大型船舶系泊模式設(shè)計及優(yōu)化研究

王志斌 徐 強 奚英奇 王 果 姜圣俊 韓 燦

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

常規(guī)船型的系泊設(shè)計一般以CCS 鋼規(guī)中的舾裝數(shù)計算公式為基礎(chǔ)開展相關(guān)設(shè)計，選取對應(yīng)破斷強度的纜繩規(guī)格及數(shù)量，但該舾裝數(shù)公式的基礎(chǔ)是假定環(huán)境條件為風(fēng)速25 m/s，流速2.5 m/s［1］，未給出波浪載荷條件。由于本船為設(shè)有島式上建和大型外飄舷臺的特殊船型，CCS 鋼規(guī)中的計算公式不能完全將本船的受風(fēng)影響考慮在內(nèi)；更重要的是，本船所停靠的碼頭常年存在風(fēng)浪流三種環(huán)境載荷，波浪載荷對船體作用力非常明顯。相關(guān)資料顯示，國內(nèi)外均發(fā)生過因波浪載荷過大而引起纜繩斷裂的事故?；谝陨辖?jīng)驗，本文認(rèn)為基于CCS 舾裝數(shù)計算結(jié)果的系泊設(shè)計對本船來講適應(yīng)性較差，風(fēng)險較高。

在碼頭系泊設(shè)計領(lǐng)域，孫英廣［2］等指出：規(guī)范計算適應(yīng)于初期設(shè)計階段，在詳細設(shè)計階段，應(yīng)采用數(shù)值模擬和模型試驗方法對系纜張力進行分析與研究。高峰等對數(shù)值模擬和模型試驗方法用于船舶系泊問題研究的優(yōu)劣進行了詳細的分析與總結(jié)［3］。國內(nèi)眾多學(xué)者針對大型油輪、散貨船、LNG 運輸船、礦石船等開展了大量的數(shù)值模擬與模型試驗研究，在各類船舶系泊方式優(yōu)化、碼頭設(shè)計等方面取得了大量的具有實際工程意義的成果［4-5］。

為能夠科學(xué)、合理地開展本船的系泊設(shè)計，本文通過規(guī)范設(shè)計-仿真-試驗三種途徑開展本船的系泊模式設(shè)計及優(yōu)化工作，最終形成可靠的設(shè)計方案，能夠用于指導(dǎo)實船的碼頭系泊作業(yè)。

1 多系泊模式設(shè)計

1.1 規(guī)范設(shè)計

為盡量提高前期理論設(shè)計的準(zhǔn)確性，項目組對比了LR、GJB 及CCS 中的舾裝數(shù)計算方法，針對本船主尺度，計算結(jié)果對比見表1。

從表1 的計算對比結(jié)果分析，CCS 計算出的舾裝數(shù)最小，比LR 計算值低兩檔；GJB 計算出的結(jié)果與LR 結(jié)果相接近，但GJB 的舾裝數(shù)最大一檔僅為1 930～2 080，無法指導(dǎo)本船設(shè)計。因此，從前期設(shè)計精度考慮，本船以LR 舾裝數(shù)計算結(jié)果為基礎(chǔ)進行初步的系泊模式設(shè)計。

按照LR 算出的舾裝數(shù)結(jié)果，對應(yīng)的系泊配置見表2。

表1 舾裝數(shù)結(jié)果對比表

表2 舾裝數(shù)配置表

由于舾裝數(shù)公式中沒有考慮波浪作用，其計算結(jié)果選用的纜繩破斷力偏小，不完全適用于本船碼頭風(fēng)浪流環(huán)境下的系泊，但可作為本船纜繩選取的基礎(chǔ)，而纜繩破斷力的實際值需要進一步通過仿真計算和模型試驗進行研究確認(rèn)。

參考表2 中的纜繩數(shù)量，結(jié)合傳統(tǒng)的系泊模式設(shè)計經(jīng)驗，即“艏艉纜+橫纜+倒纜”的模式，形成初步的系泊模式方案，見圖1，作為仿真計算的初始設(shè)計輸入。

圖1 系泊模式1

1.2 仿真分析計算

1.2.1 仿真方法

在ANSYS 模塊中建立船體模型，采用面元積分法在AQWA-LINE 模塊中對船體進行頻域分析，得到RAO、一階波浪力、二階波浪力、附加質(zhì)量和附加阻尼等船體水動力基本參數(shù)，然后按照經(jīng)驗公式計算本船的風(fēng)力系數(shù)及流力系數(shù)，在AQWADRIFT 模塊中，采用時域耦合的分析方法，對船體-碼頭系統(tǒng)進行時域分析，求解船舶系泊纜繩的張力。

