港口船舶系泊載荷參數(shù)化及特性研究

趙奎，魏志強(qiáng)，魏立明，賀保衛(wèi)，崔海朋，杜鵬

(1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061；3.中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266061)

0 引言

船舶大型化、智慧化發(fā)展及大型深水開敞式港口碼頭的現(xiàn)代化建設(shè)，使得船舶港口系泊問題受到業(yè)界廣泛關(guān)注和研究。船舶與碼頭大多采用旁靠方式進(jìn)行裝卸作業(yè)，通過系泊纜與橡膠護(hù)舷相連[1]。船舶靠港系泊時(shí)受到風(fēng)、浪、流多環(huán)境載荷聯(lián)合作用[2–3]，導(dǎo)致其運(yùn)動響應(yīng)具有多變性和突發(fā)性[4]，由此關(guān)系到碼頭結(jié)構(gòu)、船舶自身及裝卸作業(yè)的安全性，及時(shí)有效地進(jìn)行系泊動態(tài)響應(yīng)分析，選擇合適的靠泊方式、系纜繩索等對多方安全至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對船舶港口系泊過程的運(yùn)動特性及環(huán)境載荷分析開展了大量的研究工作。SHASHIKALA[5]通過編寫SHIPMOOR 程序，參數(shù)化計(jì)算了船舶系纜力，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了程序計(jì)算結(jié)果的有效性。KIM[6]采用時(shí)域方法研究了水動力干擾效應(yīng)對不同系纜方式下的浮體系纜力影響。ROSA[7]研究發(fā)現(xiàn)惡劣海況下，僅依賴系泊纜繩對船舶大幅值運(yùn)動的限制不足。賈德君等[2]應(yīng)用時(shí)域響應(yīng)方法，對比研究了不同環(huán)境載荷下，傳統(tǒng)系泊與恒定范圍張力系泊下的船舶系纜強(qiáng)度。孟祥瑋等[8]提出了船舶系泊中波浪載荷理論計(jì)算公式，對我國現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行了補(bǔ)充完善。張鼎等[9]采用時(shí)域計(jì)算方法分析了風(fēng)、流載荷共同作用下系泊纜繩預(yù)張力、材質(zhì)和系泊布置等對系泊系統(tǒng)的影響。刁峰等[10]通過建立系泊狀態(tài)下船體與平整冰相互作用的二維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了極地鉆井船系泊冰阻力、系泊力以及船體運(yùn)動響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效預(yù)報(bào)系泊載荷。駱寒冰等[11]采用譜分析方法，研究了涌浪環(huán)境下系泊起重船吊裝組塊耦合運(yùn)動響應(yīng)。陳里等[12]分析了內(nèi)河港口滑坡涌浪作用下船舶系纜力和撞擊能的影響因素，以及波高、水深等因素影響下船舶系纜力和撞擊能的變化規(guī)律，得出了涌浪作用下船舶系纜力和船舶撞擊能的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。

目前，國內(nèi)船舶港口系泊載荷計(jì)算采用《港口工程載荷規(guī)范》[13]（JTS144-1-2010）的方法進(jìn)行，基于該規(guī)范的船舶系泊靜態(tài)理論計(jì)算的局限性，使得大型船舶在惡劣環(huán)境下系泊安全存在隱患，加之港口單位大多采用人工計(jì)算，效率較低，誤差較大。此外，CFD 數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)計(jì)算周期較長、費(fèi)用較高，并往往簡化了海洋環(huán)境的約束條件，對惡劣海況條件預(yù)估不足，使得計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。因此，本文基于文獻(xiàn)[13]通過港口氣象水文采集傳感器的數(shù)據(jù)輸入，編程實(shí)現(xiàn)了船舶港口系泊纜力的動態(tài)參數(shù)化計(jì)算，并通過水池試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性及可靠性，為船舶港口系泊運(yùn)動響應(yīng)快速分析提供了支撐，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 船舶港口系泊載荷參數(shù)化

