船舶系泊問題的試驗研究技術

高 峰，孟祥瑋，鄭寶友，李 焱

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

隨著我國經濟的快速發展，綜合國力得到很大增強，而經濟發展對能源和原材料的需求越來越大，水上運輸由于運量大、成本低的特點日益得到重視，對運載工具也提出了較高的要求。世界船型的趨向是“一大（噸位大）、二高（高技術含量、高附加值）、三新（新技術、新工藝、新船型）”［1］，為滿足我國能源、原材料、國際間貿易對船舶運輸的需求，也順應了上述潮流。在此背景下，船舶大型化對港口布局和水深要求就越來越高，因此港口往往有向外海發展的趨勢，并較多地采取開敞式布置形式，碼頭也向大型化、深水化發展。此時由于停泊水域的風、浪、流等自然環境條件呈現大小、方向隨機性較強的復雜現象，在外界環境動力的綜合荷載作用下，系泊船舶的運動響應及受力情況也更為復雜［2］。碼頭前系泊的船舶與纜繩、護舷共同組成的系泊系統中，系泊的船只沒有完全被固定，它可以隨著潮汐、貨物的裝載、卸載等做升沉運動，同時由于風、水流、波浪等外在動力環境因素作用而產生震蕩，其中包括6個自由度的運動量（即縱移、橫移、升沉、橫搖、縱搖、回轉）。圖1為一個典型的系泊系統，由船艏纜繩（Head Lines）、船艉纜繩（Stern Lines）、橫纜及倒纜（Breast&Spring Lines）以及護舷（Fender）等組成，該示例中有12條系泊纜繩和4個護舷，如果求解的話包括16個未知量，即纜繩的內力和護舷反作用力，加之隨波流運動的隨機性，因而找出這個系統未知量的規律是較為復雜的，其中舷纜提供大部分的橫向、縱向抑制以抵抗離岸力和均衡力，艏纜和艉纜則提供抵抗縱向和橫向抑制力的一部分。當系泊船舶運動幅度過大就會影響碼頭正常作業，纜繩布局不合理會造成纜繩受力不均甚至斷裂破壞，致使發生安全事故。所以如何減小系泊狀態下的船舶運動量和系統荷載，優化系泊布置顯得尤為重要，這就需要在設計階段進行科研評估，其手段主要為物理模型試驗、數值模擬以及經驗公式的計算等，大連理工大學、中交天津港灣工程研究院有限公司和上海交通大學均進行過大量的船舶系泊荷載的試驗研究，取得了許多有價值的研究成果，交通運輸部天津水科院和水利部南京水科院等近年來也針對大型船舶開展了相關物理模型試驗研究與數據分析，從測試技術和研究方法上取得一些突破，并積累了寶貴的經驗。本文即對目前港工領域的船舶系靠泊試驗的相關技術問題作一探討，以期拋磚引玉，為相關研究提供信息參考和使用借鑒。

圖1 典型的系泊模式示意圖Fig.1 Typical ship mooring model

1 試驗內容及發展現狀

1.1 主要研究內容與要求

系泊船舶中對碼頭設施的碰撞將影響結構強度和碼頭穩定性，對于正在裝卸的船舶，超過允許范圍的船體運動會使裝卸作業難以進行，且延長船舶在港內停泊時間，使相應的費用增加。有時過大的船體運動足以造成斷纜而導致更大的損失。目前在設計規范中，港口的泊穩條件還僅通過限定港內容許波高來保證，事實上，系泊船舶的運動不僅依賴于波高的大小，而且也依賴于波浪頻率、傳播方向和系泊船舶頻率響應特性。因此，對系泊船舶泊穩條件的判斷，通過系泊船舶的運動量、系纜力/撞擊力來衡量更為直觀。其中，護舷撞擊力可根據設計選型護舷的允許吸收能量的荷載范圍來估算分析（一般包括設計反力和最大反力），這在制造商提供的性能參數表中都有明確設計指標可供參考；對于船舶6個自由度的運動量，英國、日本等國的港工規范中均有相關條文規定，國際航運協會（PIANC）在1995年基于不同船型系泊作業安全的要求總結出允許范圍的參考值，如表1所示［3］，為行業內所認可；對于船舶系纜力，實際上受制于絞纜機剎車力與纜繩性能，埃克森（Exxon）石油公司系泊能力標準（BHC）確定絞纜機剎車力小于纜繩破斷負荷的60%［4］，石油公司國際海運論壇組織（OCIMF）指導文件規定，即任一纜繩上的荷載不得超過其最大破斷載荷（MBL）的55%［5］。

