系泊滾裝船在波浪作用下的運動響應(yīng)

張先波，李姍，孫運佳，劉志遠

（中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建水動力重點實驗室，天津300222）

系泊滾裝船在波浪作用下的運動響應(yīng)

張先波，李姍，孫運佳，劉志遠

（中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建水動力重點實驗室，天津300222）

通過對40槽車滾裝船在不同波浪下的系泊模型試驗，揭示了系泊船舶分別隨波高變化和波浪周期變化其運動量的變化規(guī)律，討論了不同波向?qū)Υ斑\動的影響，研究成果對沿海及內(nèi)河槽車滾裝船系泊作業(yè)具有重要的參考價值。

滾裝船；系泊；作業(yè)；船舶運動量

0 引言

滾裝船本身無裝卸設(shè)備，一般在船側(cè)或船的首、尾有開口斜坡連接碼頭，裝卸貨物時，汽車直接開進或開出船艙。這種船的優(yōu)點是裝卸效率高，船舶周轉(zhuǎn)快和水陸直達聯(lián)運方便；缺點是重心高，穩(wěn)性較差，船舶受波浪影響較大，進行系泊作業(yè)時對波浪條件要求較高?；谏鲜鲈?，以40槽車滾裝船為例，結(jié)合文獻[1-3]中關(guān)于船舶裝卸作業(yè)允許運動量的要求，通過船舶系泊物理模型試驗的方法，研究船舶運動量分別隨波浪波高和波浪周期的變化關(guān)系。

1 船舶尺寸及試驗條件

本次試驗采用40槽車滾裝船，考慮滿載和壓載兩種載度，船型尺度以及有關(guān)動力參數(shù)見表1。

表1 試驗船型的尺度及動力參數(shù)Table1 Ro-ro scale and parameters

1）試驗水位及波浪

表2為試驗采用的波浪要素，進行了滿載設(shè)計低水位和壓載設(shè)計高水位測定，其中設(shè)計高水位4.04 m，設(shè)計低水位0.53 m。

表2 試驗波浪要素Table2 Wave parameters

2）系纜布置及護舷

纜繩為72 mm的尼龍纜，其破斷力為740 kN，單根纜繩的允許拉力為333 kN。系纜方式為1-2-2-2-2布置（艏纜1根，艏艉橫纜2根，艏艉倒纜2根，艉纜2根）。

滾裝船碼頭護舷采用500H拱型橡膠護舷，設(shè)計反力344 kN，設(shè)計吸能72 kJ（變形52.5%），最大反力476 kN（變形55%）。系纜布置及護舷見圖1。

圖1 系纜布置圖及護舷位置Fig.1 Ship mooring figure and fenders'locations

2 試驗方法

1）試驗比尺

試驗在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中進行，采用正態(tài)模型設(shè)計，模型幾何比尺λ為1∶30，試驗波浪采用不規(guī)則波，譜型采用JONSWAP譜，γ取3.3。

2）護舷及纜繩的模擬

護舷模擬確保模型護舷的反力-變位曲線及能量吸收曲線與原型相似。

纜繩模擬保證纜繩的長度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線和理論曲線基本一致。纜繩的長度為脫纜鉤到出纜孔的距離與出纜孔到絞車的距離之和；纜繩的受力-伸長曲線按JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》給出的公式進行計算。

3）數(shù)據(jù)分析

考慮到車輛都是經(jīng)由艏艉踏板上、下船，所以試驗船舶是以艏部踏板處的X、Y、Z為準。

3 研究成果分析

3.1 系泊船舶運動量隨波浪波高的關(guān)系

試驗表明，系泊船舶的運動量隨波高增大而增大。90°波浪作用時，船舶的橫移和橫搖隨著波高的增大變化幅度較大，45°和0°波浪作用時船舶的縱搖和升沉變化較為明顯。圖2和圖3是波浪平均周期6 s時系泊船舶橫移和橫搖隨波高的變化曲線。

對于滿載和壓載兩種不同船舶裝載狀態(tài)，船舶的運動量變化規(guī)律不盡相同。相同的波高下，滿載和壓載兩種狀態(tài)下90°波浪作用時船舶運動量均大于45°和0°時。在滿載時，45°波浪作用時船舶運動量大于0°波浪作用時；壓載時，則是0°波浪作用時船舶運動量大于45°波浪作用時。

表3列出了滿載和壓載狀態(tài)下船舶在90°波浪平均周期為6 s時的船舶運動量。

通過對試驗結(jié)果的分析可以得到：

1）系泊船舶的各運動量都隨著波高增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢。

2）波浪條件相同的試驗條件下，90°波浪作用時對船舶的作用比45°和0°時更加顯著，船舶運動量明顯大于45°和0°波浪時。

3）對比船舶的各運動量變化，90°波浪對船舶的橫移和橫搖運動量影響更顯著，45°和0°波浪對船舶的縱搖和升沉影響較為明顯，而船舶的縱移和回轉(zhuǎn)隨著波高增大增幅較小。

4）滿載和壓載兩種不同的船舶裝載狀態(tài)下，船舶的運動量也不盡相同。滿載狀態(tài)下，90°波浪作用時船舶運動量大于45°和0°波浪作用時，45°波浪作用時船舶的運動量大于0°時；壓載狀態(tài)下，0°波浪作用時船舶的運動量大于45°時。