1.1 系泊纜力計(jì)算模型

船舶港內(nèi)系泊纜力應(yīng)綜合考慮風(fēng)、浪、流共同對船舶作用所產(chǎn)生的橫向分力總和與縱向分力總和，如下式：

式中：N表示船舶港內(nèi)系泊纜力，kN；Nx，Ny，Nz分別表示系泊纜力橫向、縱向、豎向分力，kN；∑Fx、∑Fy分別表示風(fēng)、浪、流對船舶共同作用產(chǎn)生的橫向分力總和與縱向分力總和，kN；n表示系泊船舶同時(shí)受力的系船柱數(shù)目；K表示系船柱受力分布不均勻系數(shù)，n=2 時(shí)，K=1.2，n>2 時(shí)，K=1.3；α表示系船纜水平投影與碼頭前沿夾角，（°）；β表示系船纜與水平面間夾角，（°）。

1.2 風(fēng)、浪、流載荷計(jì)算模型

1.2.1 風(fēng)載荷計(jì)算模型

作用于船舶上的風(fēng)載荷垂直于碼頭前沿的橫向分力和平行于碼頭前沿的縱向分力可按式（5）和式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Fwx，F(xiàn)wy分別表示作用于船舶的風(fēng)載荷橫向分力和縱向分力，kN；Awx，Awy分別表示船體水面以上橫向和縱向受風(fēng)面積，m2；Vxy，Vwy分別表示風(fēng)速的橫向和縱向分量，m/s；ζ1表示風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)；ζ2表示風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)。

1.2.2 浪載荷計(jì)算模型

《港口工程載荷規(guī)范》中尚未給出波浪作用于船體的系纜力計(jì)算公式，本文基于文獻(xiàn)[8]提出的船舶波浪產(chǎn)生的纜力載荷計(jì)算公式與方法，進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算。

其中：

式中：Ffx，F(xiàn)fy表示浪載荷沿船舶縱軸的橫向分力和縱向分力，kN；H代表入射波高，m；θ為波浪入射角度，度；Lpp為船舶垂線間長，m；D為船舶吃水，m；B為船舶型寬，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；Tx為船舶橫搖周期，s；Ty為船舶縱搖周期，s；T為波浪周期，s；W為船舶當(dāng)前排水量，t；Wt為船舶滿載排水量，t。

1.2.3 流載荷計(jì)算模型

對于開敞式港口透空式系船，當(dāng)流向與船舶縱軸夾角小于15°或大于165°時(shí)，沿船舶縱軸的流載荷船首橫向分力、船尾橫向分力、流載荷縱向分力可按下式計(jì)算：

式中：Fscx，F(xiàn)fcx，F(xiàn)cy分別表示沿船舶縱軸的流載荷船艏橫向分力、船尾橫向分力和縱向分力，kN；Cscx，Cfcx，Ccy分別表示流載荷船首橫向分力系數(shù)、船尾橫向分力系數(shù)和縱向分力系數(shù)；Vc表示水流速度，m/s；ρ表示水密度，t/m3；Bwl表示船舶水線以下橫向投影面積，m2；Bf表示船舶水線以下濕表面積，m2。

對于開敞式港口透空式系船，當(dāng)流向與船舶縱軸夾角為15°～165°時(shí)，沿船舶縱軸的流載荷橫向分力與縱向分力可按下式計(jì)算：

式中：Fcx，F(xiàn)cy分別表示沿船舶縱軸的流載荷橫向分力和縱向分力，kN；Ccx，Ccy分別表示流載荷橫向分力系數(shù)和縱向分力系數(shù)；Acx，Acy分別船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積，m2。

1.3 系泊載荷參數(shù)化程序設(shè)計(jì)

1.3.1 程序架構(gòu)及流程

《港口工程載荷規(guī)范》系泊載荷計(jì)算主要包括風(fēng)、流載荷內(nèi)容，文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步補(bǔ)充完善了波浪載荷對船舶系纜力的貢獻(xiàn)，基于上述風(fēng)、浪、流作用船舶后產(chǎn)生的系泊載荷計(jì)算方法，本程序架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系泊載荷計(jì)算程序架構(gòu)Fig.1 Framework of mooring load calculation program