綜上所述，船舶系泊試驗研究和相關計算分析也將主要圍繞上述問題進行，研究內容包括以下幾方面：

（1）船舶六自由度運動量：不同工況組合下（風、浪、流及水位和配載條件），船舶的縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩、升沉及回旋6個運動量，并根據結果優化系泊條件；

（2）纜繩拉力及布置：不同工況組合情況下，各系船纜繩的受力，確定合理的布纜形式，遵循各纜繩荷載分配均勻的原則，優化纜繩系泊方案；

（3）撞擊力與撞擊能：不同工況組合情況下，船舶對碼頭護舷的撞擊力、能量及其分布，確定護舷選型的合理性；

（4）靠泊試驗：不同靠泊角度和速度組合下，船舶在靠泊過程中對碼頭結構的撞擊力，確定護舷選型以及優化靠泊方式。

表1 PIANC建議最大允許船舶運動量（1995）Tab.1 Suggested maximum allowable vessel motions PIANC（1995）

1.2 技術現狀

對于船舶的系泊條件問題，目前情況下主要采用物理模型和數值計算2種試驗手段對實際情況進行模擬，得到所需參數，為實際工程提供允許系泊及裝卸作業的條件，國內各研究單位主要以物理模型試驗為主，中交集團旗下的五大水運工程設計院也相繼采購系泊分析軟件（Optimoor）作為前期評估，而在國外則常用數模進行分析。目前，對于系泊條件的分析研究可供參考的主要規范和標準是：《開敞式碼頭設計與施工技術規程》、《液化天然氣碼頭設計規程》、《海港總平面設計規范》和《波浪模型試驗規程》以及英國標準BS6349《護舷和系泊裝置設計》（海工建筑物第四分冊）和石油公司國際海事論壇（OCIMF）《系泊設備指南》等。

模型試驗是檢驗解析理論和數值方法正確性的主要依據，按照一定比例關系將船舶、纜繩、護舷、碼頭、水下地形以及風浪流動力條件集中于一個試驗環境中，可以直觀地模擬不同工況組合下的系泊條件，但是在物理模型試驗中有一些因素是不可模擬和不可控制的，而且具有不確定因素多、費用高、周期長等缺點，只宜在設計最后階段使用。克服這一不足的主要途徑是采用數值模擬手段，這類方法在國外較為普及，但在國內還應用有限，由于數值模擬需要時間短、經濟效益好，可以隨時增加分析功能，并且通用性好。對于此方面的數值模擬國外起步較早，取得了一些成果，且已開發出有實用意義的應用軟件，如美國TTI公司的Optimoor、荷蘭Alkyon公司的Ship-mooring、法國BV船級社的Ariane和美國ANSYS公司的AQWA等，這些軟件都已進入商業化運營階段，為實際工程提供技術服務，并在不斷完善中。不論采用哪種研究手段，系泊系統分析的模擬研究對于碼頭設計方案中系泊纜繩的選取、系泊設備的選型、碼頭軸線的走向乃至結構形式等的設計以及系泊方式的確定都有著重要的指導意義，也是工程界目前主要采用的技術手段。

