船舶操縱模擬器在船舶系泊安全中的應(yīng)用探討

唐成港+許鵬+劉敬賢+嚴(yán)慶新

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶運(yùn)動仿真技術(shù)日趨成熟，船舶操縱模擬器在船舶安全研究領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。本文將船舶操縱模擬器引入到船舶系泊安全研究中，首先對船舶系泊安全影響因素進(jìn)行了梳理，并對其作用機(jī)理進(jìn)行了分析；然后運(yùn)用船舶操縱模擬器對船舶系泊狀態(tài)下的三維視景、船舶運(yùn)動模型進(jìn)行建模，對船舶系泊時(shí)的泊穩(wěn)安全進(jìn)行了仿真研究。最后通過一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了船舶操縱模擬器解決系泊船舶泊穩(wěn)問題的可行性。本文一方面為船舶系泊安全研究提供了一種新思路，另一方面也可為碼頭船舶安全系泊提供一定技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：船舶操縱模擬器；系泊安全影響因素；船舶運(yùn)動模型；泊穩(wěn)安全

中圖分類號：U675 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）08-0031-02

隨著船舶大型化的發(fā)展，碼頭建造等級越來越大，靠泊船型也呈現(xiàn)出大型化的趨勢，而大型船舶的系泊安全問題也日益突出，船舶系泊時(shí)斷纜事故時(shí)有發(fā)生，給港口企業(yè)運(yùn)營、船舶安全帶來巨大損失。目前，針對船舶系泊安全的研究方法主要有物理模型試驗(yàn)和理論受力計(jì)算兩種，物理模型試驗(yàn)由于限于縮尺船模尺度的影響精度受到了一定影響，而理論受力分析往往計(jì)算的是靜態(tài)狀態(tài)下的系纜受力，沒有綜合考慮風(fēng)、浪、流等因素綜合條件的泊穩(wěn)情況。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶運(yùn)動仿真技術(shù)也日趨成熟，其中應(yīng)用最為廣泛的是船舶操縱模擬器，其在港口碼頭建設(shè)、航道設(shè)計(jì)、橋梁建設(shè)、工程改造等方面的應(yīng)用得到了國內(nèi)外同行的一致認(rèn)可。

1 船舶系泊安全影響因素

1.1 風(fēng)

風(fēng)是影響船舶泊穩(wěn)狀態(tài)的重要因素之一，其作用力的計(jì)算目前采用的主要是《港口工程荷載規(guī)范》、《OCIMF Mooring Equipment Guidelines（Third Edition）》和《Unified Facilities Criteria Design： Moorings》中提供的方法。上述三種方法在計(jì)算恒定風(fēng)力或靜態(tài)纜繩受力方面還比較準(zhǔn)確，但在風(fēng)、浪、流條件比較復(fù)雜的開敞式碼頭，其船舶荷載精度會大大降低。

1.2 波（涌）浪

波浪對船舶系泊安全的影響主要體現(xiàn)在波浪和涌浪兩個(gè)方面，根據(jù)國際航運(yùn)協(xié)會（PIANC）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，對船舶系泊安全影響最大的因素是涌浪，特別是長周期的涌浪。涌浪不僅影響船舶的橫搖，而且對船舶的垂蕩影響較大、。不同波高、波浪周期條件下，船舶各位置纜繩受力隨波高增大而增大，隨波浪周期增大而增大。

1.3 流

流速的大小和方向也是影響系泊船舶泊穩(wěn)狀態(tài)的重要因素。根據(jù)船舶系泊經(jīng)驗(yàn)，水流流向與碼頭軸線間的夾角越大，流壓越大；而流壓中心越靠近船舯位置，對系泊船舶越不利。

2 船舶系泊安全仿真試驗(yàn)

2.1 系泊安全仿真試驗(yàn)程序

2.1.1 系泊安全仿真模型構(gòu)建

運(yùn)用船舶操縱模擬器進(jìn)行系泊安全仿真試驗(yàn)時(shí)的模型構(gòu)建主要包括三大部分：電子海圖的創(chuàng)建、視景模型的構(gòu)建和試驗(yàn)船型的六自由度船舶數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。其中，電子海圖的創(chuàng)建是根據(jù)現(xiàn)有碼頭、航道等通航要素資料和工程設(shè)計(jì)相關(guān)資料后，分別將其數(shù)字化，對不同投影方式生成的數(shù)字化海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、變換，形成符合本模擬試驗(yàn)要求的數(shù)字化平面海圖。視景模型的構(gòu)建是在采集工程水域視景資料的基礎(chǔ)上，用3D Max或AutoCAD等主流建模工具進(jìn)行三維模型建立及優(yōu)化，然后將紋理材質(zhì)圖片進(jìn)行渲染，生成真實(shí)感很強(qiáng)的三維模型，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，地理地形細(xì)節(jié)層次處理和導(dǎo)入到船舶操縱模擬器進(jìn)行調(diào)試等。船舶數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是運(yùn)用船舶操縱模擬器自帶的建模軟件對試驗(yàn)船舶進(jìn)行建模，建立符合實(shí)際環(huán)境的三維視景系統(tǒng)及具有六自由度的特征船舶數(shù)學(xué)模型。