根據(jù)環(huán)境載荷、船舶主尺度、程序設(shè)置參數(shù)等因素，基于VB.net 開發(fā)環(huán)境，編程開發(fā)船舶系泊載荷計(jì)算程序，通過傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)、浪、流數(shù)據(jù)無線傳輸至程序，計(jì)算設(shè)定時(shí)間步長內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)平均值，進(jìn)而動態(tài)求得船舶系泊時(shí)風(fēng)、浪、流載荷貢獻(xiàn)值，并將結(jié)果曲線動態(tài)繪制于界面右側(cè)。計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 系泊載荷計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of mooring load calculation

1.3.2 參數(shù)化界面

風(fēng)、浪、流載荷經(jīng)程序化計(jì)算后，可通過設(shè)置時(shí)間步長，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，并將環(huán)境載荷趨勢變化實(shí)時(shí)反映至界面中，以浪載荷計(jì)算為例，時(shí)間步長設(shè)置為1 h，其載荷實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果趨勢曲線如圖3 所示，其他界面原理相同。

圖3 浪載荷計(jì)算界面Fig.3 The interface of wave load calculation

2 船舶水池系泊試驗(yàn)

為驗(yàn)證該程序的可靠性、準(zhǔn)確性及研究船舶系泊響應(yīng)特性，通過船舶水池系泊試驗(yàn)進(jìn)一步分析環(huán)境載荷對船舶系泊纜力的影響。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于大連理工大學(xué)船舶拖曳水池系泊試驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]，水池長170 m，寬7 m，水深4 m；造波機(jī)由20 塊造波板組成，最大造波高0.4 m；試驗(yàn)船型為中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)2012 年建造的30000DWT 多用途重吊船，其主尺度如表1 所示，模型縮尺比為1∶30.18。試驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)溫度為21.6 ℃，水運(yùn)動粘性系數(shù)取值0.969×106m2/s。船體型線圖如圖4 所示，系泊船舶模型及系泊示意如圖5 和圖6 所示。

表1 船舶主尺度參數(shù)Tab.1 Principal dimension parameters of ship

圖4 船舶型線圖[14]Fig.4 Hull lines

圖5 試驗(yàn)船模[14]Fig.5 Test model of ship

圖6 系泊示意圖Fig.6 Schematic diagram of mooring

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 程序可靠性驗(yàn)證

船舶水池系泊試驗(yàn)時(shí)，以波浪載荷試驗(yàn)對程序可靠性予以驗(yàn)證，試驗(yàn)在船舶滿載、靜風(fēng)、靜流工況下，分別驗(yàn)證了波浪入射角度 θ為5°，10°，15°，20°，25°，30°，波浪周期T為4.5 s，波高為0.3 m 時(shí)的波浪載荷Ff，對比結(jié)果如表2 和圖7 所示。其中，F(xiàn)fx0為波浪載荷橫向分力試驗(yàn)值，F(xiàn)fx1波浪載荷橫向分力試驗(yàn)值；Ffy0為波浪載荷縱向分力試驗(yàn)值，F(xiàn)fy1波浪載荷縱向分力試驗(yàn)值，kN。

表2 波浪載荷對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of wave load

圖7 波浪載荷試驗(yàn)與計(jì)算曲線Fig.7 Test and calculation curve of wave load

由圖7 可以看出，程序計(jì)算結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢一致，計(jì)算值總體是試驗(yàn)值1.0～1.1 倍，最大偏差0.013 kN，原因在于：為保證系泊安全，理論計(jì)算方法相對保守，其系數(shù)因子取值偏大；其次，從波浪載荷理論計(jì)算公式可以看出，橫向分力曲線符合正弦變化，縱向分力曲線符合余弦變化，通過0°～180°波浪入射角度的波浪載荷程序計(jì)算，結(jié)果曲線滿足上述規(guī)律，可驗(yàn)證該程序計(jì)算的有效性與可靠性。

