船舶系泊問題的試驗研究技術(shù)

高 峰，孟祥瑋，鄭寶友，李 焱

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，綜合國力得到很大增強，而經(jīng)濟發(fā)展對能源和原材料的需求越來越大，水上運輸由于運量大、成本低的特點日益得到重視，對運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］，為滿足我國能源、原材料、國際間貿(mào)易對船舶運輸?shù)男枨?，也順?yīng)了上述潮流。在此背景下，船舶大型化對港口布局和水深要求就越來越高，因此港口往往有向外海發(fā)展的趨勢，并較多地采取開敞式布置形式，碼頭也向大型化、深水化發(fā)展。此時由于停泊水域的風(fēng)、浪、流等自然環(huán)境條件呈現(xiàn)大小、方向隨機性較強的復(fù)雜現(xiàn)象，在外界環(huán)境動力的綜合荷載作用下，系泊船舶的運動響應(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、卸載等做升沉運動，同時由于風(fēng)、水流、波浪等外在動力環(huán)境因素作用而產(chǎn)生震蕩，其中包括6個自由度的運動量（即縱移、橫移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)）。圖1為一個典型的系泊系統(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個護(hù)舷，如果求解的話包括16個未知量，即纜繩的內(nèi)力和護(hù)舷反作用力，加之隨波流運動的隨機性，因而找出這個系統(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)系泊船舶運動幅度過大就會影響碼頭正常作業(yè)，纜繩布局不合理會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)下的船舶運動量和系統(tǒng)荷載，優(yōu)化系泊布置顯得尤為重要，這就需要在設(shè)計階段進(jìn)行科研評估，其手段主要為物理模型試驗、數(shù)值模擬以及經(jīng)驗公式的計算等，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)行過大量的船舶系泊荷載的試驗研究，取得了許多有價值的研究成果，交通運輸部天津水科院和水利部南京水科院等近年來也針對大型船舶開展了相關(guān)物理模型試驗研究與數(shù)據(jù)分析，從測試技術(shù)和研究方法上取得一些突破，并積累了寶貴的經(jīng)驗。本文即對目前港工領(lǐng)域的船舶系靠泊試驗的相關(guān)技術(shù)問題作一探討，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 試驗內(nèi)容及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 主要研究內(nèi)容與要求

系泊船舶中對碼頭設(shè)施的碰撞將影響結(jié)構(gòu)強度和碼頭穩(wěn)定性，對于正在裝卸的船舶，超過允許范圍的船體運動會使裝卸作業(yè)難以進(jìn)行，且延長船舶在港內(nèi)停泊時間，使相應(yīng)的費用增加。有時過大的船體運動足以造成斷纜而導(dǎo)致更大的損失。目前在設(shè)計規(guī)范中，港口的泊穩(wěn)條件還僅通過限定港內(nèi)容許波高來保證，事實上，系泊船舶的運動不僅依賴于波高的大小，而且也依賴于波浪頻率、傳播方向和系泊船舶頻率響應(yīng)特性。因此，對系泊船舶泊穩(wěn)條件的判斷，通過系泊船舶的運動量、系纜力/撞擊力來衡量更為直觀。其中，護(hù)舷撞擊力可根據(jù)設(shè)計選型護(hù)舷的允許吸收能量的荷載范圍來估算分析（一般包括設(shè)計反力和最大反力），這在制造商提供的性能參數(shù)表中都有明確設(shè)計指標(biāo)可供參考；對于船舶6個自由度的運動量，英國、日本等國的港工規(guī)范中均有相關(guān)條文規(guī)定，國際航運協(xié)會（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；對于船舶系纜力，實際上受制于絞纜機剎車力與纜繩性能，?？松‥xxon）石油公司系泊能力標(biāo)準(zhǔn)（BHC）確定絞纜機剎車力小于纜繩破斷負(fù)荷的60%［4］，石油公司國際海運論壇組織（OCIMF）指導(dǎo)文件規(guī)定，即任一纜繩上的荷載不得超過其最大破斷載荷（MBL）的55%［5］。

綜上所述，船舶系泊試驗研究和相關(guān)計算分析也將主要圍繞上述問題進(jìn)行，研究內(nèi)容包括以下幾方面：

（1）船舶六自由度運動量：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個運動量，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：不同靠泊角度和速度組合下，船舶在靠泊過程中對碼頭結(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動量（1995）Tab.1 Suggested maximum allowable vessel motions PIANC（1995）

