(gè)系統(tǒng)未知量的規(guī)律是較為復(fù)雜的，其中舷纜提供大部分的橫向、縱向抑制以抵抗離岸力和均衡力，艏纜和艉纜則提供抵抗縱向和橫向抑制力的一部分。當(dāng)系泊船舶運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大就會(huì)影響碼頭正常作業(yè)，纜繩布局不合理會(huì)造成纜繩受力不均甚至斷裂破壞，致使發(fā)生安全事故。所以如何減小系泊狀態(tài)下的船舶運(yùn)動(dòng)量和系統(tǒng)荷載，優(yōu)化系泊布置顯得尤為重要，這就需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行科研評(píng)估，其手段主要為物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算等，大連理工大學(xué)、中交天津港灣工程研究院有限公司和上海交通大學(xué)均進(jìn)行過(guò)大量的船舶系泊荷載的試驗(yàn)研究，取得了許多有價(jià)值的研究成果，交通運(yùn)輸部天津水科院和水利部南京水科院等近年來(lái)也針對(duì)大型船舶開(kāi)展了相關(guān)物理模型試驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析，從測(cè)試技術(shù)和研究方法上取得一些突破，并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本文即對(duì)目前港工領(lǐng)域的船舶系靠泊試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題作一探討，以期拋磚引玉，為相關(guān)研究提供信息參考和使用借鑒。

圖1 典型的系泊模式示意圖Fig.1 Typical ship mooring model

1 試驗(yàn)內(nèi)容及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 主要研究?jī)?nèi)容與要求

系泊船舶中對(duì)碼頭設(shè)施的碰撞將影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和碼頭穩(wěn)定性，對(duì)于正在裝卸的船舶，超過(guò)允許范圍的船體運(yùn)動(dòng)會(huì)使裝卸作業(yè)難以進(jìn)行，且延長(zhǎng)船舶在港內(nèi)停泊時(shí)間，使相應(yīng)的費(fèi)用增加。有時(shí)過(guò)大的船體運(yùn)動(dòng)足以造成斷纜而導(dǎo)致更大的損失。目前在設(shè)計(jì)規(guī)范中，港口的泊穩(wěn)條件還僅通過(guò)限定港內(nèi)容許波高來(lái)保證，事實(shí)上，系泊船舶的運(yùn)動(dòng)不僅依賴(lài)于波高的大小，而且也依賴(lài)于波浪頻率、傳播方向和系泊船舶頻率響應(yīng)特性。因此，對(duì)系泊船舶泊穩(wěn)條件的判斷，通過(guò)系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量、系纜力/撞擊力來(lái)衡量更為直觀。其中，護(hù)舷撞擊力可根據(jù)設(shè)計(jì)選型護(hù)舷的允許吸收能量的荷載范圍來(lái)估算分析（一般包括設(shè)計(jì)反力和最大反力），這在制造商提供的性能參數(shù)表中都有明確設(shè)計(jì)指標(biāo)可供參考；對(duì)于船舶6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量，英國(guó)、日本等國(guó)的港工規(guī)范中均有相關(guān)條文規(guī)定，國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）在1995年基于不同船型系泊作業(yè)安全的要求總結(jié)出允許范圍的參考值，如表1所示［3］，為行業(yè)內(nèi)所認(rèn)可；對(duì)于船舶系纜力，實(shí)際上受制于絞纜機(jī)剎車(chē)力與纜繩性能，埃克森（Exxon）石油公司系泊能力標(biāo)準(zhǔn)（BHC）確定絞纜機(jī)剎車(chē)力小于纜繩破斷負(fù)荷的60%［4］，石油公司國(guó)際海運(yùn)論壇組織（OCIMF）指導(dǎo)文件規(guī)定，即任一纜繩上的荷載不得超過(guò)其最大破斷載荷（MBL）的55%［5］。

綜上所述，船舶系泊試驗(yàn)研究和相關(guān)計(jì)算分析也將主要圍繞上述問(wèn)題進(jìn)行，研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面：