圖2 波浪平均周期6 s時系泊滾裝船橫移運動量三分之一大值Fig.2 Significant swaying values under the action of waves of T=6 s

圖3 波浪平均周期6 s時系泊滾裝船橫搖運動量三分之一大值Fig.3 Significantrowing values under the action of waves of T=6 s

表3 波高變化時船舶運動量三分之一大值Table3 Significantship motion values under the action ofdifferentwave heights

3.2 系泊船舶運動量隨波浪周期的關(guān)系

試驗表明，與系泊船舶的運動量隨波高增大而增大不同，周期對船舶運動量的影響并不是隨著波浪周期的增大船舶運動量也增大。90°波浪作用時，船舶的縱移出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象，橫搖也出現(xiàn)了從波浪平均周期為4～5 s時增幅較大，而5～6 s時增幅變緩甚至不增長的現(xiàn)象；在45°和0°波浪作用時，升沉和縱搖隨著波浪的增大而增大，橫移和橫搖則變化幅度并不明顯。圖4和圖5是波浪H4%=0.6 m時系泊船舶橫移隨周期的變化曲線。

對于滿載和壓載兩種不同的船舶裝載狀態(tài)，

船舶的運動量變化規(guī)律不盡相同，滿載時基本上都是45°波浪作用時的船舶運動量大于0°波浪時，而壓載時則是0°波浪作用時的船舶運動量大于45°波浪時。同樣的波浪條件下，并非90°波浪作用時船舶的各運動量都大于45°波浪和0°波浪時。升沉和縱搖隨著波浪周期的增大，三個波浪方向的運動量互有大小。

表4分別列出了滿載和壓載狀態(tài)下船舶在90°波浪波高H4%=0.6 m時的船舶運動量。

通過對試驗結(jié)果的分析可以得到：

圖4 H4%有效波高0.6 m時系泊滾裝船橫移運動量三分之一大值Fig.4 Significantswaying values under the action of waves of H4%=0.6 m

圖5 H4%有效波高0.8 m時系泊滾裝船橫移運動量三分之一大值Fig.5 Significantswaying values under the action of waves of H4%=0.8 m

表4 波浪周期變化時船舶運動量三分之一大值Table4 Significant ship movements under the action of different wave periods

1）船舶的各運動量并非都是隨著波浪周期的增大而增大，個別運動量出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象。

2）同一波浪條件下，并非90°波浪作用時，船舶的運動量都大于45°和0°波浪時，隨著波浪周期的增大，三個波浪方向的縱搖互有大小。

3）45°和0°波浪作用時，升沉隨著波浪周期增大變化幅度較大，縱移、橫移和橫搖隨著波浪周期增大變化幅度較小。

4）船舶運動量在滿載狀態(tài)下45°波浪時大于0°波浪時，而在壓載狀態(tài)下0°波浪又大于45°波浪時。

5）船舶橫搖在波浪平均周期為4～5 s時增幅較大，在5～6 s時增幅變緩甚至不增長，這可能是波浪周期接近船舶的橫搖周期。

6）在波浪平均周期4 s，45°波浪和0°波浪時，船舶的運動量相差不大，但是隨著波浪周期的增大，波浪周期對船舶運動量的影響出現(xiàn)變化。

4 結(jié)語

通過對40槽車滾裝船在不同波浪下的系泊模型試驗，得到以下結(jié)論：

1）系泊船舶的各運動量都隨著波高增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢，但各運動量并非都是隨著波浪周期的增大而增大。

2）本次試驗中，滿載狀態(tài)下45°波浪作用時船舶運動量大于0°波浪作用時，而壓載狀態(tài)下0°波浪作用時船舶運動量又大于45°波浪作用時。

3）在波浪波高相同、波浪周期由小到大的試驗條件下，由于船舶的固有周期接近于波浪周期，船舶個別運動量出現(xiàn)了先是增幅較大到變緩甚至不增長的現(xiàn)象。

[1]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S]. JTS 165—2013,Design code ofgenerallayoutforsea ports[S].

[2]OCIMF.Mooring equipmentguidelines[M].3rd Edition.2008.

[3]PIANC.Criteria for movements of moored ship in harbours[R]. Brussel:PIANC,1995.

Moored ro-ro dynamic response in different wave conditions

ZHANG Xian-bo,LIShan,SUN Yun-jia,LIU Zhi-yuan
（Tianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,CCCC Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics of CCCC,Tianjin 300222,China）

Based on 40 tank car ro-ro mooring ship physicalmodeltests under differentwave conditions,we illustrated the law ofmooring ship motion respectively in differentwave heights and wave periods,discussed the influence of the ship's motion by differentwave directions.Research results can be considered as an importantreference value on coastaland inland water ro-ro mooring operation.

ro-ro;mooring;operation;ship motions

U652.3

A

2095-7874（2015）12-0041-05

10.7640/zggwjs201512010

2015-06-23

2015-12-05

張先波（1982—），男，山東荷澤人，碩士，工程師，港口海岸及近海工程專業(yè)。E-mail：zhangxianbo@tpei.com.cn