旁靠補給系泊系統研究

紀仁超，晉文超，岳智君，李 威

(1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2. 海軍裝備研究院，北京 100036；3. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

旁靠補給系泊系統研究

紀仁超1，晉文超2，岳智君3，李 威1

(1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2. 海軍裝備研究院，北京 100036；3. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

本文建立一種旁靠補給系泊系統，目標船舶和補給船通過纜繩連接，兩船之間設置有浮箱防止碰撞，浮箱兩面均設置有護舷起緩沖作用。本文重點研究旁靠系泊系統的動力特性，并在頻域和時域進行研究，頻域研究中得到船舶的幅值響應算子RAO；時域研究得到兩船相對位移響應和纜繩的張力最大值，通過設置不同的系泊系統組成參數等，研究各個參數對系泊系統運動穩定性的影響。本文可為未來的旁靠補給方式研究提供一定的參考，有較高的工程實用價值。

RAO；運動響應；旁靠補給系泊；時域及頻域；固有特性

0 引 言

隨著海洋資源開發和國防事業的發展，各類海上結構物的需求越來越大，發展越來越迅速，已經成為世界各國發展的新熱點。因此，對于海洋結構物的運動特性進行研究就顯得十分必要。

理論研究方面，來自MIT的Johansson[1]建立了一種非線性的有限元模型，在僅有錨鏈的一端被迫運動情況下，對模型錨鏈的動力響應進行數值分析，并在Newmark工作的基礎之上，提出一種新方法用于耦合運動方程的數值積分。史琪琪等[2]運用波浪交互理論，在不同間距下，對一個箱型多浮體系統的水動力問題進行求解。范菊等[3]應用頻域方法，在由波頻運動引起低頻率慢蕩阻力的條件下，探究了錨泊線所引起的相關的力。劉應中等[4]針對風浪流聯合作用下的海上系泊系統，應用準定常的時域方法，分析其運動及動力特征，應用準靜態方法得到每一時間步的系泊力。

數值仿真方面，冷述棟等[5]探究了浮筒單點系泊系統的形態，結果表明錨鏈的結構和布置方式有一定影響。李威等[6]針對單點系泊的FPSO船體模型，對系泊系統響應進行數值仿真分析，得出性能更為優良的系泊系統參數。童波等[7]對懸鏈式深水平臺進行研究，考慮纜繩長度、布置角度等因素對系泊系統的影響。劉建成等[8]利用設計譜理論和經驗公式等得到了各種外界載荷，設計了一種簡易單點系泊系統，并論證了系統在理論上的可行性和經濟性。劉元丹等[9]研究了旁靠系統的水動力響應，計算兩旁靠船舶所受到的波浪載荷，與不考慮耦合作用的計算結果進行對比，并分析了不同旁靠間距對水動力性能的影響。付強等[10]針對LNG運輸船旁靠FLNG進行卸載作業時的情況進行研究，考慮連接纜和防碰墊受力情況及斜浪對系統的影響。徐喬威等[11]研究了FPSO旁靠系泊系統的屏蔽效應，在頻域下研究了阻尼和船體響應RAO的特性，以及兩船間距因素的影響。

前述的各項理論研究及仿真研究中，主要對簡易的系泊系統進行相應的研究，對實際應用的旁靠系泊系統研究較少，且缺乏完整性和系統性。旁靠補給方式是一種相對較新穎的補給方式。尤其對于軍船，常規的補給方式只能進行小型物資的補給，大型物資的補給必須返回港口碼頭進行，旁靠補給對于軍船的大型物資補給方面有很大的優勢。

本文建立了相對完整的旁靠補給系泊系統，包含作業船舶、浮箱、各類纜索和護舷等部件，考慮結構間相互耦合作用，可以施加任意大小和方向的風浪流載荷。針對旁靠補給系泊系統，在頻域和時域的特性進行較深入的研究，在頻域重點關注結構的水動力特性，在時域重點關注目標船與補給船間的相對位移響應及纜索張力最大值，以驗證系統的穩定性和可靠性。

1 系泊系統設置

1.1 不同系泊方式的比較

本文建立了旁靠補給系泊系統，目標船通過1根纜繩系泊到海底，補給船與目標船平行排列，兩船通過纜繩連接；兩船間設置2個浮箱防止兩船相撞，且浮箱兩面均布置有護舷緩沖碰撞力。船體具體參數設置見表1。