2 物理模型試驗技術

2.1 理論及規范

2.1.1 相似性

對于船舶系泊試驗，除了滿足一般物理試驗中規定的幾何相似、重力相似和阻力相似等條件外，還應滿足船舶運動相似和動力相似，包括纜繩的伸長-彈力相似和護舷的受力-變形曲線相似等要求。船舶的運動相似是指基于幾何相似條件下處于定常流動中的船模，其與實船對應點速度值成同一比例。而動力相似是指受力比值相同，而這其中并非所有相似都有意義，如摩擦力在船模搖蕩運動的某些問題中只起到次要作用，因此對該相似不作要求，對于船模搖蕩運動最有意義的是重力和慣性力之間的部分相似條件，即弗汝德數相等。由于船舶搖蕩是非定常運動，所以滿足非定常流動的相似條件（斯特洛哈爾數相等）。

船模的質量分布相似是系泊條件研究試驗中船舶模擬最關鍵的一環，其要求滿足不同載重時的船模重量分布、重心及浮心坐標和吃水等相似要求，并且船舶自身固有橫搖和縱搖周期也必須相似條件，為此船模必須經過靜力校準和動力校準［6］，以分別確定船模重量、重心位置和縱橫軸質量慣性矩，這也是船模模擬的關鍵和難點，目前主要依賴于綜合校準平臺和一些經驗的傳統方式。實船的質量慣性矩數據是已知的，可以通過比較來進一步提高相似程度，倘若缺乏該資料，也可通過近似公式計算其質量慣性矩，其公式可以在船舶耐波性相關書籍中查到，此處不再詳述。進行船模動力校準應特別仔細，任何不精確之處都可能是以后船模試驗中系統誤差的根源。而且若干搖蕩參數是作為大數量之差而確定的，因此動力校準時產生的較小誤差都可能在確定這些搖蕩參數時引起更大的誤差［7］。

2.1.2 其他說明

船舶型線圖、總布置圖、主尺寸參數等是船模模擬的基礎，另外還需要船舶空載、滿載排水量和相應吃水深度以及穩性、操縱性資料等。船模尺度的大小，應根據試驗要求、模型整體尺度、池壁效應、生波機造波范圍和水池條件等多方面條件決定，過大的船模會出現嚴重的池壁干擾現象和堵塞現象，而過小的船模會帶來嚴重的尺度效應［8］。必須說明，試驗船模只有與水接觸的部分（包括各種附體），才要求與實船的相應部分幾何相似，而隨著對風浪流共同作用的日益關注，考慮船舶上層建筑受風力的影響也必須滿足風荷載的作用面積相似。

在研究實船運動頻率響應函數的大量統計結果表明，一般船模的縱橫搖和升沉幅值在波長λ與船模長Lm之比為1.50～1.75時達到最大值。對于關注船模六自由度運動量的試驗，則必須在試驗前進行船模靜水自由搖蕩試驗來確定船模的搖蕩固有周期，來進一步檢驗試驗船模與實船相似性，一般貨船橫搖固有周期為7～12 s，垂蕩和縱搖為4～6 s，隨著船舶的大型化，其固有周期也逐漸增大，如26.6萬m3LNG船的滿載橫搖周期為15.6 s、縱搖周期約11.3 s，而40萬t礦石船的滿載橫搖周期可以達到19 s，縱搖接近13.5 s。另外，試驗中還必須考慮系泊船舶的纜繩初始張力，其數值與不同船型和停泊條件密切相關，并直接影響系泊條件的試驗結果，特別是系纜力與運動量。

2.1.3 模型制作

（1）船模：按重力相似設計，根據給定線型尺寸由木質或玻璃鋼制作而成，船模的排水量、重心位置及縱橫向慣性半徑等，在試驗室的校驗架上依靠調節模型內的配載重量及位置達到所規定的數值。

（2）纜繩：確保原型、模型船舶上的系纜點和碼頭上的系纜點間距離的相似，并使單位長度原型、模型纜繩的重量滿足相似要求，同時原型、模型纜繩的受力-伸長曲線滿足彈性相似要求。