（1）船舶六自由度運(yùn)動(dòng)量：不同工況組合下（風(fēng)、浪、流及水位和配載條件），船舶的縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩、升沉及回旋6個(gè)運(yùn)動(dòng)量，并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化系泊條件；

（2）纜繩拉力及布置：不同工況組合情況下，各系船纜繩的受力，確定合理的布纜形式，遵循各纜繩荷載分配均勻的原則，優(yōu)化纜繩系泊方案；

（3）撞擊力與撞擊能：不同工況組合情況下，船舶對(duì)碼頭護(hù)舷的撞擊力、能量及其分布，確定護(hù)舷選型的合理性；

（4）靠泊試驗(yàn)：不同靠泊角度和速度組合下，船舶在靠泊過(guò)程中對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的撞擊力，確定護(hù)舷選型以及優(yōu)化靠泊方式。

表1 PIANC建議最大允許船舶運(yùn)動(dòng)量（1995）Tab.1 Suggested maximum allowable vessel motions PIANC（1995）

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

對(duì)于船舶的系泊條件問(wèn)題，目前情況下主要采用物理模型和數(shù)值計(jì)算2種試驗(yàn)手段對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，得到所需參數(shù)，為實(shí)際工程提供允許系泊及裝卸作業(yè)的條件，國(guó)內(nèi)各研究單位主要以物理模型試驗(yàn)為主，中交集團(tuán)旗下的五大水運(yùn)工程設(shè)計(jì)院也相繼采購(gòu)系泊分析軟件（Optimoor）作為前期評(píng)估，而在國(guó)外則常用數(shù)模進(jìn)行分析。目前，對(duì)于系泊條件的分析研究可供參考的主要規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是：《開(kāi)敞式碼頭設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》、《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)程》、《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》和《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》以及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6349《護(hù)舷和系泊裝置設(shè)計(jì)》（海工建筑物第四分冊(cè)）和石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF）《系泊設(shè)備指南》等。

模型試驗(yàn)是檢驗(yàn)解析理論和數(shù)值方法正確性的主要依據(jù)，按照一定比例關(guān)系將船舶、纜繩、護(hù)舷、碼頭、水下地形以及風(fēng)浪流動(dòng)力條件集中于一個(gè)試驗(yàn)環(huán)境中，可以直觀地模擬不同工況組合下的系泊條件，但是在物理模型試驗(yàn)中有一些因素是不可模擬和不可控制的，而且具有不確定因素多、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，只宜在設(shè)計(jì)最后階段使用。克服這一不足的主要途徑是采用數(shù)值模擬手段，這類(lèi)方法在國(guó)外較為普及，但在國(guó)內(nèi)還應(yīng)用有限，由于數(shù)值模擬需要時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)效益好，可以隨時(shí)增加分析功能，并且通用性好。對(duì)于此方面的數(shù)值模擬國(guó)外起步較早，取得了一些成果，且已開(kāi)發(fā)出有實(shí)用意義的應(yīng)用軟件，如美國(guó)TTI公司的Optimoor、荷蘭Alkyon公司的Ship-mooring、法國(guó)BV船級(jí)社的Ariane和美國(guó)ANSYS公司的AQWA等，這些軟件都已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段，為實(shí)際工程提供技術(shù)服務(wù)，并在不斷完善中。不論采用哪種研究手段，系泊系統(tǒng)分析的模擬研究對(duì)于碼頭設(shè)計(jì)方案中系泊纜繩的選取、系泊設(shè)備的選型、碼頭軸線的走向乃至結(jié)構(gòu)形式等的設(shè)計(jì)以及系泊方式的確定都有著重要的指導(dǎo)意義，也是工程界目前主要采用的技術(shù)手段。

2 物理模型試驗(yàn)技術(shù)

