大型無動力船舶碼頭系泊防臺計算模型優化

甘浪雄， 佘運友， 劉成勇， 鄭元洲， 張 磊， 王曉晨

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.武漢海事職業學院，武漢 430063)

大型無動力船舶碼頭系泊防臺計算模型優化

甘浪雄1， 佘運友2， 劉成勇1， 鄭元洲1， 張 磊1， 王曉晨1

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.武漢海事職業學院，武漢 430063)

當大型無動力船舶主機推進設備缺失或發生故障時，碼頭系泊防臺安全問題尤為突出;同時,國內外船舶系泊防臺數值計算模型均只給出風、流作用下的系纜力計算公式，計算不夠準確。對此，首先運用大型船舶操縱模擬器對船舶碼頭系泊防臺進行建模仿真，證明船舶纜繩系泊防臺方案的可行性和局限性；然后針對纜繩系泊方案提出大型無動力船舶碼頭組合系泊優化防臺方案，并以30萬噸級超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)為研究對象，運用MATLAB工具比較其在采用優化方案前后的受力變化規律；最后結合組合系泊優化防臺方案成功應用于友聯船廠的實際經驗，證明該方案的全面性和實踐性。

水路運輸;無動力船舶；系泊防臺；系纜力；模型優化

Abstract: The safety of the moored unpowered vessels, which are not equipped with a propulsion system or in the condition of propulsion failure, against typhoon is of concern to the operators. The available three mooring force models based on wind and current forces do not give accurate results. The mooring cable arrangement be examined and optimized in advance is proposed by means of the full mission Large-ship handling simulator. The case of a 300 000 t VLCC is demonstrated with the comparison between the mooring forces before and after optimization. The mooring arrangements optimized with the method introduced have been successfully used in Yiu Lian dockyards during typhoon seasons.

Keywords: waterway transportation; unpowered vessel; mooring arrangement against typhoon; mooring force; optimized model

我國是西北太平洋沿岸遭受風暴災害最頻繁、最嚴重的國家，臺風致災區域幾乎涵蓋整個中國沿海。在臺風季節，大型無動力船舶的防臺問題不容忽視，因為其通常處于空載狀態，受風面積較大，防臺時僅靠錨的抓力存在極大的走錨失控風險。該問題在沿海一些造船業相對發達的港口尤為突出。[1-4]

在大型無動力船舶碼頭系泊防臺數值計算模型研究方面，目前用到的計算模型是《港口工程荷載規范》(JTS 144-1—2010)、《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition)》及《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》。但是，這3種模型都存在船體橫向上的受風面積計算不夠準確、沒有給出船舶所受波浪力的具體計算公式及模型主要適用于通過纜繩系泊抗臺的情況的缺點；同時，該方法單一，安全性較差，防臺能力一般。

這里在以上模型的基礎上對船舶受風面積進行更加準確的計算，詳細分析波浪力的作用，并充分考慮模型中錨鏈和拖船對無動力船舶系泊防臺的輔助作用，針對傳統的纜繩系泊方案提出大型無動力船舶碼頭組合系泊優化防臺方案。圖1為纜繩系泊方案與組合優化方案對比圖。

圖1 纜繩系泊方案與組合優化方案對比圖

1 大型無動力船舶纜繩系泊方案及模型分析

為研究纜繩系泊防臺技術方案的可行性，對數值計算結果進行對比分析，運用全任務大型船舶操縱模擬器對通航環境和30萬噸級超大型油船(Very Large Crude Carrier, VLCC)進行碼頭纜繩系泊防臺方案數值建模。所研究船型的主尺度見表1。

表1 研究船型主尺度

分別采用24根伸長率為22%、破斷力為900 kN的尼龍纜和24根伸長率為2%、破斷力2 000 kN的鋼絲纜進行模擬試驗(分別稱為試驗一和試驗二)，均為空載防臺，風力11級，浪高2 m，流速1.5 m/s。各試驗所得空載防臺模擬軌跡見圖2，系纜力監測見表2和表3，纜繩系泊模型與模擬試驗結果對比見表4，模擬試驗與數值計算對比見圖3。

a)試驗一所得模擬軌跡b)試驗二所得防臺模擬軌跡

圖2 各試驗所得空載防臺模擬軌跡

在采用破斷力較小的尼龍纜進行系泊防臺時，由表2可知,由于纜繩破斷力有限，最后發生斷纜事故。

通過數據對比分析可知，在采用尼龍纜進行系泊防臺模擬試驗時，纜繩瞬間受力均小于纜繩系泊模型計算結果2 100 kN；而在采用鋼絲纜繩時，除船舶艏橫纜和艉橫纜瞬間受力>2 100 kN之外，其他均<2 100 kN。具體分析和結論如下。