整體系泊系統示意圖見圖1，兩船之間共設置8條纜繩，自船首至船尾依次編號為1～8號，目標船與海底之間纜繩編號為9號。

1.2 環境條件

在計算程序中，設定X軸正方向為0°，沿X軸逆時針方向旋轉為正。水深為100 m，風速為10.7 m/s，方向為190°；流速為1.8 m/s，方向為170°；波高為2.5 m，波周期為10 s，波浪方向為180°。

表 1 船體參數Tab. 1 Parameters of ships

圖 1 系泊系統模型Fig. 1 Model of mooring system

2 計算分析

本節分別在頻域和時域內，對系泊系統的動力響應進行分析計算，以得到系統的運動特性，并得到更加優化的系泊系統參數設置。由于本系統屬于單點系泊系統，最終系統都會處于迎浪狀態，此時的浪向為180°。

2.1 頻域分析

在對系統的動力特性進行頻域分析時，需要引入RAO（幅值響應算子）的概念。RAO相當于將波浪載荷轉換為結構物運動響應的傳遞函數，它描述了結構物在6個自由度下的運動特性。在180°浪向下，目標船和補給船的六自由度RAO曲線如圖2和圖3所示。

由圖可知，對于目標船，縱蕩、垂蕩和縱搖的量級遠大于其他3個自由度，說明180°的波浪主要影響船體的縱蕩、垂蕩和縱搖運動；縱蕩和垂蕩RAO隨著頻率的增大逐漸減小，而其他4個自由度RAO都有峰值出現，峰值出現的范圍在0.4～0.6 rad/s，之后RAO值會隨著頻率的增大逐漸減小。

芥川龍之介“蘇州游記”的文人話語與文化心理 …………………………………………………… 劉克華（6.100）

對于補給船，縱蕩、垂蕩和縱搖的量級遠大于其他3個自由度，說明180°的波浪主要影響船體的縱蕩、垂蕩和縱搖運動；縱蕩和垂蕩RAO隨著頻率的增大逐漸減小，而其他4個自由度RAO在0.4 rad/s之后都有峰值出現。

由此可知，應盡量避免頻率范圍在0.4～0.6 rad/s的波浪。

圖 2 目標船RAO曲線Fig. 2 Rao curves in of target ship

圖 3 補給船六自度RAO曲線Fig. 3 Rao curves in of supply ship

為了研究不同角度的波浪對與船體的運動響應的影響，選取120°、135°和150°的波浪進行研究，考察其對橫蕩運動的影響，如圖4和圖5所示。

由圖可知，對于目標船和補給船，不同角度的波浪對與船體的運動響應有不同的影響，在本例中，對于橫蕩運動，頻率小于0.6 rad/s時，120°波浪對運動響應的影響要大于135°和150°波浪。擴展到所有的浪向，以及其對全部6個不同自由度的研究，就可以得出系統結構的運動響應特性。

2.2 時域分析

在旁靠補給系泊系統中，在目標船上設置有起重機，貨物由起重機從補給船運送到目標船上，由于兩船在外界載荷的作用下具有相對運動，對貨物的安全起吊產生嚴重影響。為了消除這種影響，起重機上安裝波浪補償裝置，可以對兩船之間的相對線性運動進行補償，包括相對位移補償和相對速度補償。

圖 4 目標船不同角度下橫蕩RAO比較曲線Fig. 4 Rao curves in different angles of target ship

圖 5 補給船不同角度下橫蕩RAO比較曲線Fig. 5 Rao curves in different angles of supply ship

本文的旁靠補給系統中，貨物的起吊點B位于補給船甲板的中部，起重機的工作點A位于起吊點的正上方，工作示意圖如圖6所示。

圖 6 旁靠補給系泊系統工作示意圖Fig. 6 Diagram of supply mooring system

在時域計算中，可以得到系統中結構的運動響應和纜繩的張力最大值，為了更真實地模擬現實中作業情況，本文中的位移響應和張力最大值均取自系統運動穩定的階段。對于旁靠補給方式，最重要的是保證其實施的可靠性，即要使兩船之間的相對位移和相對速度盡可能小，才可以保障補給的安全進行。其次，為使系泊系統性能達到最優，纜繩的張力最大值應盡量小且分布均勻。

