基于ANSYS-AQWA的墊擋船碼頭靠泊特性分析

袁培銀,李渝鋒,趙 宇,張 哲

(1. 重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院,重慶 400074;2. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,重慶 400074)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,三峽庫(kù)區(qū)通航船舶數(shù)量逐步增加,碼頭附近靠泊作業(yè)的船舶噸位陡增。往來(lái)船只眾多,?？看芭c碼頭發(fā)生碰撞事故時(shí)有發(fā)生,碰撞事故不僅會(huì)增加了碼頭維修費(fèi)用,還會(huì)對(duì)船員和碼頭工作人員安全產(chǎn)生隱患。三峽大壩建成后,三峽庫(kù)區(qū)水位上升,水面變寬,水域面積增大;另外,水位抬高導(dǎo)致水深和過(guò)流面積的大幅度增加,水流明顯變緩[1]。隨著航道優(yōu)化,三峽庫(kù)區(qū)的船舶也逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、大型化的方向發(fā)展。因此,開展三峽庫(kù)區(qū)系泊船舶水動(dòng)力性能分析,對(duì)于工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要意義。

學(xué)界對(duì)碼頭系泊船舶運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)的研究。在考慮影響船舶碼頭系泊系統(tǒng)的外界因素時(shí),不能只考慮某一單個(gè)因素,影響船舶撞擊的環(huán)境因素應(yīng)考慮風(fēng)、流、波浪和水面高度等[2]。高峰等[3]對(duì)碼頭系泊過(guò)程中的環(huán)境條件、船體運(yùn)動(dòng)及護(hù)舷碰撞力進(jìn)行了模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值、纜繩張力和碰撞力會(huì)隨著頻率變化而改變;胡毅等[4]利用多體水動(dòng)力計(jì)算軟件對(duì)船碼頭系泊時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究,分析了LNG船碼頭系泊時(shí)的整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜繩所受張力變化規(guī)律;周豐等[5]設(shè)計(jì)了船舶碼頭系泊系統(tǒng),優(yōu)化了系泊系統(tǒng)方式,使得船舶碼頭系泊系統(tǒng)的特征量計(jì)算更加地高效;R.GRANT等[6]通過(guò)數(shù)值計(jì)算,研究了碼頭系泊船舶六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪載荷的關(guān)系;TAN Huiming等[7]利用模型試驗(yàn)方法,研究了在風(fēng)浪流作用下的泊位長(zhǎng)度對(duì)LNG船舶系泊影響,試驗(yàn)表明:波浪力是影響船舶運(yùn)動(dòng)的最大因素,泊位長(zhǎng)度對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)影響不明顯,但較短的泊位長(zhǎng)度有助于降低纜索的張力;P.ROSA-SANTOS等[8]從減少系泊船舶運(yùn)動(dòng)、改善泊位操作和安全條件方面出發(fā),分析了護(hù)舷類型對(duì)系泊纜張力的影響;I.TOUZON等[9]利用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,模擬了支撐結(jié)構(gòu)與系泊系統(tǒng)之間的相互作用;ZHU Feng等[10]為了解中長(zhǎng)周期波浪對(duì)船舶動(dòng)力響應(yīng)的影響,基于勢(shì)流理論,對(duì)3種典型停泊集裝箱船在波浪相互作用下進(jìn)行了水動(dòng)力分析;劉明維等[11]基于材料力學(xué)的基本理論,推導(dǎo)得到了船舶系纜力與浮式系船柱柱身應(yīng)變之間的定量關(guān)系,并結(jié)合系纜力作用下浮式系船柱有限元模型,計(jì)算得出了浮式系船柱所受系纜力,用來(lái)評(píng)估過(guò)閘船舶的系纜安全;張婧等[12]以單點(diǎn)系泊FPSO為研究對(duì)象,從6自由度運(yùn)動(dòng)和系纜張力響應(yīng)出發(fā),比較了張緊式和懸鏈線式系泊系統(tǒng)對(duì)于平臺(tái)水動(dòng)力性能影響,研究結(jié)果表明選取合適的內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置和系泊纜與海底夾角布置方案,可有效地降低船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力。

筆者基于三峽庫(kù)區(qū)水域的實(shí)測(cè)資料,考慮三峽庫(kù)區(qū)淺水深影響,探討了船舶的系泊方式,分析了船舶水動(dòng)力性能,評(píng)估了風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下船舶的系泊安全。

1 計(jì)算理論

1.1 三維勢(shì)流理論

假設(shè)流體為無(wú)黏性、無(wú)旋、不可壓縮,則可引入速度勢(shì)φ(x,y,z,t)來(lái)描述流域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)[13]。當(dāng)海洋結(jié)構(gòu)物以自由面為基準(zhǔn)時(shí),速度勢(shì)滿足Laplace方程,如式(1):

?2φ(x,y,z,t)=0

(1)

Laplace方程和描述物體運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)需要進(jìn)行線性化處理。假定波浪和結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)都較小,而流場(chǎng)中的速度勢(shì)由入射波速度勢(shì)、繞射勢(shì)和輻射勢(shì)疊加而成,如式(2)。

