系泊索對系纜力及船體運動量的影響研究

劉 爽，馮司宇

（中交第一航務工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

系泊系統(tǒng)包含六自由度（橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)）運動量及多自由度系纜力。在風浪流等環(huán)境因素及裝、卸載貨物等動力因素作用下，系泊船將發(fā)生復雜的震蕩及升沉運動。系泊船體運動量若超過允許范圍[1,2]，將會導致正在進行裝卸船作業(yè)的船舶難以繼續(xù)作業(yè)，繼而導致船舶在港停泊時間延長，增加作業(yè)成本；若系泊索布置不理想，將會導致系纜力不均衡甚至系泊索破斷，致使發(fā)生安全事故。系泊索作為系泊系統(tǒng)的重要組成部分，其屬性與系纜狀態(tài)息息相關(guān)。本文為探究系泊索對系纜力及船體運動量的影響，開展相應的數(shù)值模擬研究。

1 國內(nèi)外研究背景

通過物理模型試驗，可對不同工況組合下的系泊條件進行模擬，但試驗過程中卻存在著一些不可模擬及控制的因素，而其費用高、周期長，故多用于設(shè)計后期。相較之下，數(shù)值模擬方法費用低、周期短，可適時增加分析功能，且通用性好，故應用前景更加廣闊。

國外對于船舶系泊的數(shù)值模擬起步較早，已開發(fā)出一些較為實用的軟件，如美國TTI 公司的Optimoor、荷蘭Alkyon 公司的Ship-mooring、法國BV 船級社的Arianne 和美國ANSYS 公司的AQWA等，這些應用軟件的開發(fā)極大的便利了船舶作業(yè)及碼頭運營。

相較于國外，我國在數(shù)值模擬方面的起步較晚。馬小劍等[3]基于力的平衡關(guān)系建立了系泊船舶在風和潮流作用下纜繩張力和運動的計算模型并將計算結(jié)果與Optimoor 軟件的計算結(jié)果進行了對比；于洋等[4]在忽略纜繩拉伸變形的前提條件下，從二維靜力學角度對纜繩張力進行了分析研究；向溢等[5]采用混沌解法、蒙特卡洛算法對碼頭系泊船舶纜繩張力進行了數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進行了一致性對比。

2 研究方法

本文依托工程為某LNG 泊位，其碼頭頂面高程為7.0 m，碼頭前沿底高程為-14.0 m，碼頭總長度為420 m。系泊索采用3/3/2 對稱布纜。

系纜方式及碼頭平面布置如圖1 所示。

圖1 系纜方式及碼頭平面布置

依托工程LNG 船舶基本參數(shù)如下：

1）載重13.8 萬m3；

2）總長284 m；

3）系船柱間距270 m；

4）型寬43.4 m；

5）型深26.0 m；

6）壓載吃水9.2 m；

7）穩(wěn)心高18.0 m。

本工程所處區(qū)域波高H13%=1.5 m，周期T=6 s，風速按照24.4 m/s 考慮，全風向，本次數(shù)值模擬計算暫不計水流作用。

本研究運用Optimoor 軟件進行數(shù)值模擬。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，其應用的是靜力模型，在計算外部荷載時，將其按照靜力考慮[4]。Optimoor 采用的是一種基于振幅響應因子（response amplitude operator，簡稱RAO）的方法模擬計算船舶在波浪作用下所產(chǎn)生的運動量，但給出船舶RAO 數(shù)據(jù)非常有限且只給出6 個自由度中的4 個指標，即橫移、縱移、升沉、橫搖。

采用控制變量法，通過調(diào)整主纜材質(zhì)或直徑、預張力施加、絞盤至導纜孔距離及批芭結(jié)等參數(shù)，進行六組設(shè)計方案的數(shù)值模擬，主纜材質(zhì)分別選用鋼纜/鋼纜/鋼纜/尼龍纜/尼龍纜/鋼纜，對應主纜直徑分別為 40 mm/40 mm/30 mm/60 mm/60 mm/ 40 mm，各方案系泊索屬性如表1 所示。

表1 各方案系泊索屬性

3 結(jié)果分析

本文數(shù)值模擬的六組設(shè)計方案，目的為研究系泊索對系纜力及船體運動量的影響，故并未嚴格遵循經(jīng)驗設(shè)定。在實際系泊作業(yè)中，應根據(jù)強度、彈性、耐用性和操作特性選擇最合適的材料（系泊索的材料類型會影響到系泊絞車卷筒的尺寸、導纜器的形式、導纜器彎曲半徑及需占用的甲板空間等要素），建議在大型船舶上采用鋼纜，在小型船舶上優(yōu)先采用合成纖維；用于某一船舶的每根系泊索盡可能選用相同的尺寸和材料（某些船舶采用鋼纜倒纜和合成纖維纜橫纜的組合系統(tǒng)，其初衷是減少船舶的前后漂移，從而有效地限制船舶相對于剛性輸油臂或輸油軟管的移動）。

