基于AQWA的漁船排列形式對運動和系泊力響應(yīng)的影響分析

曹力瑋，陶愛峰，張 堯，黃婉茹，張 旭

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3.自然資源部海洋減災(zāi)中心，北京100194)

隨著海洋經(jīng)濟的迅速發(fā)展，海洋災(zāi)害的潛在危險性也不斷提升。海洋漁業(yè)作為海洋經(jīng)濟的重要組成部分，對海洋災(zāi)害非常敏感。漁船是中國沿海地區(qū)特別是經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)地區(qū)較為普遍的海洋漁業(yè)經(jīng)濟載體。臺風(fēng)發(fā)生時，各級海洋主管部門和沿海各級政府部門嚴(yán)陣以待，落實責(zé)任，按防臺風(fēng)“五個百分百”要求，嚴(yán)格落實了“漁船百分之百進港避風(fēng)”，取得了積極成效。然而臺風(fēng)引發(fā)的漁船受災(zāi)事故中，中小型漁船占多數(shù)，且多發(fā)生于港區(qū)內(nèi)部及附近。2018年“瑪利亞”臺風(fēng)過后，僅福建三都澳海域，截止2018年7月13日統(tǒng)計結(jié)果顯示，漁業(yè)直接經(jīng)濟損失就高達(dá)約1.48億元，漁船受損170艘。同一時間，浙江蒼南有390多艘漁船受損。通過對溫嶺中心漁港的實地調(diào)研了解到漁船受損的直接原因是由于港內(nèi)部分區(qū)域波浪較大，導(dǎo)致船舶走錨或斷纜，進而發(fā)生碰撞造成損壞。因此開展港內(nèi)漁船受災(zāi)機理的研究是很有必要的。

目前國內(nèi)外有關(guān)船舶系泊的研究主要集中于超大型商船的碼頭前系泊方面[1-3]，漁船等中小型船舶水動力方面研究較少，研究大多數(shù)是針對漁船結(jié)構(gòu)、設(shè)計、管理機制、節(jié)能減排以及漁港防臺風(fēng)等方面[4-8]。孫一艷[9-10]通過物理模型試驗分別給出單船和三船并排首尾錨泊的港內(nèi)允許波高建議值為0.7 m和0.9 m。Kodan N[11]、Ohkusu M[12]采用二維切片法分析了零航速狀態(tài)下波浪對并排船體之間產(chǎn)生的水動力干擾。Hong K[13]對多浮體與單浮體的響應(yīng)進行了對比分析，并開展了多浮體系泊時域分析和物模試驗。高峰[14]使用SHIP-MOORINGS模型對系泊船的運動、波浪載荷以及護舷撞擊力進行數(shù)值模擬計算。朱奇[15]通過物理模型試驗研究了泊位長度和纜繩的布置形式對系泊船舶穩(wěn)定的影響。

以275HP拖網(wǎng)漁船為研究對象，基于三維勢流理論和波浪的輻射/衍射理論，分別對單船、雙船并排與三船并排首尾錨泊開展數(shù)值模擬，研究不規(guī)則波作用下船只的運動響應(yīng)和系纜力的情況，分析結(jié)果可為港區(qū)漁船錨泊方式提供參考。

1 計算流程

采用水動力分析軟件AQWA建立船舶并排系泊仿真模型，并進行水動力分析。AQWA主要解決浮體在環(huán)境載荷作用下的運動響應(yīng)、系泊定位、海上安裝作業(yè)、船舶航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題，可以建立系泊纜、鉸、護舷、絞車、滑輪、張力腱等多種連接部件。另外，針對多物體耦合水動力計算分析問題，AQWA具備不規(guī)則頻率去除功能和駐波抑制功能，能夠提高復(fù)雜水動力分析結(jié)果的精度，見軟件理論手冊。計算過程中需要調(diào)用AQWA-LINE、AQWA-LIBRIUM和AQWA-DRIFT三個模塊，計算流程圖如圖1所示。

圖1 計算流程示意圖Fig.1 Flow chart of calculation

2 首尾系泊漁船數(shù)值模型

2.1 漁船數(shù)值模型參數(shù)

李安迪[8]對溫嶺中心漁港漁船信息進行統(tǒng)計分析，根據(jù)船長頻率密度直方圖顯示，溫嶺漁船平均船長36 m，船長在30～45 m的船舶占總數(shù)的82%，船寬均值為6.78 m。為了更具代表性，本文選取275HP拖網(wǎng)漁船作為目標(biāo)船型，具體參數(shù)見表1。通過實地調(diào)研，政府規(guī)定漁船回港錨泊避風(fēng)時，為了防止船體運動量過大，應(yīng)當(dāng)有一定壓載，本文以半載為研究對象，已知該船半載條件下的臨界入水角約為13°[10]。