2.1 理論及規(guī)范

2.1.1 相似性

對(duì)于船舶系泊試驗(yàn)，除了滿(mǎn)足一般物理試驗(yàn)中規(guī)定的幾何相似、重力相似和阻力相似等條件外，還應(yīng)滿(mǎn)足船舶運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，包括纜繩的伸長(zhǎng)-彈力相似和護(hù)舷的受力-變形曲線相似等要求。船舶的運(yùn)動(dòng)相似是指基于幾何相似條件下處于定常流動(dòng)中的船模，其與實(shí)船對(duì)應(yīng)點(diǎn)速度值成同一比例。而動(dòng)力相似是指受力比值相同，而這其中并非所有相似都有意義，如摩擦力在船模搖蕩運(yùn)動(dòng)的某些問(wèn)題中只起到次要作用，因此對(duì)該相似不作要求，對(duì)于船模搖蕩運(yùn)動(dòng)最有意義的是重力和慣性力之間的部分相似條件，即弗汝德數(shù)相等。由于船舶搖蕩是非定常運(yùn)動(dòng)，所以滿(mǎn)足非定常流動(dòng)的相似條件（斯特洛哈爾數(shù)相等）。

船模的質(zhì)量分布相似是系泊條件研究試驗(yàn)中船舶模擬最關(guān)鍵的一環(huán)，其要求滿(mǎn)足不同載重時(shí)的船模重量分布、重心及浮心坐標(biāo)和吃水等相似要求，并且船舶自身固有橫搖和縱搖周期也必須相似條件，為此船模必須經(jīng)過(guò)靜力校準(zhǔn)和動(dòng)力校準(zhǔn)［6］，以分別確定船模重量、重心位置和縱橫軸質(zhì)量慣性矩，這也是船模模擬的關(guān)鍵和難點(diǎn)，目前主要依賴(lài)于綜合校準(zhǔn)平臺(tái)和一些經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)方式。實(shí)船的質(zhì)量慣性矩?cái)?shù)據(jù)是已知的，可以通過(guò)比較來(lái)進(jìn)一步提高相似程度，倘若缺乏該資料，也可通過(guò)近似公式計(jì)算其質(zhì)量慣性矩，其公式可以在船舶耐波性相關(guān)書(shū)籍中查到，此處不再詳述。進(jìn)行船模動(dòng)力校準(zhǔn)應(yīng)特別仔細(xì)，任何不精確之處都可能是以后船模試驗(yàn)中系統(tǒng)誤差的根源。而且若干搖蕩參數(shù)是作為大數(shù)量之差而確定的，因此動(dòng)力校準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生的較小誤差都可能在確定這些搖蕩參數(shù)時(shí)引起更大的誤差［7］。

2.1.2 其他說(shuō)明

船舶型線圖、總布置圖、主尺寸參數(shù)等是船模模擬的基礎(chǔ)，另外還需要船舶空載、滿(mǎn)載排水量和相應(yīng)吃水深度以及穩(wěn)性、操縱性資料等。船模尺度的大小，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求、模型整體尺度、池壁效應(yīng)、生波機(jī)造波范圍和水池條件等多方面條件決定，過(guò)大的船模會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的池壁干擾現(xiàn)象和堵塞現(xiàn)象，而過(guò)小的船模會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的尺度效應(yīng)［8］。必須說(shuō)明，試驗(yàn)船模只有與水接觸的部分（包括各種附體），才要求與實(shí)船的相應(yīng)部分幾何相似，而隨著對(duì)風(fēng)浪流共同作用的日益關(guān)注，考慮船舶上層建筑受風(fēng)力的影響也必須滿(mǎn)足風(fēng)荷載的作用面積相似。