φ(x,y,z,t)=φI(x,y,z,t)+φD(x,y,z,t)+

φR(x,y,z,t)

(2)

式中:φI為入射波速度勢(shì),表明流場(chǎng)中速度分布的情況;φD為繞射勢(shì),表明結(jié)構(gòu)物對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的速度產(chǎn)生的影響;φR為輻射勢(shì),表明結(jié)構(gòu)物6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)及振蕩對(duì)流場(chǎng)的影響。

1.2 系纜力計(jì)算方法

系泊纜在外力作用下發(fā)生形變,所產(chǎn)生的力為非線性[14],其計(jì)算如式(3):

(3)

式中:FR為纜繩拉力,kN;d為纜繩直徑,m;Kc為纜繩彈性常數(shù),對(duì)尼龍繩而言,Kc=1.56×104MPa,對(duì)鋼絲纜,Kc=2.75×105MPa;n為材料特性相關(guān)的指數(shù),尼龍繩n=1.5;ΔS/S為纜繩相對(duì)伸長(zhǎng)比。

如果帶纜樁的坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1),船舶在初始船位時(shí)導(dǎo)纜孔的坐標(biāo)為(X2,Y2,Z2),則纜繩應(yīng)變[14]計(jì)算如式(4):

(4)

式中:Δ為導(dǎo)纜孔到系泊絞車的距離;Lo為船舶在初始位置時(shí)的纜繩原長(zhǎng)。

2 模型建立

2.1 模型參數(shù)

建立模型時(shí),預(yù)先對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行定義:船長(zhǎng)為X軸方向,X正方向?yàn)榇仓赶虼?船寬為Y軸方向,Y正方向?yàn)橛蚁现赶蜃笙?Z軸向上為正,水線面處Z=0,坐標(biāo)原點(diǎn)為船尾水線面左右對(duì)稱點(diǎn)。環(huán)境載荷作用的方向定義是與X軸正向的夾角,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。船舶六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)中,沿X軸方向運(yùn)動(dòng)為縱蕩(surge);沿Y軸運(yùn)動(dòng)為橫蕩(sway);沿Z軸運(yùn)動(dòng)為垂蕩(heave);繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)為橫搖(roll);繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)為縱搖(pitch);繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)為艏搖(yaw)。表1為墊擋船與碼頭的主尺度參數(shù)。

表1 模型主尺度參數(shù)

2.2 模型驗(yàn)證

在進(jìn)行水動(dòng)力分析之前,為保證文中所建立的水動(dòng)力模型數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性,筆者對(duì)碼頭-船舶模型劃分不同密度的網(wǎng)格,探究在網(wǎng)格密度變化情況下,船舶波浪響應(yīng)變化趨勢(shì)是否滿足要求。方案1為網(wǎng)格允許公差0.1 m,最小網(wǎng)格尺寸為1 m的船舶有限元模型;方案2為網(wǎng)格允許公差0.15 m,最小網(wǎng)格尺寸為1.2 m的船舶有限元模型;方案3為網(wǎng)格允許公差0.2 m,最小網(wǎng)格尺寸為1.5 m的船舶有限元模型。在這3種不同網(wǎng)格劃分下,選取相同的環(huán)境參數(shù),分別對(duì)其進(jìn)行水動(dòng)力性能數(shù)值分析。

圖1為波浪入射方向?yàn)?5°時(shí),兩種網(wǎng)格劃分下的縱蕩波浪幅值響應(yīng)算子。

圖1 網(wǎng)格密度驗(yàn)證

由圖1可知:這3種網(wǎng)格劃分下的縱蕩波浪幅值響應(yīng)算子變化趨勢(shì)以及具體數(shù)值幾乎一致,其峰值相差僅為1%,故可用原來(lái)的水動(dòng)力模型進(jìn)行相關(guān)的水動(dòng)力性能分析。

筆者最終采用ANSYS軟件建立船舶-碼頭的濕表面模型。網(wǎng)格允許公差0.1 m,最小網(wǎng)格尺寸為1 m;主船體劃分907網(wǎng)格,碼頭劃分1 766網(wǎng)格,共計(jì)2 673網(wǎng)格。碼頭-船舶模型如圖2。

圖2 碼頭和船舶模型示意

3 幅值響應(yīng)計(jì)算分析

基于勢(shì)流理論,筆者分析了浪向角對(duì)幅值響應(yīng)算子(response amplitude operator, RAO)影響。規(guī)定以船尾來(lái)向?yàn)?°浪向角,船首來(lái)向?yàn)?80°浪向角,45°為間隔,共設(shè)置5個(gè)波浪方向,運(yùn)用AQWA-LINE模塊進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為180 s,以5～30 s為典型時(shí)間段進(jìn)行分析。