表2 試驗一防臺系纜力監測表

表3 試驗二防臺系纜力監測表

表4 纜繩系泊模型與模擬試驗結果對比 kN

圖3 模擬試驗與數值計算對比

1) 考慮到船舶在系泊防臺過程中艏橫纜和艉橫纜的受力一般都是最大的，且模擬試驗主要是采集纜繩的瞬間受力，防臺過程中纜繩瞬間受力均存在急劇增大現象，認為纜繩系泊防臺模型數值計算結果是合理可靠、有較強借鑒意義的。

2) 在采用鋼絲纜系泊防臺時，風和流由小值漸變至最大值，系纜狀態正常；若直接受11級風的作用，鋼絲纜的伸長率僅2%，瞬間受力過大將導致纜繩裂斷。雖然有采用纜繩系泊方案成功抗臺的經驗，但是當風力在11級及以上時，該方案是無法完成的。因此，實踐經驗和模擬試驗結果都證明纜繩方案在防11級及以上臺風時不可行，有一定局限性。

2 大型無動力船舶組合系泊防臺優化方案及模型分析

從上述3種模型的計算方法及其特點上看，《港口工程荷載規范》主要適用于散貨船和集裝箱船的系泊力計算，《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition )》主要適用于油船的系泊力計算，而《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》主要適用于艦船的系泊力計算。3種方法各不相同、各有特點，但均存在以下問題。[5-7]

1) 船舶在實際系泊防臺時是靠泊在碼頭上的，考慮最不利情況風向(即吹開風)時船體橫向上的受風面積受到碼頭的部分遮蔽而發生變化，在模型中沒有給出相應的公式說明。

2) 模型中僅給出風和流作用下的系纜力計算公式，并沒有給出船舶受到波浪力時的計算公式。

3) 在大型無動力船舶碼頭系泊防臺時，3種模型防臺方法單一，防御臺風能力一般。

為更加準確地研究大型無動力船舶碼頭系泊防臺時船舶的受力情況，除根據波浪作用下的船舶系纜力相關資料詳細分析波浪的作用力之外，還在模型中考慮碼頭的遮蔽影響及錨鏈和拖船的輔助防臺作用，具體優化分析如下。

2.1船舶受風面積

針對系泊時船舶橫向上的受風面積受到碼頭部分遮蔽的問題，作以下優化。

船舶在碼頭系泊防臺時，其空載水線至碼頭上緣的距離為h，船體橫向上的受風面積受到碼頭的部分遮蔽。這里結合實際情況指出船舶水面以上受風面積宜根據設計船型和船舶裝載情況確定。圖4為無動力船舶系泊時橫向受風面積圖，碼頭遮蔽面積As的計算式為

(1)

式(1)中：L為船長；Cb為船舶方形系數。

圖4 無動力船舶系泊時橫向受風面積圖

無動力船舶在吃水為d(空載或壓載狀態下)時的橫向受風面積計算式為

(2)

式(2)中：Ayw為船舶滿載時船體水面以上橫向受風面積，m2；Cb為船舶方形系數；L為船長；h為水線至碼頭上緣的距離；df為滿載吃水；d為空載吃水。

2.2波浪荷載作用

船舶在碼頭系泊防臺時，計算波浪對系泊船舶的作用是一個非常復雜的問題。一般情況下，計算波浪對纜繩張力的作用只從靜力的角度出發，僅考慮定常漂移力作用。這里主要結合相關資料[8]，將波浪入射角、波高、波向、波周期及船舶噸位、穩性等影響因素考慮在內，使波浪荷載作用更加全面、準確地體現出來，具體計算式如下。[8-10]

1) 縱向波浪荷載Fxd的計算式為

(3)

2) 橫向波浪荷載Fyd的計算式為

(4)