（3）護舷：按照幾何相似在碼頭平臺下方沿長度進行安裝，使防碰墊在系泊船模沿碼頭長度范圍內都能起到護舷作用。

（4）碼頭：相對護舷的變形系數而言，碼頭的變形要小很多，可按照剛性處理，并遵循原型結構型式復演對波浪傳播和水流流動所產生的影響。

2.1.4 動力環境的模擬

（1）風速的模擬是靠調節造風系統，如鼓風機的轉速來實現的，并以風速儀測量模擬區的平均風速，同時采集風壓力予以校核。

（2）流速的模擬是靠調節造流系統水泵的轉速來實現的，并以流速儀測量平均流速。

（3）波浪的模擬是靠調節造波機推板的運動振幅及周期來實現的，并以浪高儀測量波高及周期并進行實時記錄。

（4）風浪流方向的模擬，是靠變動模型在水池中的布置或者移動局部造流、造風系統的位置來實現的，波浪的方向改變現在已經非常方便，如可移動式不規則造波機的普及和L型多方向造波系統的應用。

（5）風浪流共同作用的模擬，目前各試驗室大多采取獨立率定再疊加的方式進行，而各動力因素間的相互影響也在摸索中，這也是今后需要解決的問題。

2.2 儀器設備的依賴

系泊條件物理模型試驗需要的儀器設備較多，安裝與調試過程也較復雜，涉及風、浪、流及船模本身運動等多個要素的采集與控制。首先是能夠同時模擬風、浪、流的試驗水池，而船模靠泊時的撞擊力和系纜力通過動態電阻應變儀采集。過去測量運動量中，角位移一般用陀螺儀或電位計來測量，線位移用加速度計測量，目前比較先進的是采用非接觸式船模運動量測試系統來測量船模6個自由度的運動，自2003年以來，交通運輸部天津水科院和大連理工大學試驗室相繼采用的非接觸式船模運動測試系統既可以對船模航跡線、漂角、舵角等參數實現自動采集，還可以對靠泊船模，甚至對航行中的船模進行6個自由度運動量的測量，該試驗技術的進步對今后船模試驗的完善和發展提供了保證，目前應用廣泛。南科院近年來利用實時空間虛擬現實（VR）運動跟蹤定位系統技術開發的FL-NH船模運動采集系統，可進一步實現測試系統小型化、輕型化的要求，使用更為靈活。儀器設備的升級和不斷完善，為船模試驗創造了更好的條件，也為數據分析提供了更可靠的保證。

3 數值模擬

由于物理模型試驗造價高，通用性差，而利用計算機程序對系泊系統進行數值模擬的應用軟件彌補了這一不足。目前國際上已開發成熟的系泊系統分析計算軟件通常都采用友好的用戶界面形式，使軟件的使用更簡單、更準確，因此是未來解決船舶碼頭安全和作業效率問題的發展趨勢。

目前已有的船舶及海洋工程分析計算軟件不少，如Termsim、Ship-mooring，DREDSIM、LIFSIM、Optimoor等。其中，主要用于計算系泊船舶運動和內部應力的軟件主要有TERMSIM（MARINE），Ship-mooring（Alyon），Optimoor（Tension Technology international：TTI）［9］。此外還有一些軟件對于船舶運行過程以及靠泊運動中對船舶進行分析的軟件，即通航條件分析軟件，如SHIP-NAVIGATOR等，這些應用軟件的開發為碼頭運營以及船舶作業提供了便利條件。

在這些數值模擬軟件中，根據模型外荷載分析可分為靜力模型分析軟件和動力模型分析軟件。由TTI公司開發的OPTIMOOR是較早為國內采用的船舶系泊分析軟件，其應用的就是靜力模型。該靜力模型在計算外荷載時，將外荷載按照靜力考慮，計算風和水流荷載時，采用OCIMF推薦的公式及風和水流系數。對于波浪則是通過用戶給定的波高計算出波浪作用在船上的靜力，然后把波浪力疊加到風荷載中。軟件推出至今，在工程應用領域，已經被證明對于船舶及港口操作人員、設計工程師來說是基本分析工具。其軟件中包含纜繩種類有鋼絲、芳香尼龍纖維、HMPE、尼龍編成和搓、聚酯和聚丙烯。計算結果顯示船運動量及系泊力，停泊纜索荷載顯示為公噸（或千磅）以及破斷力（RBS）的百分率，其中纜繩加載大于任何特殊破斷力比率則用紅色突出。同時，計算分析結果也可以平面布置圖的形式顯示，并且標注數字結果以便于直觀的輸出。

