基于AQWA的大型游船碼頭系泊水動(dòng)力性能分析

雷林+劉添宇+袁培銀+劉俊良

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，航行船舶增加，大型船舶碼頭系泊的安全性越來越受到人們關(guān)注。本文基于三維勢流理論，運(yùn)用ANSYS軟件AQWA模塊，對碼頭系泊時(shí)大型游船進(jìn)行頻域分析和時(shí)域分析，得到一系列參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果和研究方法可為同類船舶碼頭系泊提供參考。

關(guān)鍵詞：AQWA；碼頭系泊；頻域分析；時(shí)域分析

中圖分類號：U656.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）05-0041-04

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們收入的不斷增加，海上旅游業(yè)不斷興旺，旅游船隊(duì)的規(guī)模不斷地增大，內(nèi)河與海上的旅游觀光人數(shù)越來越多，乃至到現(xiàn)在，海上旅游已經(jīng)成為了歐洲以及亞洲人的一種時(shí)尚。在豪華游輪發(fā)展的同時(shí)，其系泊系統(tǒng)在安全中占據(jù)了比較重要的一部分，豪華游輪的系泊系統(tǒng)是船舶?？亢透劭谠O(shè)計(jì)需要考慮的重要問題之一。國內(nèi)對于船舶碼頭系泊的研究相對較晚，始于20世紀(jì)年代90后期，主要采用了物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法對影響船舶系纜力的海洋動(dòng)力因素、船舶因素進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文應(yīng)用多體水動(dòng)力學(xué)軟件 AQWA，針對碼頭與大型游船組成的靠幫系泊系統(tǒng)，基于三維勢流理論，在考慮船和碼頭間水動(dòng)力相互作用的情況下，計(jì)算靠幫系泊時(shí)船舶所受到的波浪載荷，并與不考慮船和碼頭水動(dòng)力相互作用的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 計(jì)算流程及理論基礎(chǔ)

本文采用ANSYS中的AQWA模塊進(jìn)行計(jì)算，首先通過ANSYS軟件進(jìn)行建模，然后生成DAT文件，導(dǎo)入AQWA中進(jìn)行水動(dòng)力分析。

2 大型游船碼頭系泊系統(tǒng)模型

2.1 大型游船主尺度參數(shù)

碼頭系泊游船的主尺度參數(shù)如表1所示。碼頭的主尺度參數(shù)如表2所示。根據(jù)游船船型值建立船體和碼頭面域模型并劃分網(wǎng)格，船舶及碼頭示意圖如圖1所示。

2.2 碼頭系泊纜及護(hù)舷布置

本文研究的對象游船碼頭系泊共有8根系纜繩，其中船艏纜和船尾纜各兩根，船中橫纜四根交叉進(jìn)行系泊。

護(hù)舷采用漂浮型橡膠護(hù)舷，設(shè)計(jì)反力1872kN 最大反力1992kN。纜繩和護(hù)舷布置形式如圖2所示。

2.3 環(huán)境載荷

表3給出了游船在系泊時(shí)主要環(huán)境參數(shù)，包括風(fēng)浪流的具體參數(shù)。

3 大型游船的水動(dòng)力性能分析

3.1 頻域分析結(jié)果

此次頻域計(jì)算分析給出了船舶在單獨(dú)停靠下和在碼頭?？肯聝煞N工況下的六自由度的RAO（幅值響應(yīng)算子）。

由以上圖像分析可以看出，船舶的運(yùn)動(dòng)周期為26s，碼頭對船舶六自由度上的RAOS影響是不一樣的?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）由圖3和圖5可見，在縱蕩、垂蕩方面，單獨(dú)船舶運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間增加一直呈上升趨勢，到了30s時(shí)，分別有最大的幅值3.0和0.8，加入了碼頭之后，也是呈上升趨勢，最大幅值分別為為6.0和1.4，可見碼頭對船舶的縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)的RAO起到了一定的增幅作用。

（2）由圖4可見，在橫蕩方面，單獨(dú)船舶橫蕩隨時(shí)間增加一直成上升趨勢，加入了碼頭之后，也呈上升趨勢，可見碼頭可以減小橫蕩下船舶的運(yùn)動(dòng)的RAO。

（3）由圖6和圖8可見，在橫搖、艏搖方面，單獨(dú)船舶運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間增加出現(xiàn)上下波動(dòng)，加入了碼頭之后，運(yùn)動(dòng)趨勢大體不變，但從運(yùn)動(dòng)幅值可以看出碼頭能減小船舶橫搖和艏搖下的運(yùn)動(dòng)的RAO。