1.2.2 計算工況

按照調(diào)研碼頭的水文資料和3 級海況的浪高范圍，本文中選取2 組典型三一波高H1= 1.069 m（2年一遇）、H2= 1.291 m（50 年一遇）對應(yīng)的工況進行計算分析。流速值采用調(diào)研碼頭的最大實際流速0.51 m/s，工況組合見表3。

表3 典型仿真工況

表4 纜繩受力結(jié)果

1.2.3 計算結(jié)果及分析

本文基于8 根纜繩的系泊方式，將1～8 號纜繩的張力計算結(jié)果示于表4。

從表4 中的纜繩張力結(jié)果分析，最大張力出現(xiàn)在A1 工況6 號纜繩處，為93.897 t。與表2中的舾裝數(shù)規(guī)定的纜繩破斷力相比，3 級海況上限時，兩組工況仿真結(jié)果中的纜繩張力均大于618 kN（63.06 t），并且纜繩最大張力均出現(xiàn)在該6 號短橫纜。

基于8 根纜繩的系泊方式，結(jié)合表4 中的仿真結(jié)果，三級海況下纜繩上產(chǎn)生的最大張力為93.897 t，因此初步將本船的系泊纜繩選定為超高分子聚乙烯纜，破斷負荷為97.85 t。

為進一步驗證該系泊方案的合理性及科學(xué)性，本文后續(xù)將重點介紹通過水池模型試驗對本船系泊模式的研究及優(yōu)化改進。

2 多系泊模式優(yōu)化

2.1 試驗條件和內(nèi)容

2.1.1 試驗條件

（1）水位：碼頭設(shè)計高水位為+4.31 m，設(shè)計低水位為+0.43 m，試驗時取平均設(shè)計水位+2.37 m。

（2）潮流：主流向基本與海岸平行，最大流速為0.51 m/s。

（3）波浪：為方便對比分析，本文僅選擇幾種典型波浪工況進行分析對比：有義波高1.069 m、1.291 m、1.37 m；譜峰周期分別為8.59 s、15.37 s、10.902 s。波浪方向為首斜浪135°。

（4）風(fēng)速：22 m/s、25 m/s。

（5）試驗船型：按照本船的使用需求，本船試驗時取滿載狀態(tài)，船舶的主要參數(shù)見表5。

表5 試驗船型主要尺度及有關(guān)參數(shù)

（6）系泊纜：本船采用直徑40 mm 的超高分子聚乙烯纜，破斷負載97.85 t。

（7）碼頭結(jié)構(gòu)及系纜設(shè)施：碼頭型式為突堤重力式；碼頭采用1 500 kN 系船柱，間距25 m，系船柱距離碼頭邊緣1.5 m。碼頭的長度、寬度可認(rèn)為足夠大。

2.1.2 試驗內(nèi)容

基于圖1 中的系泊模式開展風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的船舶系纜力及船舶六自由度運動，并根據(jù)試驗結(jié)果開展系泊模式的優(yōu)化及試驗驗證。

2.2 模型相似

根據(jù)船舶尺度和海洋工程水池模型試驗設(shè)施條件與能力，選定實體和模型之間的縮尺比為λ= 50，保證實物與模型之間重力相似及慣性相似。波高、波長、水深均按縮尺比λ計算；時間縮尺比λT=λ0.5，力縮尺比λF=γ λ3，慣性矩縮尺比λJ=γ λ5，質(zhì)量縮尺比λM=λ3，橫搖及縱搖周期縮尺比λT=λ0.5。

2.2.1 系泊纜繩“負荷-伸長”非線性彈性特性模擬

試驗中采用兩根輕質(zhì)彈簧A、B 串聯(lián)來模擬目標(biāo)纜繩的彈性系數(shù)。模擬結(jié)果見圖2。

圖2 纜繩非線性特性模擬

從圖中比較可以看出模型試驗較好地模擬了本船超高分子纜的非線性拉伸彈性特性。

2.2.2 船舶模擬

船舶的模擬按重力相似滿足以下條件：幾何相似、靜力相似和動力相似。

2.2.3 碼頭模擬

碼頭原型為重力突堤式碼頭，碼頭設(shè)計橫截面見圖3。試驗中碼頭模型具有較大的剛度、強度和質(zhì)量，不會因波浪作用而有任何移動和變形，并能模擬實際碼頭波浪90°入射后的反射情況。