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

對于船舶的系泊條件問題，目前情況下主要采用物理模型和數(shù)值計算2種試驗手段對實際情況進(jìn)行模擬，得到所需參數(shù)，為實際工程提供允許系泊及裝卸作業(yè)的條件，國內(nèi)各研究單位主要以物理模型試驗為主，中交集團旗下的五大水運工程設(shè)計院也相繼采購系泊分析軟件（Optimoor）作為前期評估，而在國外則常用數(shù)模進(jìn)行分析。目前，對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：《開敞式碼頭設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)程》、《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)程》、《海港總平面設(shè)計規(guī)范》和《波浪模型試驗規(guī)程》以及英國標(biāo)準(zhǔn)BS6349《護(hù)舷和系泊裝置設(shè)計》（海工建筑物第四分冊）和石油公司國際海事論壇（OCIMF）《系泊設(shè)備指南》等。

模型試驗是檢驗解析理論和數(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)浪流動力條件集中于一個試驗環(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、費用高、周期長等缺點，只宜在設(shè)計最后階段使用?？朔@一不足的主要途徑是采用數(shù)值模擬手段，這類方法在國外較為普及，但在國內(nèi)還應(yīng)用有限，由于數(shù)值模擬需要時間短、經(jīng)濟效益好，可以隨時增加分析功能，并且通用性好。對于此方面的數(shù)值模擬國外起步較早，取得了一些成果，且已開發(fā)出有實用意義的應(yīng)用軟件，如美國TTI公司的Optimoor、荷蘭Alkyon公司的Ship-mooring、法國BV船級社的Ariane和美國ANSYS公司的AQWA等，這些軟件都已進(jìn)入商業(yè)化運營階段，為實際工程提供技術(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)分析的模擬研究對于碼頭設(shè)計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 物理模型試驗技術(shù)

2.1 理論及規(guī)范

2.1.1 相似性

對于船舶系泊試驗，除了滿足一般物理試驗中規(guī)定的幾何相似、重力相似和阻力相似等條件外，還應(yīng)滿足船舶運動相似和動力相似，包括纜繩的伸長-彈力相似和護(hù)舷的受力-變形曲線相似等要求。船舶的運動相似是指基于幾何相似條件下處于定常流動中的船模，其與實船對應(yīng)點速度值成同一比例。而動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動的某些問題中只起到次要作用，因此對該相似不作要求，對于船模搖蕩運動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動，所以滿足非定常流動的相似條件（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中船舶模擬最關(guān)鍵的一環(huán)，其要求滿足不同載重時的船模重量分布、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)過靜力校準(zhǔn)和動力校準(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，目前主要依賴于綜合校準(zhǔn)平臺和一些經(jīng)驗的傳統(tǒng)方式。實船的質(zhì)量慣性矩數(shù)據(jù)是已知的，可以通過比較來進(jìn)一步提高相似程度，倘若缺乏該資料，也可通過近似公式計算其質(zhì)量慣性矩，其公式可以在船舶耐波性相關(guān)書籍中查到，此處不再詳述。進(jìn)行船模動力校準(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，因此動力校準(zhǔn)時產(chǎn)生的較小誤差都可能在確定這些搖蕩參數(shù)時引起更大的誤差［7］。

2.1.2 其他說明

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)試驗要求、模型整體尺度、池壁效應(yīng)、生波機造波范圍和水池條件等多方面條件決定，過大的船模會出現(xiàn)嚴(yán)重的池壁干擾現(xiàn)象和堵塞現(xiàn)象，而過小的船模會帶來嚴(yán)重的尺度效應(yīng)［8］。必須說明，試驗船模只有與水接觸的部分（包括各種附體），才要求與實船的相應(yīng)部分幾何相似，而隨著對風(fēng)浪流共同作用的日益關(guān)注，考慮船舶上層建筑受風(fēng)力的影響也必須滿足風(fēng)荷載的作用面積相似。

在研究實船運動頻率響應(yīng)函數(shù)的大量統(tǒng)計結(jié)果表明，一般船模的縱橫搖和升沉幅值在波長λ與船模長Lm之比為1.50～1.75時達(dá)到最大值。對于關(guān)注船模六自由度運動量的試驗，則必須在試驗前進(jìn)行船模靜水自由搖蕩試驗來確定船模的搖蕩固有周期，來進(jìn)一步檢驗試驗船模與實船相似性，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m3LNG船的滿載橫搖周期為15.6 s、縱搖周期約11.3 s，而40萬t礦石船的滿載橫搖周期可以達(dá)到19 s，縱搖接近13.5 s。另外，試驗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結(jié)果，特別是系纜力與運動量。

2.1.3 模型制作

（1）船模：按重力相似設(shè)計，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，在試驗室的校驗架上依靠調(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和碼頭上的系纜點間距離的相似，并使單位長度原型、模型纜繩的重量滿足相似要求，同時原型、模型纜繩的受力-伸長曲線滿足彈性相似要求。

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

（4）碼頭：相對護(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)演對波浪傳播和水流流動所產(chǎn)生的影響。

2.1.4 動力環(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)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，并以風(fēng)速儀測量模擬區(qū)的平均風(fēng)速，同時采集風(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)速來實現(xiàn)的，并以流速儀測量平均流速。