在研究實(shí)船運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)的大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，一般船模的縱橫搖和升沉幅值在波長(zhǎng)λ與船模長(zhǎng)Lm之比為1.50～1.75時(shí)達(dá)到最大值。對(duì)于關(guān)注船模六自由度運(yùn)動(dòng)量的試驗(yàn)，則必須在試驗(yàn)前進(jìn)行船模靜水自由搖蕩試驗(yàn)來(lái)確定船模的搖蕩固有周期，來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)試驗(yàn)船模與實(shí)船相似性，一般貨船橫搖固有周期為7～12 s，垂蕩和縱搖為4～6 s，隨著船舶的大型化，其固有周期也逐漸增大，如26.6萬(wàn)m3LNG船的滿(mǎn)載橫搖周期為15.6 s、縱搖周期約11.3 s，而40萬(wàn)t礦石船的滿(mǎn)載橫搖周期可以達(dá)到19 s，縱搖接近13.5 s。另外，試驗(yàn)中還必須考慮系泊船舶的纜繩初始張力，其數(shù)值與不同船型和停泊條件密切相關(guān)，并直接影響系泊條件的試驗(yàn)結(jié)果，特別是系纜力與運(yùn)動(dòng)量。

2.1.3 模型制作

（1）船模：按重力相似設(shè)計(jì)，根據(jù)給定線型尺寸由木質(zhì)或玻璃鋼制作而成，船模的排水量、重心位置及縱橫向慣性半徑等，在試驗(yàn)室的校驗(yàn)架上依靠調(diào)節(jié)模型內(nèi)的配載重量及位置達(dá)到所規(guī)定的數(shù)值。

（2）纜繩：確保原型、模型船舶上的系纜點(diǎn)和碼頭上的系纜點(diǎn)間距離的相似，并使單位長(zhǎng)度原型、模型纜繩的重量滿(mǎn)足相似要求，同時(shí)原型、模型纜繩的受力-伸長(zhǎng)曲線滿(mǎn)足彈性相似要求。

（3）護(hù)舷：按照幾何相似在碼頭平臺(tái)下方沿長(zhǎng)度進(jìn)行安裝，使防碰墊在系泊船模沿碼頭長(zhǎng)度范圍內(nèi)都能起到護(hù)舷作用。

（4）碼頭：相對(duì)護(hù)舷的變形系數(shù)而言，碼頭的變形要小很多，可按照剛性處理，并遵循原型結(jié)構(gòu)型式復(fù)演對(duì)波浪傳播和水流流動(dòng)所產(chǎn)生的影響。

2.1.4 動(dòng)力環(huán)境的模擬

（1）風(fēng)速的模擬是靠調(diào)節(jié)造風(fēng)系統(tǒng)，如鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并以風(fēng)速儀測(cè)量模擬區(qū)的平均風(fēng)速，同時(shí)采集風(fēng)壓力予以校核。

（2）流速的模擬是靠調(diào)節(jié)造流系統(tǒng)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并以流速儀測(cè)量平均流速。

（3）波浪的模擬是靠調(diào)節(jié)造波機(jī)推板的運(yùn)動(dòng)振幅及周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并以浪高儀測(cè)量波高及周期并進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

（4）風(fēng)浪流方向的模擬，是靠變動(dòng)模型在水池中的布置或者移動(dòng)局部造流、造風(fēng)系統(tǒng)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，波浪的方向改變現(xiàn)在已經(jīng)非常方便，如可移動(dòng)式不規(guī)則造波機(jī)的普及和L型多方向造波系統(tǒng)的應(yīng)用。

（5）風(fēng)浪流共同作用的模擬，目前各試驗(yàn)室大多采取獨(dú)立率定再疊加的方式進(jìn)行，而各動(dòng)力因素間的相互影響也在摸索中，這也是今后需要解決的問(wèn)題。

2.2 儀器設(shè)備的依賴(lài)