表1 漁船主尺度參數(shù)(半載)Tab.1 Principal dimensions of the fishing boat(half load)

以ANSYS Mechanical有限元分析軟件分別建立單船、雙船和三船并排的模型并劃分網(wǎng)格，模型及坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2～4所示。

圖2 單船模型Fig.2 Model of single ship圖3 雙船模型Fig.3 Model of double ship圖4 三船模型Fig.4 Model of three ship

2.2 模型驗證與橫搖阻尼修正

2.2.1 模型驗證

應(yīng)用AQWA-LINE數(shù)值模型計算得到的單漁船橫搖、縱搖、垂蕩的幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator, RAO)。由橫搖RAO結(jié)果可知，橫搖固有周期為5.7 s，與實際漁船的絕對誤差為0.348 s，滿足驗證要求。

2.2.2 橫搖阻尼修正

船舶橫搖最主要的阻尼貢獻為粘性阻尼，然而AQWA基于面元法的計算是忽略橫搖粘性阻尼，需要自行修正。剛體單自由度運動時的臨界阻尼為

(1)

式中：M為質(zhì)量；K為對應(yīng)自由度的剛度。具體到橫搖運動，公式化為

(2)

式中：Ixx為橫搖方向慣性質(zhì)量；△Ixx為附加質(zhì)量慣性質(zhì)量；KRoll為橫搖方向剛度。Ixx通過橫搖慣性半徑Rxx計算得到。附加質(zhì)量慣性矩和橫搖方向剛度從靜水力計算結(jié)果中提取，經(jīng)過計算得到橫搖臨界阻尼，以8%的臨界阻尼作為粘性阻尼修正量。如圖5所示，已進行附加阻尼修正，得到合理的橫搖幅值25°。

圖5 橫浪下船舶橫搖、縱搖和垂蕩的RAOFig.5 RAO of ship rolling ,pitching and heave in transverse

2.3 首尾雙錨系泊漁船的數(shù)值模型建立

在船舶數(shù)值模型中設(shè)置懸鏈線式首尾單錨錨纜，有限元模型如圖6所示。纜繩材質(zhì)選擇鍍鋅鋼絲繩。開展靜平衡計算，通過調(diào)節(jié)首尾錨鏈的參數(shù)，使得首尾錨纜的拉力相近，最終確定系泊參數(shù)見表2。相鄰兩船間均設(shè)置4個護舷及6根中間系船纜繩，護舷及船間系纜的相關(guān)參數(shù)分別見表3和表4，其剛度模型均選擇3次非線性多項式。船間系纜長度大于船間距，有一定的富余量。船間護舷和纜繩布置見圖7，其中0.8 m厚的護舷只分別位于船頭第一排護舷與1.4 m長的纜繩只分別位于船頭第一條纜繩。

表2 首尾錨纜纜繩參數(shù)Tab.2 Principal dimensions of the fishing boat

表3 護舷參數(shù)Tab.3 Fender parameters

圖6 單船、雙船并排與三船并排系泊數(shù)值模型 Fig.6 Numerical model of single ship, double ship side by side and three ship side by side mooring

表4 船間系船纜繩參數(shù)Tab.4 Parameters of middle cable

圖7 船間纜繩和護舷布置圖Fig.7 Arrangement of mooring lines and fenders between ships

2.4 環(huán)境荷載

根據(jù)溫嶺地區(qū)漁港資料及實地調(diào)研確定所研究的環(huán)境工況參數(shù)。錨泊區(qū)域水深為6 m，試驗采用不規(guī)則波的頻譜為JONSWAP譜，考慮最不利情況，波浪方向為90°。譜峰周期從4～7 s每間隔1 s取值，有效波高分別為0.65 m、0.8 m和1.0 m，具體的環(huán)境參數(shù)設(shè)置見表5。

表5 主要環(huán)境參數(shù)Tab.5 The main environmental loading condition

為進一步了解船舶在橫浪作用下運動特性及系纜力隨時間的變化規(guī)律，開展單船與多船系泊系統(tǒng)的時域分析，仿真時間為10 800 s，時間步長取0.1 s。