（3）波浪的模擬是靠調(diào)節(jié)造波機推板的運動振幅及周期來實現(xiàn)的，并以浪高儀測量波高及周期并進(jìn)行實時記錄。

（4）風(fēng)浪流方向的模擬，是靠變動模型在水池中的布置或者移動局部造流、造風(fēng)系統(tǒng)的位置來實現(xiàn)的，波浪的方向改變現(xiàn)在已經(jīng)非常方便，如可移動式不規(guī)則造波機的普及和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，目前各試驗室大多采取獨立率定再疊加的方式進(jìn)行，而各動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題。

2.2 儀器設(shè)備的依賴

系泊條件物理模型試驗需要的儀器設(shè)備較多，安裝與調(diào)試過程也較復(fù)雜，涉及風(fēng)、浪、流及船模本身運動等多個要素的采集與控制。首先是能夠同時模擬風(fēng)、浪、流的試驗水池，而船模靠泊時的撞擊力和系纜力通過動態(tài)電阻應(yīng)變儀采集。過去測量運動量中，角位移一般用陀螺儀或電位計來測量，線位移用加速度計測量，目前比較先進(jìn)的是采用非接觸式船模運動量測試系統(tǒng)來測量船模6個自由度的運動，自2003年以來，交通運輸部天津水科院和大連理工大學(xué)試驗室相繼采用的非接觸式船模運動測試系統(tǒng)既可以對船模航跡線、漂角、舵角等參數(shù)實現(xiàn)自動采集，還可以對靠泊船模，甚至對航行中的船模進(jìn)行6個自由度運動量的測量，該試驗技術(shù)的進(jìn)步對今后船模試驗的完善和發(fā)展提供了保證，目前應(yīng)用廣泛。南科院近年來利用實時空間虛擬現(xiàn)實（VR）運動跟蹤定位系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的FL-NH船模運動采集系統(tǒng)，可進(jìn)一步實現(xiàn)測試系統(tǒng)小型化、輕型化的要求，使用更為靈活。儀器設(shè)備的升級和不斷完善，為船模試驗創(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

由于物理模型試驗造價高，通用性差，而利用計算機程序?qū)ο挡聪到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬的應(yīng)用軟件彌補了這一不足。目前國際上已開發(fā)成熟的系泊系統(tǒng)分析計算軟件通常都采用友好的用戶界面形式，使軟件的使用更簡單、更準(zhǔn)確，因此是未來解決船舶碼頭安全和作業(yè)效率問題的發(fā)展趨勢。

目前已有的船舶及海洋工程分析計算軟件不少，如Termsim、Ship-mooring，DREDSIM、LIFSIM、Optimoor等。其中，主要用于計算系泊船舶運動和內(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于船舶運行過程以及靠泊運動中對船舶進(jìn)行分析的軟件，即通航條件分析軟件，如SHIP-NAVIGATOR等，這些應(yīng)用軟件的開發(fā)為碼頭運營以及船舶作業(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力模型分析軟件。由TTI公司開發(fā)的OPTIMOOR是較早為國內(nèi)采用的船舶系泊分析軟件，其應(yīng)用的就是靜力模型。該靜力模型在計算外荷載時，將外荷載按照靜力考慮，計算風(fēng)和水流荷載時，采用OCIMF推薦的公式及風(fēng)和水流系數(shù)。對于波浪則是通過用戶給定的波高計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)被證明對于船舶及港口操作人員、設(shè)計工程師來說是基本分析工具。其軟件中包含纜繩種類有鋼絲、芳香尼龍纖維、HMPE、尼龍編成和搓、聚酯和聚丙烯。計算結(jié)果顯示船運動量及系泊力，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，計算分析結(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。

對于掩護(hù)較好的碼頭，作業(yè)環(huán)境良好，船舶產(chǎn)生的運動量很小，此時采用靜力模型計算的結(jié)果能夠滿足使用者的要求。但對于深海碼頭，由于海洋環(huán)境惡劣，波浪等因素的動力作用不能被忽略，靜力模型分析計算的結(jié)果與實際情況相差很大，因此還是應(yīng)該選用以動力模型為基礎(chǔ)的軟件進(jìn)行分析計算。Alkyon公司開發(fā)的SHIP-MOORING即是典型的動力模型分析軟件，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)值模擬需要采用時域方法，因此軟件按照Cummins提出的方法在時域內(nèi)求解船舶運動方程，而水動力荷載在頻域內(nèi)求解，然后采用Oortmerssen［10］提出的方法將頻域內(nèi)的水動力荷載轉(zhuǎn)換到時域內(nèi)。SHIP-MOORING可計算多種外界作用，包括波浪激振力、水動力、水靜力、風(fēng)荷載、水流力、纜繩力等等。波浪激振力可以計算不同形式的波，包括一階不規(guī)則波、二階長波、微幅波漂移力等。按照護(hù)舷三維的實際作用點進(jìn)行計算，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；受力計算會隨船舶位置變化而變化；同時軟件可以計算船上任意一點的位移、速度、加速度；可以計算特殊的外界荷載如冰荷載、過往船舶等的作用。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)場可分為穩(wěn)定場和不規(guī)則場；潮汐可分為潮流和潮汐。因此，基于動力響應(yīng)理論的系泊系統(tǒng)分析軟件的計算就比較復(fù)雜且有一定難度，但這也是動力模型軟件的優(yōu)勢和特點。SHIP-MOORING結(jié)果的輸出提供專門后處理軟件PostMoorings（圖2），可分別輸出數(shù)據(jù)表、變化曲線和圖形化的動畫格式船舶運動過程等。