系泊條件物理模型試驗(yàn)需要的儀器設(shè)備較多，安裝與調(diào)試過(guò)程也較復(fù)雜，涉及風(fēng)、浪、流及船模本身運(yùn)動(dòng)等多個(gè)要素的采集與控制。首先是能夠同時(shí)模擬風(fēng)、浪、流的試驗(yàn)水池，而船?？坎磿r(shí)的撞擊力和系纜力通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采集。過(guò)去測(cè)量運(yùn)動(dòng)量中，角位移一般用陀螺儀或電位計(jì)來(lái)測(cè)量，線位移用加速度計(jì)測(cè)量，目前比較先進(jìn)的是采用非接觸式船模運(yùn)動(dòng)量測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)量船模6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，自2003年以來(lái)，交通運(yùn)輸部天津水科院和大連理工大學(xué)試驗(yàn)室相繼采用的非接觸式船模運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)既可以對(duì)船模航跡線、漂角、舵角等參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，還可以對(duì)靠泊船模，甚至對(duì)航行中的船模進(jìn)行6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量，該試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)今后船模試驗(yàn)的完善和發(fā)展提供了保證，目前應(yīng)用廣泛。南科院近年來(lái)利用實(shí)時(shí)空間虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）運(yùn)動(dòng)跟蹤定位系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的FL-NH船模運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)小型化、輕型化的要求，使用更為靈活。儀器設(shè)備的升級(jí)和不斷完善，為船模試驗(yàn)創(chuàng)造了更好的條件，也為數(shù)據(jù)分析提供了更可靠的保證。

3 數(shù)值模擬

由于物理模型試驗(yàn)造價(jià)高，通用性差，而利用計(jì)算機(jī)程序?qū)ο挡聪到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬的應(yīng)用軟件彌補(bǔ)了這一不足。目前國(guó)際上已開(kāi)發(fā)成熟的系泊系統(tǒng)分析計(jì)算軟件通常都采用友好的用戶(hù)界面形式，使軟件的使用更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確，因此是未來(lái)解決船舶碼頭安全和作業(yè)效率問(wèn)題的發(fā)展趨勢(shì)。

目前已有的船舶及海洋工程分析計(jì)算軟件不少，如Termsim、Ship-mooring，DREDSIM、LIFSIM、Optimoor等。其中，主要用于計(jì)算系泊船舶運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部應(yīng)力的軟件主要有TERMSIM（MARINE），Ship-mooring（Alyon），Optimoor（Tension Technology international：TTI）［9］。此外還有一些軟件對(duì)于船舶運(yùn)行過(guò)程以及靠泊運(yùn)動(dòng)中對(duì)船舶進(jìn)行分析的軟件，即通航條件分析軟件，如SHIP-NAVIGATOR等，這些應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)為碼頭運(yùn)營(yíng)以及船舶作業(yè)提供了便利條件。

在這些數(shù)值模擬軟件中，根據(jù)模型外荷載分析可分為靜力模型分析軟件和動(dòng)力模型分析軟件。由TTI公司開(kāi)發(fā)的OPTIMOOR是較早為國(guó)內(nèi)采用的船舶系泊分析軟件，其應(yīng)用的就是靜力模型。該靜力模型在計(jì)算外荷載時(shí)，將外荷載按照靜力考慮，計(jì)算風(fēng)和水流荷載時(shí)，采用OCIMF推薦的公式及風(fēng)和水流系數(shù)。對(duì)于波浪則是通過(guò)用戶(hù)給定的波高計(jì)算出波浪作用在船上的靜力，然后把波浪力疊加到風(fēng)荷載中。軟件推出至今，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)被證明對(duì)于船舶及港口操作人員、設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)是基本分析工具。其軟件中包含纜繩種類(lèi)有鋼絲、芳香尼龍纖維、HMPE、尼龍編成和搓、聚酯和聚丙烯。計(jì)算結(jié)果顯示船運(yùn)動(dòng)量及系泊力，停泊纜索荷載顯示為公噸（或千磅）以及破斷力（RBS）的百分率，其中纜繩加載大于任何特殊破斷力比率則用紅色突出。同時(shí)，計(jì)算分析結(jié)果也可以平面布置圖的形式顯示，并且標(biāo)注數(shù)字結(jié)果以便于直觀的輸出。