圖3 碼頭橫截面

2.3 海洋環(huán)境條件模擬

海洋環(huán)境條件坐標(biāo)系定義如下：船艉至船艏方向定義為0°，順時針為正。

2.3.1 潮流模擬

試驗時以恒定流模擬碼頭出現(xiàn)的最大流速0.51 m/s，潮流方向與碼頭平行，潮流模擬值為0.072 m/s。

2.3.2 風(fēng)速模擬

實際風(fēng)速取22 m/s、25 m/s，試驗時通過軸流風(fēng)機模擬風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)速儀測量標(biāo)定水面以上0.2 m（實際值為10 m）的平均風(fēng)速為試驗?zāi)Ｐ椭担Ｐ椭禐?.11 m/s、3.536 m/s。

2.3.3 波浪模擬

波浪模擬通過調(diào)節(jié)造波機搖板的振幅及周期來實現(xiàn)，同時在船舶所在位置采用電阻式浪高儀實時測量波浪的波面升高和周期。波浪選用JONSWAP譜，譜峰參數(shù)選擇3.3；試驗波浪采樣時間不小于8.5 min，采樣頻率25 Hz，采樣點不少于16 500 點，有義波高和譜峰周期誤差控制在5%以內(nèi)。

圖4 -圖6 為目標(biāo)波浪與模擬值得對比圖像。

圖4 有義波高1.07 m波浪模擬結(jié)果

圖5 有義波高1.291 m波浪模擬結(jié)果

圖6 有義波高1.37 m波浪模擬結(jié)果

2.4 試驗結(jié)果及分析

2.4.1 系泊模式1 試驗結(jié)果及分析

（1）系泊模式及試驗工況

采用圖1.1 中傳統(tǒng)的系泊模式，試驗中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%；系泊纜的長度模擬見下頁表6。

選取2 組典型試驗工況，見下頁表7。工況A1、A2 環(huán)境條件與仿真計算中的01、02 工況一致，不同點在于模擬水深為17.37 m，比仿真工況水深15 m 略大。

（2）試驗結(jié)果

纜繩張力結(jié)果見下頁表8，船體運動見下頁表9。

表6 系泊模式1下纜繩長度模擬m

表7 試驗工況1

表8 纜繩張力1

表9 船體運動值1

（3）試驗分析

根據(jù)兩組工況的纜繩張力結(jié)果分析，纜繩張力較大值主要出現(xiàn)在艏部短橫纜、尾部短艉纜、短倒纜上，并且纜繩受力分布極不均勻；A1 工況纜繩最大張力值為125.563 t，A2 工況纜繩最大張力值為315.444 t，均超過本船纜繩破斷力。

A1 工況采用2 年一遇的短周期波，A2 工況采用50 年一遇的長周期波，雖然波高幅值相差不大，但從表8 -表9 中可以看出，長周期波對纜繩張力、船體運動幅影響甚大，能引起上述值大幅增加。

試驗工況A1 與仿真工況01、試驗工況A2 與仿真工況02 的纜繩張力對比見圖7、下頁圖8。

圖7 A1工況與01工況纜繩張力對比

從圖7 和圖8 中可以看出，模型試驗結(jié)果中的纜繩最大張力遠大于仿真試驗結(jié)果；圖8 中可以看出仿真試驗結(jié)果并未體現(xiàn)出長周期波對纜繩張力的巨大影響。

圖8 A2工況與02工況纜繩張力對比

按照模型試驗結(jié)果分析，系泊模式1 的系泊方案及纜繩配置并未達到本船3 級海況系泊的要求，因此需要從優(yōu)化系泊模式或增大系泊纜破斷負荷兩方面對本船的系泊設(shè)計展開優(yōu)化設(shè)計。

由圖7 可見：系泊模式1 下的纜繩張力受力極不均勻，短纜的張力過大，而長纜的利用率卻很低，具備通過優(yōu)化系泊纜布置提升整體系泊能力的可行性，考慮到增大系泊纜強度將導(dǎo)致系泊設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)加強困難，因此選擇通過優(yōu)化系泊模式1 來提高本船的碼頭系泊能力。