表2 給出了包括艏艉纜、艏艉橫纜以及艏艉倒纜在內(nèi)的索力強度比的數(shù)值模擬結(jié)果。

表2 各方案索力強度比 /%

表3 給出了包括橫移量、縱移量、升沉量以及橫搖角在內(nèi)的四種船體運動量的數(shù)值模擬結(jié)果。

表3 各方案船體運動量

對表2 和表3 中的結(jié)果分析如下：

1）通過對數(shù)值模擬方案一和數(shù)值模擬方案四中系泊索受力和船體運動量的對比分析，可知：因系泊索所受張力會隨其剛度增大而增大，選用尼龍纜可顯著減小系泊索受力，但由于尼龍纜的剛度較鋼纜更大，系泊索的伸縮性更強，故系泊船體的縱移量大幅度增大，但對橫移、升沉和橫搖來說，其影響甚微。故雖可通過選用具有較大彈性材質(zhì)系泊索的方式來減小系泊索受力，但會導致船體縱移量加大，進而可能會影響船舶的正常裝卸作業(yè)。

2）通過對數(shù)值模擬方案一和數(shù)值模擬方案二中系泊索受力的對比分析，可知：當計入絞盤與導纜孔之間的距離時，索力強度比產(chǎn)生了一定幅度的減小。這是由于系泊索長度越大，彈性越大，受力越小。故在特定情況下，可通過增大系泊索彈性（減小系泊索直徑，增大系泊索長度等途徑）來保證系泊安全性。

3）通過對數(shù)值模擬方案二和數(shù)值模擬方案三中系泊索受力的對比分析，可知：雖然通過減小系泊索直徑的方式增加彈性，可減小其受力，但系泊索直徑過小時，該效果并不顯著，受力強度維持在較大水平，碼頭系泊安全性較低。

4）通過對數(shù)值模擬方案四和數(shù)值模擬方案五中系泊索受力和船體運動量的對比分析，可知：當將10 t 的預張力施加到每根系泊索之后，船體縱移量將產(chǎn)生大幅度減小，滿足規(guī)范允許范圍。但同時，施加預張力后，系泊索受力也將產(chǎn)生大幅度增加。這是由于系泊索預張力越大，系泊索越緊，即系泊索的綜合剛度越大，同等變形條件下系纜力越大。因此預張力并非越大越好，當遇到涌浪或者長周期波浪時，施加了過大預張力的系泊索極易發(fā)生斷纜事故。

5）根據(jù)數(shù)值模擬方案六中系泊索受力和船體運動量，可知：鋼纜主纜與尼龍纜批芭結(jié)組合形式的系泊索尾部彈性增大，在減小系泊索受力的同時保證了系泊索大部分區(qū)域的強度，在風、浪等荷載共同作用時，系泊索對外荷載的反應更迅速，船體運動量得以有效控制（為方便帶纜，在實際系泊作業(yè)中一般在系泊索尾部設(shè)置一定長度的批芭結(jié)，對于鋼纜等彈性較差的系泊索，批芭結(jié)往往是采用彈性較大的材料以適應船體運動量，通常批芭結(jié)長度為11 m，但也有最新研究認為11 m 太短）。此外，由于將10 t 的預張力施加到每根系泊索之上，致使產(chǎn)生了相對均勻的系泊索受力和相對可控的船體運動量，碼頭系泊安全性得到了保證。

4 結(jié) 語

本文針對系泊索屬性應用Optimoor 軟件進行數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

1）高彈性系泊索將會產(chǎn)生較大的船體運動量，當外荷載較大時，系泊索難以將船體運動量控制于規(guī)范允許范圍內(nèi)，可能導致船舶不能進行正常的作業(yè)，但高彈性的系泊索可以大幅減小系泊索受力，故如遇實際系泊作業(yè)，需慎重選取系泊索的彈性。

2）增大系泊索剛度或施加預應力均可減小船體運動量；增大系泊索長度、減小系泊索直徑或選用高彈性系泊索均可減小系泊索受力。通過施加預張力或設(shè)置批芭結(jié)等方式調(diào)整系泊索彈性，均衡并減小其受力，并控制船體在允許范圍內(nèi)運動，可保證碼頭系泊船舶作業(yè)時的安全性。

3）采用組合形式的系泊索（如鋼纜組合尼龍纜）可有效控制船體運動量，減小系泊索受力。在實際系泊作業(yè)中，應綜合考慮外荷載、系泊索屬性，合理規(guī)劃方便操作的系泊方案。