對于掩護較好的碼頭，作業環境良好，船舶產生的運動量很小，此時采用靜力模型計算的結果能夠滿足使用者的要求。但對于深海碼頭，由于海洋環境惡劣，波浪等因素的動力作用不能被忽略，靜力模型分析計算的結果與實際情況相差很大，因此還是應該選用以動力模型為基礎的軟件進行分析計算。Alkyon公司開發的SHIP-MOORING即是典型的動力模型分析軟件，主要考慮的外界作用包括波浪、流、風、潮汐等。正是由于系泊船舶纜繩和護舷受力都是非線性的，風、水流、波浪的作用力也需要考慮其非線性，所以數值模擬需要采用時域方法，因此軟件按照Cummins提出的方法在時域內求解船舶運動方程，而水動力荷載在頻域內求解，然后采用Oortmerssen［10］提出的方法將頻域內的水動力荷載轉換到時域內。SHIP-MOORING可計算多種外界作用，包括波浪激振力、水動力、水靜力、風荷載、水流力、纜繩力等等。波浪激振力可以計算不同形式的波，包括一階不規則波、二階長波、微幅波漂移力等。按照護舷三維的實際作用點進行計算，而不是象通常的做法那樣把防護舷當作一維作用力處理；受力計算會隨船舶位置變化而變化；同時軟件可以計算船上任意一點的位移、速度、加速度；可以計算特殊的外界荷載如冰荷載、過往船舶等的作用。其中，波浪分為規則波和不規則波；流又分為潮流和非潮流；風場可分為穩定場和不規則場；潮汐可分為潮流和潮汐。因此，基于動力響應理論的系泊系統分析軟件的計算就比較復雜且有一定難度，但這也是動力模型軟件的優勢和特點。SHIP-MOORING結果的輸出提供專門后處理軟件PostMoorings（圖2），可分別輸出數據表、變化曲線和圖形化的動畫格式船舶運動過程等。

圖2 SHIP-MOORING專用的后處理軟件界面PostMooringsFig.2 Post treatment tool of PostMoorings in SHIP-MOORING

值得一提的是，根據現有國內使用情況表明，Optimoor軟件對泊位長度的變化很敏感，但對波周期的變化不敏感，這與物模的規律正相反。交通運輸部天津水科院通過SHIP-MOORING對波周期、碼頭長度進行了嘗試性的探索研究［11］，當波周期自4～30 s時，船舶運動量和系纜力均在與船舶自搖周期附近1倍左右時發生第一次峰值，而在接近2倍自搖周期（25～30 s）的時候，再次達到峰值，此時的峰值顯著大于第一次峰值，纜力全部大幅度超標，表現為系纜力、運動量與波周期關系曲線呈現雙峰趨勢。對于碼頭長度對纜力、運動量的影響敏感度不如波周期那么明顯，表現為短碼頭的運動量略有減小。

另外，目前還有一些系泊系統的分析計算軟件也得到了廣泛應用，例如TermSimⅡ、TermSim也是基于動力分析的軟件，采用動力分析在時域內求解的模型，可計算單點系泊系統、多點浮體系統、岸壁碼頭等多種系泊系統。法國Bureau Veritas船級社的Ariane軟件，也是一款高效的靜態及動態時域系泊分析軟件，該軟件通過了MDN的批準，并經過了SHELL和ELF系泊標準的認證。已開發近30 a的AQWA軟件，其中Modelling Software Package已為美國國防部2005年規范UFC（美國海陸空三軍基礎設施統一標準）所薦用采用。