（4）由圖7可見，在縱搖方面，單獨(dú)船舶橫搖隨時(shí)間增加出現(xiàn)先增加后下降的趨勢，加入碼頭之后，運(yùn)動(dòng)趨勢大體不變，但是從運(yùn)動(dòng)幅值可以看出碼頭對船舶的縱搖運(yùn)動(dòng)的RAO有一定的增幅作用。

3.2 時(shí)域分析結(jié)果

3.2.1 六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

AQWA-DRIFT模塊模擬計(jì)算在給定的環(huán)境載荷下碼頭系泊系統(tǒng)3個(gè)小時(shí)（步長0.2s，共54000步）的運(yùn)動(dòng)情況。最終得到碼頭系泊下船舶的總體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，系泊纜張力和護(hù)舷壓力的時(shí)歷變化曲線。

由以上圖像可得出以下結(jié)論：

（1）由圖9可以看出，在風(fēng)浪流載荷下，船舶在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)頻率差別較大，其中垂向上運(yùn)動(dòng)頻率最大，但是運(yùn)動(dòng)幅值最小，最大變化幅值為0.1m；橫向上由于受到纜繩和護(hù)舷的作用最大，運(yùn)動(dòng)頻率最小，運(yùn)動(dòng)周期最大，運(yùn)動(dòng)幅值也相對比較大，最大變化幅值為2m；而縱向方向上，受到纜繩和護(hù)舷的作用相對比橫向方向小，所以運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅值相對居中，最大運(yùn)動(dòng)幅值為0.8m。

（2）由圖10可以看出，在風(fēng)浪流載荷下，橫搖運(yùn)動(dòng)頻率最大，運(yùn)動(dòng)幅值最小，最大變化幅值為0.3度；艏搖運(yùn)動(dòng)頻率最小，運(yùn)動(dòng)幅值最大，最大變化幅值為2.5度；縱搖運(yùn)動(dòng)頻率也比較大，相對橫搖較小，相對艏搖較小，運(yùn)動(dòng)幅值也比較居中，最大變化幅值為0.7度。

3.2.2 系纜張力

圖11到圖13給出了8根系泊纜隨時(shí)間變化曲線。由圖像可以看出，所有的纜繩運(yùn)動(dòng)頻率大致相同。其中3號纜繩到6號纜繩張力相對較大，8號纜繩張力較小，1號纜繩和2號纜繩張力比較接近，5號纜繩極值最大，為39.22KN，8號纜繩極值最小26.3KN。

3.2.3 護(hù)舷壓力

圖14到圖16給出了風(fēng)浪流載荷下碼頭護(hù)舷壓力的變化情況。由圖可以看出，首尾兩端的護(hù)舷所承受的壓力最大。這是因?yàn)閺那懊娲暗倪\(yùn)動(dòng)響應(yīng)可以看出，船舶艏搖的運(yùn)動(dòng)最為劇烈，最大達(dá)到了2.5度，導(dǎo)致船舶首尾兩端所承受的壓力最大。所以在首尾兩端護(hù)舷應(yīng)采取相關(guān)有效保護(hù)措施。

4 結(jié)語

本文以某大型游船為例，應(yīng)用多體水動(dòng)力軟件AQWA，模擬船舶在碼頭系泊情況，分別從頻域和時(shí)域兩個(gè)方面對船舶水動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得到各頻域時(shí)域曲線圖，從中得出以下結(jié)論：

（1）在頻域中，碼頭能對船舶的縱蕩，垂蕩，縱搖運(yùn)動(dòng)起到一定的增幅作用，能減小船舶在橫蕩，橫搖，艏搖下的運(yùn)動(dòng)。

（2）在時(shí)域中，船舶在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，始終在垂向方向上的運(yùn)動(dòng)頻率最大，運(yùn)動(dòng)幅值最??；在橫向上運(yùn)動(dòng)頻率最小，運(yùn)動(dòng)幅值最大；在縱向上運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅值相對與橫向和垂向處于居中的地位。

（3）系泊纜張力方面，由于首尾纜長度較長，拉力比中間橫纜的拉力大，拉力最大是5號纜繩，最小是8號纜繩。

（4）護(hù)舷壓力方面，由于艏搖較為劇烈，所以首尾部承受撞擊載荷最大，護(hù)舷壓力也就最大。

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