對(duì)于掩護(hù)較好的碼頭，作業(yè)環(huán)境良好，船舶產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)量很小，此時(shí)采用靜力模型計(jì)算的結(jié)果能夠滿(mǎn)足使用者的要求。但對(duì)于深海碼頭，由于海洋環(huán)境惡劣，波浪等因素的動(dòng)力作用不能被忽略，靜力模型分析計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況相差很大，因此還是應(yīng)該選用以動(dòng)力模型為基礎(chǔ)的軟件進(jìn)行分析計(jì)算。Alkyon公司開(kāi)發(fā)的SHIP-MOORING即是典型的動(dòng)力模型分析軟件，主要考慮的外界作用包括波浪、流、風(fēng)、潮汐等。正是由于系泊船舶纜繩和護(hù)舷受力都是非線性的，風(fēng)、水流、波浪的作用力也需要考慮其非線性，所以數(shù)值模擬需要采用時(shí)域方法，因此軟件按照Cummins提出的方法在時(shí)域內(nèi)求解船舶運(yùn)動(dòng)方程，而水動(dòng)力荷載在頻域內(nèi)求解，然后采用Oortmerssen［10］提出的方法將頻域內(nèi)的水動(dòng)力荷載轉(zhuǎn)換到時(shí)域內(nèi)。SHIP-MOORING可計(jì)算多種外界作用，包括波浪激振力、水動(dòng)力、水靜力、風(fēng)荷載、水流力、纜繩力等等。波浪激振力可以計(jì)算不同形式的波，包括一階不規(guī)則波、二階長(zhǎng)波、微幅波漂移力等。按照護(hù)舷三維的實(shí)際作用點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，而不是象通常的做法那樣把防護(hù)舷當(dāng)作一維作用力處理；受力計(jì)算會(huì)隨船舶位置變化而變化；同時(shí)軟件可以計(jì)算船上任意一點(diǎn)的位移、速度、加速度；可以計(jì)算特殊的外界荷載如冰荷載、過(guò)往船舶等的作用。其中，波浪分為規(guī)則波和不規(guī)則波；流又分為潮流和非潮流；風(fēng)場(chǎng)可分為穩(wěn)定場(chǎng)和不規(guī)則場(chǎng)；潮汐可分為潮流和潮汐。因此，基于動(dòng)力響應(yīng)理論的系泊系統(tǒng)分析軟件的計(jì)算就比較復(fù)雜且有一定難度，但這也是動(dòng)力模型軟件的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。SHIP-MOORING結(jié)果的輸出提供專(zhuān)門(mén)后處理軟件PostMoorings（圖2），可分別輸出數(shù)據(jù)表、變化曲線和圖形化的動(dòng)畫(huà)格式船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程等。

圖2 SHIP-MOORING專(zhuān)用的后處理軟件界面PostMooringsFig.2 Post treatment tool of PostMoorings in SHIP-MOORING

值得一提的是，根據(jù)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)使用情況表明，Optimoor軟件對(duì)泊位長(zhǎng)度的變化很敏感，但對(duì)波周期的變化不敏感，這與物模的規(guī)律正相反。交通運(yùn)輸部天津水科院通過(guò)SHIP-MOORING對(duì)波周期、碼頭長(zhǎng)度進(jìn)行了嘗試性的探索研究［11］，當(dāng)波周期自4～30 s時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力均在與船舶自搖周期附近1倍左右時(shí)發(fā)生第一次峰值，而在接近2倍自搖周期（25～30 s）的時(shí)候，再次達(dá)到峰值，此時(shí)的峰值顯著大于第一次峰值，纜力全部大幅度超標(biāo)，表現(xiàn)為系纜力、運(yùn)動(dòng)量與波周期關(guān)系曲線呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)。對(duì)于碼頭長(zhǎng)度對(duì)纜力、運(yùn)動(dòng)量的影響敏感度不如波周期那么明顯，表現(xiàn)為短碼頭的運(yùn)動(dòng)量略有減小。