2.1.2 工況設(shè)置

船舶系泊安全試驗(yàn)的工況設(shè)置主要包括：載況、帶纜方式、靠泊方式、纜繩特性、船舶出纜孔位置、碼頭系纜設(shè)施分布、風(fēng)浪（涌）流條件等。上述這些條件均可以在試驗(yàn)開始前或建模過程中設(shè)置妥當(dāng)，每一組試驗(yàn)反映的是一種工況條件下的泊穩(wěn)情況，而泊穩(wěn)條件具體是體現(xiàn)在纜繩受力上，如果纜繩受力在瞬間達(dá)到其破斷力，那么纜繩就會繃斷，從而引發(fā)系泊斷纜事故。試驗(yàn)過程中一旦發(fā)生斷纜，試驗(yàn)立即終止，并分析其纜繩受力數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)論。

2.2 實(shí)例驗(yàn)證

2.2.1 工程概況

本文選用煙臺西港30萬噸級原油碼頭作為實(shí)例驗(yàn)證，煙臺西港30萬噸級原油碼頭采用“蝶形”離岸設(shè)置，泊位長度470m，前沿水域?qū)挾?20m，方位130°～310°，碼頭前沿底高程-25.0m。碼頭設(shè)置6座圓形系纜墩及4座圓形靠船墩，其中1#，6#艏艉纜墩設(shè)快速脫纜鉤1500kN（4鉤）各1套，2#～5#橫纜墩設(shè)快速脫纜鉤1500kN（3鉤）各1套?？看占娴估|墩，每座靠船墩上設(shè)快速脫纜鉤1000kN（雙鉤）1套。試驗(yàn)船型為30萬噸級油船，船長334m，船寬60.0m，型深31.2m，滿載吃水22.5m，碼頭平面布置如圖1所示。

2.2.2 泊穩(wěn)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)初始，使用拖輪將試驗(yàn)船舶頂靠在泊位上，然后分別帶好纜繩，并用纜車絞緊，帶到纜樁上，纜繩上樁受力10t左右，然后撤走拖輪，并將風(fēng)浪流等自然條件逐漸加強(qiáng)至試驗(yàn)工況，在加強(qiáng)過程中適當(dāng)合理調(diào)整纜繩狀態(tài)，并記錄纜繩受力狀態(tài)。

2.2.3 試驗(yàn)工況設(shè)置及試驗(yàn)結(jié)果

在每一種工況試驗(yàn)過程中，船舶操縱模擬器均可以計(jì)算出20根纜繩的受力大小。由試驗(yàn)結(jié)果來看，30萬噸級油輪在壓載、NE風(fēng)9級、浪高3.5m，涌高3.0m，涌浪周期7s，模擬實(shí)測流速的情況下，船舶橫纜受力較大，并在上述工況條件下船艏部橫纜發(fā)生了斷纜。將此結(jié)果與船舶系靠泊試驗(yàn)（物模試驗(yàn)）進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，30萬噸級油船在壓載，漲潮流，橫浪，風(fēng)速23.0m/s（9級）工況下，艏橫纜（2根）受力也最大，為1587kN，單根纜繩受力793.5kN，也發(fā)生了斷纜（物模試驗(yàn)單根纜繩破斷力81t）。本文提出的運(yùn)用船舶運(yùn)動仿真模擬的方法計(jì)算的船舶系泊纜繩受力結(jié)果與船舶系纜物模試驗(yàn)具有較好的一致性。

3 結(jié)論

（1）在船舶系泊安全研究方面引入船舶操縱模擬器進(jìn)行了探討，結(jié)果顯示，船舶操縱模擬器在分析計(jì)算船舶系泊纜繩受力方面與船舶系纜物模試驗(yàn)具有很好的一致性，且在工況設(shè)置、系纜方案優(yōu)化配置、成本控制等方面體現(xiàn)出優(yōu)越性。

（2）外界自然環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流等）的變化是影響船舶系泊安全的主要因素，特別是對于開敞式碼頭，波（涌）浪高度、波（涌）浪周期對泊穩(wěn)的影響尤為明顯，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)盡量避免船舶固有橫搖周期接近波（涌）浪周期，從而使船舶偏離橫搖諧振區(qū)，改善泊穩(wěn)條件。

（3）本文提供了一種研究船舶系泊安全的新思路，運(yùn)用船舶操縱模擬器研究系泊船舶在不同工況條件下的泊穩(wěn)狀況可以為碼頭實(shí)際運(yùn)營的系纜管理提供參考，也可以為確定碼頭泊位的抗風(fēng)浪等級提供技術(shù)支撐。

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