式(3)和式(4)中：x，y為綜合系數，建議為0.05；H為入射波高；LZ為船舶柱間長；θ為波浪入射角；B為船舶型寬；D為船舶吃水；ρ為海水密度；g為重力加速度；ax,ay分別為反映船舶縱搖、橫搖與船舶周期關系的參數，其中參數ax的計算式為

(5)

式(5)中：T為波浪周期；Tx為船舶縱搖周期；μx為船舶縱搖無因次系數；μx=0.3W/Wf，W為船舶排水量，Wf為船舶滿載排水量。

2.3拖船頂推作用

實際調研過程中發現，當臺風較大時，在已有纜繩系泊情況下在船舶下風舷處橫向加入拖船頂推，船舶受到的橫向作用力會有所減緩，同時可在一定程度上改善船舶的橫傾狀況，船舶受到的作用力更加準確，更符合實際情況。拖船頂推力計算式為

Fyt=λmFn

(6)

式(6)中：Fn為單艘拖船可提供的有效頂推力；m為拖船數量；λ為推力折減系數，λ∈[0，1]。

2.4船舶錨鏈抓力作用

實際碼頭系泊防臺過程中發現，可在加強艏艉方向系纜的同時，采取在艏艉方向拋錨的方式緩解艏艉受到的風浪流作用力。

錨泊力是錨泊船因正常錨泊而取得的系留力，在數值上等于錨的抓力與鏈的附加抓力之和。

Fa=Ha+Hc

(7)

式(7)中：Fa為錨的總抓力；Ha為錨抓力；Hc為錨鏈附加抓力。

錨鏈與艏艉線的夾角為γ，則船舶受到的縱向和橫向錨鏈拉力分別為

Fxa=(Ha+Hc)cosγ

(8)

Fya=(Ha+Hc)sinγ

(9)

3 30萬噸級VLCC模型優化前后數值計算對比

以30萬噸級VLCC為研究對象，運用MATLAB的圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)可視化功能分別顯示船舶橫向和縱向受到的風浪流合力的變化情況及在風速和波浪入射角變化的情況下隨系纜墩數量的變化情況，顯示系纜力標準值的變化曲線圖和優化模型防臺情況下的三維視圖。通過模型對比和變化規律分析，在優化前后的模型中對船舶受力和系纜力標準值進行對比分析。

3.1參數設計

通過對我國東、南沿海主要船舶修造企業進行實地調研，并參考修船基地的實際自然條件，得到以下參數條件。

1) 風況方面，均選取風速在20～40 m/s變化。

2) 水流方面，不考慮橫向碼頭外側水流對船舶的作用力，水流速度均取1 m/s，水流流向與船舶縱向夾角均為15°。

3) 波浪方面，水流荷載按水流與船舶縱軸流向角15°取值計算，波高取2 m。

3.2實例計算

按照上述計算的條件，在優化模型前后分別對30萬噸級VLCC進行實例計算。

3.2.1原始模型(纜繩系泊)

(1) 縱向計算式為

(10)

(2) 橫向計算式為

(11)

3.2.2優化模型(纜繩-錨鏈-拖船輔助系泊)

(1) 縱向計算式為

(12)

(2) 橫向計算式為

(13)

3.3采用優化模型前后縱橫向受力對比分析

1) 采取優化模型前后30萬噸級VLCC受到的縱向分力對比見圖5，其中：Fx1表示《港口工程荷載規范》(JTS 144-1—2010)；Fx2表示《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition )》；Fx3表示《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》;下同。VLCC優化模型縱向分力三維視圖見圖6。