另外，目前還有一些系泊系統(tǒng)的分析計(jì)算軟件也得到了廣泛應(yīng)用，例如TermSimⅡ、TermSim也是基于動(dòng)力分析的軟件，采用動(dòng)力分析在時(shí)域內(nèi)求解的模型，可計(jì)算單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、多點(diǎn)浮體系統(tǒng)、岸壁碼頭等多種系泊系統(tǒng)。法國(guó)Bureau Veritas船級(jí)社的Ariane軟件，也是一款高效的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)時(shí)域系泊分析軟件，該軟件通過(guò)了MDN的批準(zhǔn)，并經(jīng)過(guò)了SHELL和ELF系泊標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。已開(kāi)發(fā)近30 a的AQWA軟件，其中Modelling Software Package已為美國(guó)國(guó)防部2005年規(guī)范UFC（美國(guó)海陸空三軍基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）所薦用采用。

與國(guó)外研究相比，我國(guó)數(shù)值模擬方面起步較晚，始于20世紀(jì)90年代后期，鄒志利等的系泊船運(yùn)動(dòng)方程和相關(guān)的國(guó)際通用公式研究了風(fēng)、浪、流作用下系泊船的系纜力，討論了不同水位和不同風(fēng)浪流夾角對(duì)系纜力的影響；于洋等從靜力學(xué)二維角度在不考慮纜繩拉伸變形時(shí)對(duì)纜繩張力進(jìn)行了分析；向溢等采用了蒙特卡洛算法、混沌解法對(duì)碼頭系泊船舶纜繩張力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到較好的一致性；信書(shū)等對(duì)煙大輪渡系泊船舶在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究；周豐等則考慮纜繩、護(hù)舷非線性關(guān)系對(duì)系泊船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力進(jìn)行了計(jì)算研究。

4 存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

雖然針對(duì)船舶的安全系泊問(wèn)題，已有不少試驗(yàn)成果可供參考借鑒，但目前的研究水平仍有較大的發(fā)展空間，且最為關(guān)鍵的是對(duì)于系泊穩(wěn)定判斷，也無(wú)國(guó)際統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同國(guó)家和行業(yè)協(xié)會(huì)等依據(jù)的參考標(biāo)準(zhǔn)也不同，我國(guó)的港口標(biāo)準(zhǔn)中未明確指出船舶系泊安全的建議值，如運(yùn)動(dòng)量值和纜繩破斷指標(biāo)（MBL百分比）等。目前已開(kāi)展的西部交通科技項(xiàng)目《離岸深水碼頭泊穩(wěn)條件》專(zhuān)題研究中提出了以船舶運(yùn)動(dòng)量表示的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這次探索性研究為制定我國(guó)未來(lái)的船舶安全停泊條件的規(guī)范規(guī)程奠定了基礎(chǔ)，也從一方面為船舶泊穩(wěn)條件的判斷提供了參考依據(jù)。因此，進(jìn)一步完善系泊條件標(biāo)準(zhǔn)，制定我國(guó)的行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范是接下來(lái)系泊問(wèn)題研究的發(fā)展方向和要求。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外港口工程設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)港內(nèi)泊穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)仍主要沿用2種表達(dá)形式：一種是按船舶類(lèi)型和噸位，以碼頭前允許波高作為標(biāo)準(zhǔn)；另一種是按船舶類(lèi)型，以船舶運(yùn)動(dòng)量作為標(biāo)準(zhǔn)。但由于波浪引起的船舶運(yùn)動(dòng)與波向、波周期、波高及船舶頻率響應(yīng)特性等因素密切相關(guān)，運(yùn)動(dòng)量與波浪條件的相互作用的關(guān)系較為復(fù)雜，當(dāng)前研究這一問(wèn)題的主要方法還是模型試驗(yàn)，通過(guò)船舶系泊條件的模擬可以直觀有效地判斷港口布局的合理性、不同條件下的碼頭安全停泊條件，甚至評(píng)估極限停泊條件，是輔助設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)，也日益受到重視和普及。但是受限于該類(lèi)型試驗(yàn)的投入大、研究周期長(zhǎng)、技術(shù)設(shè)備要求高以及分析研究的復(fù)雜性，投資方愿意在設(shè)計(jì)階段考慮進(jìn)行這方面科研試驗(yàn)的要求還相對(duì)有限。另一方面，也正是由于船舶物理模型試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，只宜在設(shè)計(jì)的最后階段使用?？朔@些不足的途徑是在設(shè)計(jì)初期利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，為港口設(shè)計(jì)方案的選擇提供必要的比較數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論的完善和計(jì)算程序的普及，是未來(lái)發(fā)展的方向，也是船模物理模型試驗(yàn)的有效補(bǔ)充，具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