2.4.2 系泊模式2 試驗結(jié)果及分析

（1）系泊模式及試驗工況

基于系泊模式1，項目組增加了艏部2 號、3號短纜和艉部6 號短纜的長度，使2 號至6 號纜的長度盡量相當(dāng)，并取消了短橫纜，如圖9 所示。試驗中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%。

系泊纜的長度模擬見表10。

選取2 組典型試驗工況見表11。

（2）試驗結(jié)果

纜繩張力結(jié)果見表12。

船體運動值見下頁表13。

圖9 系泊模式2

表10 系泊模式2下纜繩長度模擬m

表11 試驗工況2

表12 纜繩張力2

表13 船體運動值2

（3）試驗分析

根據(jù)試驗結(jié)果，相同工況下A1 下，系泊模式1、2 下的纜繩受力對比見圖10。

圖10 A1工況下系泊模式1、2的纜繩受力對比圖

從試驗結(jié)果及圖10 可以看出，系泊模式2 中的纜繩最大張力為101.923 t，比系泊模式1 中最大張力125.563 t 約下降18.83%，但仍略大于本船系泊纜的破斷強度。

在相同工況A1 下，系泊模式1、2 下的船體運動對比見圖11。

從圖11 中分析可以看出，系泊模式2 下的橫蕩運動顯著增加，其他運動幅度與系泊模式1 基本相當(dāng)。本文分析，系泊模式2 中橫蕩運動顯著增加與取消短橫纜有關(guān)。

在A3 工況下，波高幅值提高至1.37 m，風(fēng)速下降至22 m/s，從計算結(jié)果看，纜繩最大值達到160.413，同樣超過纜繩破斷力。

圖11 A1工況下系泊模式1、2的船體運動對比圖

整體來看，系泊模式2 的系泊能力較系泊模式1 有一定幅度的提升，通過增大艏艉短纜的纜繩長度使整體纜繩長度趨于均勻，能夠有效地提高碼頭系泊能力，但帶來的問題是導(dǎo)致船舶橫蕩運動變大，為進一步降低纜繩的受力，需對系泊模式2 再次進行優(yōu)化。

2.4.3 系泊模式3 試驗結(jié)果及分析

（1）系泊模式及試驗工況

基于系泊模式2，進一步增加了艏部3 號、4號纜繩和艉部5 號、6 號纜繩的長度，使8 根纜繩整體在長度上更為接近，形成系泊模式3，如圖12所示。試驗中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%。

系泊纜的長度模擬見表下頁14。

選取2 組典型試驗工況，見下頁表15。

圖12 系泊模式3

表14 系泊模式3下纜繩長度模擬m

表15 試驗工況3

（2）試驗結(jié)果

纜繩張力結(jié)果見表16，船體運動值見表17。

表16 纜繩張力3

表17 船體運動值3

（3）試驗分析

根據(jù)試驗結(jié)果，相同工況下A1 下，系泊模式1、2、3 的纜繩受力對比見下頁圖13；不同系泊模式下的纜繩實際長度對比見下頁圖14。

從圖13 中可以看出，系泊模式3 中的纜繩最大張力為96.988 t，相比較系泊模式1 中最大張力下降22.7%，相比較系泊模式2 中最大張力下降了約4.84%，并且小于本船纜繩破斷力，整體系泊能力更強，具備3 級海況上限浪高下碼頭系泊的能力，能夠達到本船使用要求。同時通過對比圖13中不同系泊模式下的纜繩受力平均偏差值得出，系泊模式3 纜繩受力平均偏差最小，不僅整體系泊能力更強，而且纜繩受力更加均勻。

本次模型試驗中，系泊模式的優(yōu)化主要在于調(diào)整短纜的長度，使整體8 根纜繩的長度趨于相當(dāng)，并未增加系泊纜的破斷強度。從圖14 中可以看出，系泊模式3 中的各纜繩長度分布更均勻，對應(yīng)于圖13 中的該系泊模式下纜繩最大張力最小，纜繩受力也更均勻。