3 計算結(jié)果分析

3.1 外船存在對單船附加質(zhì)量和輻射阻尼的影響

單船、B船和E船的橫蕩與橫搖附加質(zhì)量隨波頻的變化曲線見圖8。在低頻段，各船橫蕩和橫搖附加質(zhì)量隨波頻變化不大，附加質(zhì)量均趨于定值；在高頻段，B船和E船的橫蕩和橫搖附加質(zhì)量隨波頻的增加而增加，單船橫蕩和橫搖的附加質(zhì)量隨波頻增加反而減小，B船和E船的附加質(zhì)量整體上均大于單船的情況。

圖9為單船、B船和E船的橫蕩與橫搖輻射阻尼隨波頻的變化曲線。由圖可知，在低頻段，各船的橫蕩和橫搖的輻射阻尼均相差不大，隨著波頻的進一步增加，橫蕩與橫搖的輻射阻尼不斷增加。

8-a sway橫蕩8-b roll 橫搖圖8 附加質(zhì)量隨波頻變化曲線Fig.8 Curve of added mass versus wave frequency

3.2 橫搖角結(jié)果分析

不同波高、周期組合下的單船、雙船與三船最大橫搖角度的結(jié)果見圖10。從圖10-a中可以發(fā)現(xiàn)，不同波高條件下，單船橫搖角度總體趨勢都是隨著波浪周期的增大先增大后減小，即在船舶的固有周期附近，橫搖角度達(dá)到最大值。周期相同時，波高越大，橫搖角度越大。波高為0.65 m時，最大橫搖角度為10.05°；波高為0.8 m時，最大橫搖角度為12.5°；波高為1 m時，最大橫搖角度為16°。因此單船在特定工況下會因橫搖角度大于臨界入水角(13°)而發(fā)生船艙進水現(xiàn)象。

從圖10-b可以看出，雙船并排錨泊時，同種工況下直接受浪作用的A船橫搖角度整體大于B船，這相當(dāng)于A船對B船起到一定的遮蔽作用，且對于B船而言，其橫搖角度在單船橫搖固有周期附近與A船相比明顯減小。隨著波高增大，A船橫搖角度增幅明顯，B船橫搖角度受波高變化的影響不大。圖10-c中E船為中間船，F(xiàn)船為直接受浪作用船。三船并排錨泊時，三船橫搖角度受單船橫搖固有周期影響不大，但總體會隨著周期的增大而增大。同種工況下，處于中間的E船最大橫搖角度最大，F(xiàn)船和G船最大橫搖角度接近，這是因為處于中間的船體兩側(cè)存在窄縫，當(dāng)波浪頻率與窄縫間流體的固有頻率接近時，流體會產(chǎn)生共振，進而影響船體的運動幅值。在波高為1 m時，E、F、G船最大橫搖角度為分別為9.32°、8.72°和8.33°。隨著周期的增大，各船橫搖角度差距縮小。表6為各船系纜力與橫搖角度平均值對比，從表中可以看出單船在各工況下橫搖角度的平均值在0°附近，而其他多船并排的船體由于船體之間的相互作用使得橫搖角度平均值在某一個值附近，即船體在波浪作用下產(chǎn)生一個傾角并在這個傾角附近轉(zhuǎn)動。

10-a 單船10-b 雙船10-c 三船圖10 漁船最大橫搖角度在不同波浪周期時的比較Fig.10 Comparison of the maximum rolling angle of fishing boat in different wave periods

3.3 系泊纜拉力結(jié)果分析

由于在設(shè)置船舶艏艉纜時，船艉纜設(shè)置稍短，存在預(yù)緊力，以防止船舶在波浪作用下產(chǎn)生較大位移。圖11-a、11-b、11-c分別表示單船、雙船與三船艉纜最大拉力隨波高周期的變化。從圖11-a可以看出，周期相同時，錨纜拉力隨波高的增加而增加,當(dāng)T=4 s，Hs=1 m時，拉力最大，為154.49 kN，這是因為橫搖運動對拉力的影響較小。波高一定時，拉力隨周期的增加而減少，且隨著周期的增加，各波高下的單船系泊拉力差別越來越小。從圖11-b可以看出雙船并排錨泊時，同種工況下，直接受浪作用的A船拉力略大于B船。不同波高條件下拉力整體都呈現(xiàn)隨周期的增加而增加的趨勢，當(dāng)T=7 s，Hs=0.8 m時，A船存在最大拉力，為139.89 kN，當(dāng)T=7 s，Hs=1 m時，B船存在最大拉力，為137.68 kN。并且可以看出，兩船拉力在同種工況下的差別不大。從圖11-c可以看出，三船各船拉力的情況與雙船類似，但在同種工況下三船各船拉力的差別更加小。觀察表6可知：三船并排的錨泊方式纜繩拉力平均值的數(shù)量級比另外兩種錨泊方式小一級，這表明在同種工況下、三船并排錨泊的纜繩拉力值整體上更小更穩(wěn)定。