從研究分析所關(guān)注的問(wèn)題出發(fā)，針對(duì)開(kāi)敞式碼頭應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期波浪作用時(shí)，極易出現(xiàn)斷纜情況，故研究波浪周期對(duì)開(kāi)敞式碼頭系泊安全是十分必要的，特別是近年來(lái)除國(guó)內(nèi)面向深水的大型、開(kāi)敞式泊位遇到類(lèi)似問(wèn)題外，我國(guó)涉足海外港口項(xiàng)目也普遍面臨長(zhǎng)周期涌浪控制下的建港問(wèn)題，系泊條件也成為關(guān)注的重要問(wèn)題之一。

最后，開(kāi)展原型觀測(cè)和系統(tǒng)歸類(lèi)研究是試驗(yàn)室船模試驗(yàn)?zāi)M方法和理論依據(jù)進(jìn)一步完善的必經(jīng)之路，如結(jié)合已安裝纜繩荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的碼頭，進(jìn)行實(shí)際系泊和作業(yè)條件下的纜繩及運(yùn)動(dòng)量測(cè)試，以了解不同工況下實(shí)船的泊穩(wěn)情況，為試驗(yàn)研究中一些模擬問(wèn)題的合理概化提供參考借鑒。而隨著國(guó)內(nèi)外超大型、專(zhuān)業(yè)型、特殊船舶的相繼出現(xiàn)，也對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)定提出了新的挑戰(zhàn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和原型數(shù)據(jù)采集不但可以獲得寶貴的現(xiàn)場(chǎng)資料，也為系泊試驗(yàn)研究提供了更準(zhǔn)確、更科學(xué)的參考依據(jù)。

［1］高稷.世界造船業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和研發(fā)動(dòng)態(tài)［J］.經(jīng)濟(jì)縱橫，2004（11）：38-40.

［2］盧西偉.開(kāi)敞水域系泊船舶運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力響應(yīng)研究與泊位優(yōu)化［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［3］Permanent International Association of Navigation Congresses.Criteria for movements of moored ships in harbours：a practical guide［R］.Belgium：PIANC，1995.

［4］秦子君，魏昌理.纜繩荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開(kāi)敞式碼頭的應(yīng)用與分析［J］.水運(yùn)工程，2007，9（407）：100-107.QIN Z J，WEI C L.Application and Analysis of Mooring Load Monitoring System in Exposed Wharf［J］.Port&Waterway Engineering，2007，9（407）：100-107.

［5］OCIMF.Mooring Equipment Guidelines：MEG3［R］.United Kingdom：OCIMF，2008.

［6］李積德.船舶耐波性［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

［7］吳秀恒.船舶操縱性與耐波性［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［8］須清華，張瑞凱.通航建筑物應(yīng)用基礎(chǔ)研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

［9］鄒志利，張日向，張寧川，等.風(fēng)浪流作用下系泊船系纜力和碰撞力的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2002，17（2）：22-27.ZOU Z L，ZHANG R X，ZHANG N C，et al.The Numerical Simulation of Mooring Force&Impact Force of Ship Moored to Offshore Platform［J］.China Offshore Platform，2002，17（2）：22-27.

［10］Cummins W E.The impulsive response function and ship motions.Symposium on ship theory［J］.Institute für Schiffbau Universit?t Hamburg，1962（1）：25-27.

［11］孟祥瑋，高峰，李焱.波周期對(duì)系泊條件影響的數(shù)學(xué)模型研究［C］//APAC.第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.香港：APAC，2011：788-792.