圖2 SHIP-MOORING專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)有國內(nèi)使用情況表明，Optimoor軟件對泊位長度的變化很敏感，但對波周期的變化不敏感，這與物模的規(guī)律正相反。交通運輸部天津水科院通過SHIP-MOORING對波周期、碼頭長度進(jìn)行了嘗試性的探索研究［11］，當(dāng)波周期自4～30 s時，船舶運動量和系纜力均在與船舶自搖周期附近1倍左右時發(fā)生第一次峰值，而在接近2倍自搖周期（25～30 s）的時候，再次達(dá)到峰值，此時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、運動量與波周期關(guān)系曲線呈現(xiàn)雙峰趨勢。對于碼頭長度對纜力、運動量的影響敏感度不如波周期那么明顯，表現(xiàn)為短碼頭的運動量略有減小。

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

與國外研究相比，我國數(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動方程和相關(guān)的國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對纜繩張力進(jìn)行了分析；向溢等采用了蒙特卡洛算法、混沌解法對碼頭系泊船舶纜繩張力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，得到較好的一致性；信書等對煙大輪渡系泊船舶在波浪作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究；周豐等則考慮纜繩、護(hù)舷非線性關(guān)系對系泊船舶運動量和系纜力進(jìn)行了計算研究。

4 存在問題和發(fā)展趨勢

雖然針對船舶的安全系泊問題，已有不少試驗成果可供參考借鑒，但目前的研究水平仍有較大的發(fā)展空間，且最為關(guān)鍵的是對于系泊穩(wěn)定判斷，也無國際統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同國家和行業(yè)協(xié)會等依據(jù)的參考標(biāo)準(zhǔn)也不同，我國的港口標(biāo)準(zhǔn)中未明確指出船舶系泊安全的建議值，如運動量值和纜繩破斷指標(biāo)（MBL百分比）等。目前已開展的西部交通科技項目《離岸深水碼頭泊穩(wěn)條件》專題研究中提出了以船舶運動量表示的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這次探索性研究為制定我國未來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)，制定我國的行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范是接下來系泊問題研究的發(fā)展方向和要求。

到目前為止，國內(nèi)外港口工程設(shè)計規(guī)范對港內(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)；另一種是按船舶類型，以船舶運動量作為標(biāo)準(zhǔn)。但由于波浪引起的船舶運動與波向、波周期、波高及船舶頻率響應(yīng)特性等因素密切相關(guān)，運動量與波浪條件的相互作用的關(guān)系較為復(fù)雜，當(dāng)前研究這一問題的主要方法還是模型試驗，通過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，甚至評估極限停泊條件，是輔助設(shè)計的重要參考依據(jù)，也日益受到重視和普及。但是受限于該類型試驗的投入大、研究周期長、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)計階段考慮進(jìn)行這方面科研試驗的要求還相對有限。另一方面，也正是由于船舶物理模型試驗費用高、周期長，只宜在設(shè)計的最后階段使用?？朔@些不足的途徑是在設(shè)計初期利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)，為港口設(shè)計方案的選擇提供必要的比較數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論的完善和計算程序的普及，是未來發(fā)展的方向，也是船模物理模型試驗的有效補充，具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。

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

最后，開展原型觀測和系統(tǒng)歸類研究是試驗室船模試驗?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)測系統(tǒng)的碼頭，進(jìn)行實際系泊和作業(yè)條件下的纜繩及運動量測試，以了解不同工況下實船的泊穩(wěn)情況，為試驗研究中一些模擬問題的合理概化提供參考借鑒。而隨著國內(nèi)外超大型、專業(yè)型、特殊船舶的相繼出現(xiàn)，也對現(xiàn)有經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)定提出了新的挑戰(zhàn)，進(jìn)行現(xiàn)場觀測和原型數(shù)據(jù)采集不但可以獲得寶貴的現(xiàn)場資料，也為系泊試驗研究提供了更準(zhǔn)確、更科學(xué)的參考依據(jù)。

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