相同工況A1 下，系泊模式1、2、3 下的船體運動對比見圖15。

圖13 A1工況下系泊模式1、2、3的纜繩受力對比圖

圖14 不同系泊模式下的纜繩長度對比圖

圖15 A1工況下系泊模式1、2、3的船體運動對比圖

圖16 A3、A4工況下的纜繩受力運動對比圖

通過圖15 對比船體運動幅值得出，系泊模式3 下的橫蕩、橫搖大幅增大，并且其它運動幅值也有一定幅度的增加。

工況A4 下的纜繩受力與系泊模式2 中工況A3 的纜繩受力對比見圖16。

A4 工況與A3 工況相比，風(fēng)速提高到25 m/s，環(huán)境條件更加惡劣，但從圖16 中可以看出，A4 工況下的纜繩最大張力比A3 工況下的纜繩張力大幅降低，通過查表12、表16 并計算求得纜繩最大張力約下降30.06%，且A4 工況纜繩張力的平均偏差大幅小于A3 工況，纜繩受力均勻性更好。

基于系泊模式3 下的試驗結(jié)果，得出通過調(diào)整纜繩長度使纜繩長度盡量保持均勻，避免短纜出現(xiàn)，可以明顯的提高纜繩受力均勻性和整體系泊能力；在未增加系泊纜強度的情況下，通過優(yōu)化系泊模式使本船在碼頭具備了3 級海況上限下系泊的能力，同時也明確了本船系泊纜配置數(shù)量及破斷負荷（97.85 t）。

3 結(jié) 語

（1）針對受風(fēng)面積特殊的船型，在前期的系泊設(shè)計過程中，LR 規(guī)范中的舾裝數(shù)計算相比較CCS鋼規(guī)參考性要強，前者可以涵蓋特殊船型所有的正風(fēng)面積計算。

（2）由于舾裝數(shù)公式的基礎(chǔ)未包含波浪影響，以本船特殊船型為例，在基于風(fēng)浪流聯(lián)合作用的碼頭下進行系泊模式設(shè)計時，纜繩的破斷力必須相應(yīng)提高，提高幅度可參考水動力仿真軟件進行目標(biāo)工況下的計算評估，本船仿真后的纜繩最大值較舾裝數(shù)要求值約高出48%。

（3）相同工況下，模型試驗的纜繩張力最大值大幅高于仿真計算結(jié)果，尤其是長周期波影響下的纜繩張力；從科學(xué)性、準(zhǔn)確性角度考慮，特殊船型下的系泊能力建議通過水池模型試驗進行最終的驗證及優(yōu)化。

（4）從試驗結(jié)果分析，傳統(tǒng)系統(tǒng)模式下的短纜最容易出現(xiàn)張力極值，引發(fā)系泊纜的斷裂，整體纜繩受力均勻性差，降低了系統(tǒng)的系泊能力。

（5）從模型試驗中對系泊模式的優(yōu)化方式及試驗結(jié)果分析，取消短纜，調(diào)整纜繩的長度，使各纜繩的長度趨于相當(dāng)，能夠顯著提高系泊能力和纜繩受力均勻性；缺陷在于短橫纜的缺失導(dǎo)致船體的橫蕩、橫搖運動增大。

（6）通過模型試驗中對系泊模式的優(yōu)化及驗證，最終明確了本船的系泊纜破斷負荷為97.85 t，碼頭系泊模式參照系泊模式3（見圖12）。按照試驗結(jié)果，可以滿足風(fēng)25 m/s、浪高1.069 m（三一波高）、流速0.51 m/s 環(huán)境條件下的碼頭系泊，達到了3 級海況系泊的要求，為實船的碼頭系泊提供了有力的技術(shù)支撐。

（7）基于短纜缺失造成的船體運動幅值大的缺陷，本文認(rèn)為通過優(yōu)化碼頭系船柱布置，使船舶停靠時能夠拉出長橫纜，在提高整體系泊能力的同時，可以解決船體運動幅值大的問題。但該設(shè)想尚未驗證，將在后續(xù)船的模型試驗中進行驗證。

本船為設(shè)有邊島式上建和大型外飄舷臺的特殊船型，受風(fēng)載影響明顯，且停泊碼頭同時存在風(fēng)浪流三種環(huán)境載荷。本文通過開展理論初步設(shè)計、仿真計算研究和模型試驗研究，形成了科學(xué)合理的適用于本特殊船型系泊系統(tǒng)的設(shè)計流程，降低了因舾裝數(shù)忽略波浪影響而給系泊設(shè)計帶來的風(fēng)險，并為實船的碼頭系泊提供可信的試驗結(jié)果，同時也可為其他特殊船型的系泊系統(tǒng)設(shè)計提供參考。