11-a 單船11-b 雙船11-c 三船圖11 漁船最大艉纜拉力在不同波浪周期時的比較Fig.11 Comparison of the maximum stern cable tension of fishing boat in different wave periods

3.4 雙船、三船與單船的橫搖角度最值和系纜拉力最值的對比分析

為了進一步研究漁船排列形式對橫搖角度和系纜力的影響，將三船、雙船中每條船的橫搖角度和系纜力無因次處理，即

φ0=φu/φ單船

(3)

F0=Fu/F單船

(4)

式中：u為漁船編號(分別取A、B、E、F、G)；φu、Fu分別為對應(yīng)工況下的橫搖角度和拉力；φ0、F0分別為對應(yīng)工況下的無因次化后的橫搖角度和錨纜拉力。

基于以上方法得到不同波高下的三船、雙船與單船的橫搖角度和拉力隨周期的變化，如圖12、13所示。

從圖12-a中可以看出，只有在Hs=0.65 m且T=4 s時，雙船并排形式下的船A和船B與三船并排形式下的中間船E的橫搖角度會大于單船的情況，其余均小于單船的情況。結(jié)合圖12可以看出，波高越高，雙船與三船的橫搖角度與單船相比，并排系泊的形式對橫向波浪有一定的的抑制作用。且在同種工況下，三船橫搖角度整體上小于雙船的情況。

從圖13-a、13-b、13-c可以看出，雙船與三船拉力的變化趨勢一致，且在同一波浪周期時，隨著波高的增加，無因此系數(shù)變化不大。但隨著周期的增加，雙船與三船的拉力均顯著增加，當(dāng)波浪周期較小時(4～6 s)，并排錨泊的漁船艉纜拉力均小于或接近單船錨泊時的拉力，當(dāng)波浪周期較大時(6～7 s)時，此時并排錨泊的漁船艉纜拉力大于單船錨泊的拉力。

12-a Hs=0.65 m12-b Hs=0.80 m12-c Hs=1.0 m圖12 雙船、三船與單船橫搖角度的比較Fig.12 Comparison of rolling angles of double ships, three ships and single ship

13-a Hs=0.65 m13-b Hs=0.80 m13-c Hs=1.00 m圖13 雙船、三船與單船系泊拉力的比較Fig.13 Comparison of mooring tension of double ships, three ships and single ship

4 結(jié)論

通過對單船與多船并排艏艉錨泊的水動力數(shù)值模擬計算，研究了單船與外船存在時內(nèi)測船的附加質(zhì)量與輻射阻尼隨波頻的變化規(guī)律以及船舶排列方式對自身橫搖角度和錨纜拉力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)外船存在時內(nèi)測船橫蕩與橫搖的附加質(zhì)量隨波頻的增加而增大，單船則相反。各船橫蕩與橫搖的輻射阻尼隨波頻的增加均增大。

(2)雙船并排或三船并排相比單船可以降低在橫浪作用下船舶的橫搖角度。其中，三船并排錨泊時各船的橫搖運動受單船橫搖固有周期影響最小，但三船并排錨泊時，中間船的橫搖角度最大，因此當(dāng)采用多船并排錨泊時，需注意中間非直接受浪作用船只，以免因橫搖角度過大而導(dǎo)致船艙進水。

(3)單船錨泊時的拉力隨周期的增加而減小；而雙船并排和三船并排錨泊時的拉力會隨著周期的增加而增大，多船并排錨泊的拉力受波高影響較小。所以當(dāng)設(shè)計漁港錨泊區(qū)域時，應(yīng)關(guān)注港內(nèi)波浪周期的分布情況，宜開展精細(xì)化的港內(nèi)波浪預(yù)報研究，以免并排錨泊的漁船發(fā)生走錨、斷纜的情況。

(4)當(dāng)港內(nèi)波浪周期較小時(4～6 s)，多船并排錨泊船只的拉力小于單船錨泊的拉力；當(dāng)港內(nèi)波浪周期較大時(6～7 s)，多船并排錨泊船只的拉力大于單船錨泊的拉力，綜合考慮漁船運動幅度與錨泊纜繩拉力的最值與均值，港內(nèi)波高周期均較大的區(qū)域宜采取多船并排錨泊的方式，但需加固纜繩和錨固設(shè)施。