與國外研究相比，我國數值模擬方面起步較晚，始于20世紀90年代后期，鄒志利等的系泊船運動方程和相關的國際通用公式研究了風、浪、流作用下系泊船的系纜力，討論了不同水位和不同風浪流夾角對系纜力的影響；于洋等從靜力學二維角度在不考慮纜繩拉伸變形時對纜繩張力進行了分析；向溢等采用了蒙特卡洛算法、混沌解法對碼頭系泊船舶纜繩張力進行了數值模擬，并與試驗結果進行了對比，得到較好的一致性；信書等對煙大輪渡系泊船舶在波浪作用下的動力響應進行了研究；周豐等則考慮纜繩、護舷非線性關系對系泊船舶運動量和系纜力進行了計算研究。

4 存在問題和發展趨勢

雖然針對船舶的安全系泊問題，已有不少試驗成果可供參考借鑒，但目前的研究水平仍有較大的發展空間，且最為關鍵的是對于系泊穩定判斷，也無國際統一的技術標準，不同國家和行業協會等依據的參考標準也不同，我國的港口標準中未明確指出船舶系泊安全的建議值，如運動量值和纜繩破斷指標（MBL百分比）等。目前已開展的西部交通科技項目《離岸深水碼頭泊穩條件》專題研究中提出了以船舶運動量表示的作業標準，這次探索性研究為制定我國未來的船舶安全停泊條件的規范規程奠定了基礎，也從一方面為船舶泊穩條件的判斷提供了參考依據。因此，進一步完善系泊條件標準，制定我國的行業統一規范是接下來系泊問題研究的發展方向和要求。

到目前為止，國內外港口工程設計規范對港內泊穩標準仍主要沿用2種表達形式：一種是按船舶類型和噸位，以碼頭前允許波高作為標準；另一種是按船舶類型，以船舶運動量作為標準。但由于波浪引起的船舶運動與波向、波周期、波高及船舶頻率響應特性等因素密切相關，運動量與波浪條件的相互作用的關系較為復雜，當前研究這一問題的主要方法還是模型試驗，通過船舶系泊條件的模擬可以直觀有效地判斷港口布局的合理性、不同條件下的碼頭安全停泊條件，甚至評估極限停泊條件，是輔助設計的重要參考依據，也日益受到重視和普及。但是受限于該類型試驗的投入大、研究周期長、技術設備要求高以及分析研究的復雜性，投資方愿意在設計階段考慮進行這方面科研試驗的要求還相對有限。另一方面，也正是由于船舶物理模型試驗費用高、周期長，只宜在設計的最后階段使用。克服這些不足的途徑是在設計初期利用計算機數值模擬技術，為港口設計方案的選擇提供必要的比較數據，數值模擬基礎理論的完善和計算程序的普及，是未來發展的方向，也是船模物理模型試驗的有效補充，具有獨特的應用優勢。

從研究分析所關注的問題出發，針對開敞式碼頭應對長周期波浪作用時，極易出現斷纜情況，故研究波浪周期對開敞式碼頭系泊安全是十分必要的，特別是近年來除國內面向深水的大型、開敞式泊位遇到類似問題外，我國涉足海外港口項目也普遍面臨長周期涌浪控制下的建港問題，系泊條件也成為關注的重要問題之一。

最后，開展原型觀測和系統歸類研究是試驗室船模試驗模擬方法和理論依據進一步完善的必經之路，如結合已安裝纜繩荷載監測系統的碼頭，進行實際系泊和作業條件下的纜繩及運動量測試，以了解不同工況下實船的泊穩情況，為試驗研究中一些模擬問題的合理概化提供參考借鑒。而隨著國內外超大型、專業型、特殊船舶的相繼出現，也對現有經驗和相關規定提出了新的挑戰，進行現場觀測和原型數據采集不但可以獲得寶貴的現場資料，也為系泊試驗研究提供了更準確、更科學的參考依據。

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