基于AQWA的碼頭船舶系泊模擬設計

張健博

[摘 ? ?要]在國際物流中，碼頭作為聯(lián)系貿(mào)易的重要水陸交通樞紐，是為船舶提供停靠裝卸貨物的必要場所。碼頭的技術(shù)問題其中之一是系泊方式的選擇，設計一個合理的系泊方案對船舶和碼頭的安全都十分重要。對一艘排水量為45 000t的散貨船的系泊狀態(tài)進行分析，使用AQWA軟件，在三維勢流理論的支持下，選擇理想環(huán)境對船舶系泊方案進行模擬設計。主要研究內(nèi)容為：建立船舶和碼頭模型，使用AQWA頻域分析模塊對船舶的水動力性能進行分析;碼頭系泊船舶時域耦合分析。設計兩種不同的系泊方案，比較兩種方案下船舶自由度的運動響應和系泊纜張力的變化情況，確定適合的系泊方案。

[關(guān)鍵詞]碼頭系泊;AQWA;水動力性能

[中圖分類號]U653.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–0–03

Simulation Design of Wharf Ship Mooring Based on Aqwa

Zhang Jian-bo

[Abstract]In international logistics， as an important land and water transportation hub for linked trade， the wharf is a necessary place for ships to dock and load and unload goods. One of the technical problems of the terminal is the choice of mooring mode. Designing a reasonable mooring scheme is very important for the safety of ships and terminals. In this paper， the mooring state of a bulk carrier with a displacement of 45000 tons is analyzed. Using Aqwa software and supported by three-dimensional potential flow theory， the ideal environment is selected to simulate and design the ship mooring scheme. The main research contents are as follows： （1） establish the ship and wharf model. The Aqwa frequency domain analysis module is used to analyze the hydrodynamic performance of the ship. （2） Time domain coupling analysis of wharf moored ships. Design two different mooring schemes， compare the motion response of ship degrees of freedom and the change of mooring line tension under the two schemes， and determine the suitable mooring scheme.

[Keywords]wharf mooring; AQWA; hydrodynamic performance

現(xiàn)代社會中海洋運輸十分關(guān)鍵。經(jīng)濟發(fā)展是國家的根本，碼頭為船舶提供停靠裝卸貨物的必要場所，對國家經(jīng)濟提高、社會進步起到關(guān)鍵的作用。碼頭系泊方式是指系泊纜的數(shù)量和出纜角度不同方向的安排，若在系泊過程中受力不均會導致某一處系泊纜的受力變得過大，如果超出破斷張力，就會有系泊纜斷開的風險導致發(fā)生斷纜事故，造成十分嚴重的損失[1]。

船舶的六個自由度對正在航行的船舶都很關(guān)鍵，對系泊船舶來說，如果自由度變化很大，就會影響船舶的正常工作效率，因此一個合理的范圍對于船舶的運動響應也很關(guān)鍵[2]。本文選擇AQWA對一艘長寬比為5.5∶1，排水量為45 000t的散貨船進行模擬分析，研究其在理想環(huán)境中的系泊方式。

1 AQWA導入模型與網(wǎng)格劃分

本文船舶的具體參數(shù)見表1。本論文所有的計算中，坐標系如圖1所示。在AQWA中導入由DesignModeler建模的船體和碼頭，并對其進行網(wǎng)格劃分，確定碼頭和船舶的距離，如圖2所示。

2 碼頭船舶系泊方案設計

本文模擬碼頭的風、流、浪運動情況，選取的工況見表2，采用NPD風譜、JONSWAP波浪譜以及均勻流。碼頭水深設為20 m，波浪方向為90°，即為橫浪;風向為90°，即為攏風;流向為135°，有義波高2.5 m。

系泊用的纜繩采用的大多為尼龍纜，本次模擬使用的纜繩直徑為10 mm，干重10.26 kg/m，等效截面積取0.01 m2，破斷強度為7 000 kN。本次模擬的碼頭系泊，由碼頭、系泊纜、船舶三部分組成，不考慮系泊纜入水的情況，所有系泊纜在空氣中通過導纜孔與碼頭上的帶纜樁鏈接。

系泊方案一通過選擇12條系泊纜進行模擬設計，坐標分布見表3。示意圖如圖3所示。

系泊方案一系泊纜受力情況如圖4所示，可以看出Cable9、Cable10所代表的兩根纜繩的受力略高出破斷張力，而Cable5、Cable11根系泊纜受力較小，存在受力不均的問題。因此碼頭系泊船舶方案存在風險，需要進行優(yōu)化。

在保證系泊過程中不超出破斷力安全范圍的同時，也應繼續(xù)對船舶運動響應進行分析，經(jīng)過時域耦合分析，方案一在橫搖方向船舶的運動范圍在-8.2°～6.157°;在縱搖方向，船舶的范圍在-0.888°～1.213°;在艏搖方向，船舶的運動范圍在-5.134°～5.161°。

方案一的設計中存在部分系泊纜受力超出破斷張力的情況，需要進行優(yōu)化使得最大受力小于破斷力的同時盡可能減小船舶的運動響應。

方案二在方案一基礎上，針對Cable9、Cable10兩根系泊纜最大受力超出破斷力最大值，在不增加纜繩數(shù)量的情況下改變纜繩的出纜角度使得纜繩的受力滿足要求。方案二的坐標分布圖見表4;示意圖如圖5所示，纜繩受力情況如圖6所示。

從圖6可以看出，與方案一相比，方案二系泊纜整體的受力有所下降，其中Cable9、Cable10系泊纜受力已經(jīng)低于破斷張力，受力較小的Cable5、Cable11受力有所增加，整體受力滿足理想條件下船舶系泊的要求。

方案二的船舶運動幅值如下：在橫搖方向，船舶的運動范圍在-6.055°～4.392°;在縱搖方向，船舶的范圍在-1.084°～1.111°;在艏搖方向，船舶的運動范圍在-5.069°～6.208°。相比于方案一運動幅值幅度有所減小，符合安全設計的理念。

經(jīng)過分析后可以得到結(jié)論，方案二與方案一相比，每根系泊纜的受力有所平衡，自身受力均小于破斷張力，運動響應幅度有所降低，在理想環(huán)境中滿足系泊所需的設計條件，故而在設計中第二種設計方案比較合理。

3 設計模擬實驗結(jié)論

使用AQWA對排水量為45 000t的散貨船在理想環(huán)境下對碼頭系泊進行模擬設計，得到了兩種不同方案的船舶運動響應和系泊纜張力變化情況，通過比較確定了最優(yōu)系泊方案，并通過數(shù)據(jù)說明，系泊方案二是本次碼頭系泊模擬設計方案中最優(yōu)選擇。

參考文獻

[1] 郭建廷.船舶碼頭系泊形式及水動力性能分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2016.

[2] 高峰，王煒正，李焱.大型LNG船舶在風浪流共同作用下的系泊試驗研究[J].水道港口，2013，34（5）：398-402.