圖3為浪向角對(duì)船舶各自由度幅值響應(yīng)算子影響的時(shí)間歷程。

圖3 浪向角對(duì)幅值響應(yīng)算子的影響

由圖3可知:浪向角對(duì)縱蕩幅值響應(yīng)算子的影響較大,呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì);其中:0°和180°方向的浪向角對(duì)縱蕩幅值響應(yīng)算子的影響最明顯,90°的浪向角對(duì)橫蕩、垂蕩和橫搖響應(yīng)較大,對(duì)縱蕩、縱搖和艏搖影響較小。各方向的浪向角對(duì)船舶橫搖幅值響應(yīng)算子的影響趨勢(shì)相似,呈現(xiàn)出先增大,后減小。

4 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能分析

4.1 環(huán)境參數(shù)

筆者以三峽庫(kù)區(qū)典型環(huán)境條件作為模擬工況依據(jù),具體參數(shù)設(shè)置如表2。

表2 環(huán)境參數(shù)

4.2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將頻域計(jì)算的RAO結(jié)果導(dǎo)入AQWA-DRIFT模塊,采用橫向和斜向兩個(gè)方向的系泊纜索限制船舶在橫向和縱向的移動(dòng),計(jì)算得到2-7-2(下文簡(jiǎn)稱11系泊)和4-4-4(下文簡(jiǎn)稱12系泊)兩種系泊方式下的時(shí)間歷程曲線和系泊纜拉力變化規(guī)律。按照3 h回歸周期得到船舶各自由度響應(yīng)的最大統(tǒng)計(jì)值,每組工況模擬3次,將統(tǒng)計(jì)值取平均,以60～160 s為典型時(shí)間段進(jìn)行分析,系泊方式如圖4、圖5。

圖4 11系泊方式示意

圖5 12系泊方式示意

4.3 水動(dòng)力性能分析

筆者對(duì)船舶系泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),開展了3 h不規(guī)則波作用下的數(shù)值計(jì)算。圖6為兩種系泊方式下船舶六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)幅值的時(shí)間歷程曲線。

由圖6可知:由于外環(huán)境的不規(guī)則性,船舶六自由度呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化趨勢(shì),通過(guò)兩種系泊方式對(duì)比發(fā)現(xiàn),11系泊方式下的垂蕩平均距離為0.505 m,且在運(yùn)動(dòng)幅值在0.3～0.6 m內(nèi)變化,振蕩效果明顯;12系泊方式下的垂蕩平均距離為0.772 m,在60～95 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)頻率較大,振蕩范圍在0.65～0.95 m。11系泊方式下的縱蕩平均距離為0.563 m;12系泊方式下縱蕩平均距離為0.579 m,運(yùn)動(dòng)頻率較小,趨于穩(wěn)定。12系泊方式下橫蕩距離隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,11系泊方式下橫蕩平均距離為0.047 m且浮動(dòng)范圍較小。研究表明:11系泊方式下船舶的橫蕩和垂蕩振幅較小,艏搖角度較小,可起到較好的控制效果。

圖6 船舶六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

在設(shè)置系泊纜參數(shù)時(shí),依據(jù)尼龍纜繩材料屬性,纜繩長(zhǎng)度為5 m,直徑為50 mm,破斷載荷1 400 kN。表3為兩種系泊方式下各系纜繩最大拉力和平均拉力統(tǒng)計(jì)。由表3可知:各自系泊方式下船舶系纜繩最大受力均發(fā)生在船艏和船艉處。11系泊方式下最大拉力出現(xiàn)在Line 2纜繩,最大值為249.3 kN;12系泊方式下最大拉力出現(xiàn)在Line 2纜繩,最大值為244.7 kN。根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)“Mooring Equipment Guidelines(2008)”規(guī)定:“對(duì)于材料為尼龍的系泊纜繩,其所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力的45%”,即該系纜繩拉力不宜超過(guò)630 kN,11、12兩種系泊方式下系纜繩的拉力低于規(guī)范中破斷載荷要求,滿足規(guī)范要求。

表3 各系纜繩最大拉力和平均拉力

5 結(jié) 論

筆者以三峽庫(kù)區(qū)船舶為研究對(duì)象,基于頻域勢(shì)流理論,采用ANSYS-AQWA軟件,對(duì)船舶及其系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)船舶在不同浪向角和不同系泊方式下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下:

1)0°和180°方向的浪向角對(duì)縱蕩幅值響應(yīng)算子的影響最明顯,90°的浪向角對(duì)橫蕩、垂蕩和橫搖響應(yīng)較大,對(duì)縱蕩、縱搖和艏搖影響較小;

2)各個(gè)方向的浪向角對(duì)船舶橫搖幅值響應(yīng)算子的影響趨勢(shì)相似,呈現(xiàn)出先增大,后減小;

3)11系泊方式對(duì)船舶的橫蕩、垂蕩、艏搖三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)起到較好的控制效果;

4)在系泊纜拉力計(jì)算中,2-7-2系泊方式下Line 2的拉力大于其他位置的纜繩,最大拉力達(dá)到249 kN,平均拉力達(dá)到225 kN;4-4-4系泊方式下纜繩拉力最大出現(xiàn)在Line 2,最大值為245 kN,平均拉力達(dá)到215 kN,滿足規(guī)范的相應(yīng)要求。