3.2 浪、流特性分析

3.2.1 浪載荷特性

研究船舶滿載、靜風(fēng)、靜流工況下，浪向角θ分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，波高H分別為0.1 m，0.15 m，0.2 m，0.25 m，0.3 m，0.35 m，0.4 m時(shí)的船舶浪載荷響應(yīng)，對比結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可知：

1）在浪橫向載荷曲線中，圖8（a）隨浪向角增加，曲率逐漸變小，曲線上升變緩，相鄰曲線間距基本一致，符合試驗(yàn)結(jié)果趨勢與精度；圖8（b）隨波高的增加呈線性增長，曲率基本保持一致，且隨著角度的增加，同一波高下的相鄰曲線間距逐漸減??；

圖8 浪載荷特性對比曲線Fig.8 Correlation curve of flow load

2）在浪縱向載荷曲線中，圖8（c）隨浪向角增加，曲率逐漸變大，圖8（d）同樣呈線性增長趨勢，曲線特性與圖8（b）相同。

3.2.2 流載荷特性

流載荷特性主要研究了靜風(fēng)、靜浪，船舶滿載工況下，流向角φ分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°、90°，流速分別為0.1 m/s，0.2 m/s，0.3 m/s，0.4 m/s，0.5 m/s 時(shí)的船舶流載荷響應(yīng)，對比結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可知：

1）在流橫向載荷曲線中，圖9（a）隨著流向角的增加，曲率逐漸增大，曲線上升速率加快，相鄰流向角曲線隨流速的增加，間距逐漸成擴(kuò)大趨勢；圖9（b）隨著流向角的增加，曲率變小，曲線上升速率變緩，相比流向角，流速對流載荷影響更為明顯；

圖9 流載荷特性對比曲線Fig.9 Correlation curve of wave load

2）在流縱向載荷曲線中，圖9（c）呈現(xiàn)明顯的聚類現(xiàn)象，不同于常規(guī)受力分析，流向角為45°時(shí)，船舶流縱向載荷最大，且流向角為0°時(shí)，流縱向載荷較低，圖9（d）趨勢同樣反映出該現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及OCIMF 規(guī)范存在較大差異，其原因在于：國內(nèi)《港口工程載荷規(guī)范》中流載荷系數(shù)計(jì)算只給出船舶方形系數(shù)為0.825 與0.625，水深吃水比為1.1 和1.5 工況下的系數(shù)計(jì)算方法，本文水深吃水比為11.76，超出規(guī)范量程，基于靜態(tài)理論計(jì)算方法的局限性，導(dǎo)致程序靜態(tài)計(jì)算時(shí)的誤差偏大。

4 結(jié)語

本文首先基于國內(nèi)《港口工程載荷規(guī)范》載荷計(jì)算方法，編程實(shí)現(xiàn)了船舶系泊過程中風(fēng)、浪、流載荷的動態(tài)參數(shù)化計(jì)算，解決了人工計(jì)算繁瑣、精度較低以及試驗(yàn)周期長、成本偏高等問題，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了程序計(jì)算的可靠性，并進(jìn)一步分析了系泊過程中浪、流載荷的變化特性，得出以下結(jié)論：

1）本文編程實(shí)現(xiàn)的船舶系泊過程中波浪載荷的動態(tài)參數(shù)化計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合度可達(dá)90%，滿足波浪載荷計(jì)算要求，具有一定的實(shí)用性；

2）國內(nèi)《港口工程載荷規(guī)范》中流載荷計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢偏差較大，實(shí)際工程的適用性不足，該理論計(jì)算尚需進(jìn)一步完善；

3）本文分析了單一環(huán)境因素對系泊特性的影響，基于風(fēng)浪流耦合作用于下的船舶系泊理論計(jì)算、數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究仍需進(jìn)一步研究。