a)原始模型b)優化模型

圖5 采取優化模型前后VLCC受到的縱向分力對比

綜合圖5和圖6可知，在采取優化模型時，由于同一風況條件下船舶受到縱向上的錨鏈作用力，因此優化模型所得船舶縱向分力明顯減小，且隨波浪入射角的增大逐漸減小。

圖6 VLCC優化模型縱向分力三維視圖

2) 采取優化模型前后30萬噸級VLCC受到的橫向分力對比見圖7，VLCC受到的橫向分為優化模型三維視圖見圖8。

a)原始模型b)優化模型

圖7 VLCC受到的橫向分力變化對比圖

圖8 VLCC受到的橫向分力優化模型三維視圖

綜合圖7和圖8可知，在采取優化模型時，由于同一風況條件下船舶下風舷處受到橫向拖船頂推作用力，因此優化模型所得船舶橫向分力明顯減小，且隨波浪入射角的增大逐漸增大。

3.4采用優化模型前后系纜力分析

VLCC原始模型系纜力標準值見圖9，標準值優化模型見圖10，優化模型三維圖見圖11和圖12。

由圖9～圖12可知，當系纜墩數量由n=6變化為n=8時，原始模型和優化模型的系纜力標準值均隨風速的增大而增大，且總體上隨系纜墩的增多而減小；原始模型只考慮纜繩系泊的作用，而優化模型結合實際情況在纜繩的基礎上加入了浪荷載、錨鏈及拖船的輔助作用，且對系泊防臺考慮更加準確、全面；在相同條件下計算30萬噸級VLCC系纜力標準值時，相對于原始模型，優化模型計算結果明顯減小，更符合實際情況，防臺等級也在增大。

a)n=6b)n=8

圖9 VLCC原始模型系纜力標準值

圖10 VLCC系纜力標準值優化模型

圖11 VLCC系纜力優化模型三維圖(n=6)

圖12 VLCC系纜力優化模型三維圖(n=8)

3.5友聯船廠實際操作

結合數值計算結果和船廠實際經驗總結，深圳友聯船廠采用船舶碼頭組合系泊防臺優化方案后將防臺等級提升到了11級(陣風12級)。根據該研究成果，深圳友聯船廠成功抵御了“莫拉菲”和“巨爵”等臺風。圖13為“博客希望”輪采用的優化方案防臺示意圖。

圖13 “博客希望”輪采用優化方案防臺示意圖

4 結束語

以《港口工程荷載規范》《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition )》和《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》等3種計算模型為基礎，通過模擬試驗并結合深圳友聯船廠的實際防臺經驗，闡述纜繩系泊防臺方案的可行性和局限性，進而提出纜繩-錨鏈-拖船頂推組合系泊防臺優化方案。通過與纜繩系泊方案模型進行對比分析并結合實際防臺效果，驗證了優化模型的優越性，可供大型

無動力船舶系泊防臺參考。

[1] 劉成勇,郭國平,甘浪雄. 大型無動力船舶碼頭系泊防臺風安全研究[J]. 船海工程, 2009, 38(2): 156-160.

[2] 魏昌理,隋月,徐華. 30萬噸級油輪(VLCC)有效系泊研究[J]. 中國港灣建設, 2012(6): 26-30.

[3] 陳中一, 陳基成,趙穎. 在潮汐流作用下25萬噸級油輪系纜力的模型試驗研究[J]. 海洋工程, 1998, 16(3): 45-53.

[4] 楊興晏. 船舶風荷載算法的比較研究[J]. 港工技術,2006 (2): 12-13.

[5] 中華人民共和國交通運輸部.JTS144-1—2010，港口工程荷載規范[S].

[6] OCIMF Mooring Equipment Guidelines[S].

[7] UFC 4-159-03，Unified Facilities Criteria Design: Moorings[S].

[8] 孟祥瑋,高學平,張文忠. 波浪作用下船舶系纜力的計算方法[J]. 天津大學學報, 2011, 44(7): 593-596.

[9] 李越.長周期波浪對船舶系泊穩定影響的研究[D]. 大連：大連理工大學,2013.

[10] 武瑞花.船舶橫搖運動時間序列的分析、建模與預報研究[D]. 大連：大連海事大學, 2008.

MooringArrangementOptimizationforLargeUnpoweredVesselsAgainstTyphoon

GANLangxiong1,SHEYunyou2,LIUChengyong1,ZHENGYuanzhou1,ZHANGLei1,WANGXiaochen1

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China；2. Wuhan Maritime Vocational College, Wuhan 430063, China)

2016-01-18

甘浪雄(1967—)，男，湖北崇陽人，教授，碩士生導師，主要從事水上交通環境與安全保障研究。E-mail:glx701227@163.com 佘運友(1987—)，男，湖北黃岡人，碩士，主要從事水上交通環境與安全保障研究。E-mail:sheyunyou@163.com

1000-4653(2016)01-0079-06

U653.2;U664.4

A