不同類型和材質的纜繩具有不同的剛度（EA），選取不同的兩船間纜繩剛度（Line1～8），時域仿真的結果如表2和表3所示（表格中，Lx為縱向相對位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對速度，Vy為橫向相對速度，Vz為垂向相對速度）。

表 2 不同剛度下相對位移Tab. 2 Relative displacement in different stiffness

表 3 不同剛度下纜繩張力最大值Tab. 3 Max tension of cables in different stiffness

由表4可知，纜繩剛度為4×106時，兩船相對位移明顯大于其他2種剛度的情況，3種剛度下兩船相對速度相差不大；由表5可知，纜繩剛度為1.6×107時，纜繩的張力最大值較大幅度的高于剛度為8×106時；綜合位移和張力最大值數據，兩船間纜繩剛度為8×106時為最優情況。

表 4 不同剛度下相對位移Tab. 4 Relative displacement in different stiffness

表 5 不同剛度下纜繩張力最大值Tab. 5 Max tension of cables in different stiffness

2.2.2 海底錨鏈剛度設置

不同類型錨鏈具有不同的剛度（EA），選取不同的海底錨鏈剛度（Line9），時域仿真的結果如表6和表7所示（表格中，Lx為縱向相對位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對速度，Vy為橫向相對速度，Vz為垂向相對速度）。

表 6 不同位置下相對位移Tab. 6 Relative displacement in different stiffness

表 7 不同位置下纜繩張力最大值Tab. 7 Max tension of cables in different stiffness

由表6可知，海底纜繩剛度為8×108時，大部分相對位移明顯小于其他2種剛度的情況；由表7可知，纜繩剛度越小，纜繩的張力最大值越小；綜合位移和張力最大值情況，海底纜繩剛度為8×108時為最優情況。

2.2.3 海底系泊點位置設置

對于系泊系統來說，海底系泊點位置的選擇是一個重要的因素，不同系泊點位置決定了海底錨鏈（Line9）的長度，不同的錨鏈長度決定了不同的系統平衡位置。本文中選擇了4種不同的系泊點位置，研究其影響。字母L代表海底錨鏈（Line9）兩端之間的水平距離，具體結果如表8和表9所示（表中Lx為縱向相對位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對速度，Vy為橫向相對速度，Vz為垂向相對速度）。

表 8 不同纜繩長度下相對位移Tab. 8 Relative displacement in different stiffness

表 9 不同纜繩長度下纜繩張力最大值Tab. 9 Max tension of cables in different stiffness

由表8可知，當L等于500 m時，兩船相對位移值均小于其他3種情況，對于兩船的相對速度，4種情況的差別很小；由表9可知，4種情況下兩船間纜繩張力最大值差別較小，而對于海底錨鏈，L越大時，錨鏈的張力最大值越小，但是L為500 m和800 m時，張力最大值的差別不大；因此綜合位移和張力最大值情況，當L為500 m時為最優情況。

2.2.4 兩船間纜繩長度設置

分析上述算例（方案1）中兩船纜繩的張力最大值分布，可以發現纜繩中的張力分布較不均勻，Line1，Line2，Line5和Line6承受了大部分的張力，為了探究使兩船間纜繩中張力分布更加均勻的方法，改變纜繩的長度來進行調節。具體的方式是適當的增加Line1、Line2、Line5和Line6這4根纜繩的長度，適當的減小其他4根纜繩的長度，纜繩長度的改變量均小于纜繩原長的5%。通過不斷地改變各條纜繩的長度，并根據纜繩張力最大值的分布情況反復的進行調整，得出1套比較理想的纜繩長度數據（方案2），具體的計算結果如表10和表11所示（表格中，Lx為縱向相對位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對速度，Vy為橫向相對速度，Vz為垂向相對速度）。

由表中數據可知，通過不斷地調節纜繩長度，可以使兩船間纜繩張力最大值分布變得更加均勻；對于兩船的相對位移和相對速度，方案1和方案2相差極小，說明纜繩長度的調整可以使纜繩張力最大值分布更加合理，但對相對位移和相對速度的影響較小。

2.2.5 兩船間纜繩布置

為了探究兩船間纜繩的布置方式對系泊系統性能的影響，且考慮到原先的布置方案中張力最大值的分布不均勻的特征（方案1），改變Line3，Line4，Line7和Line8的布置位置，即把這4根纜繩在目標船上的系泊點位置向船首方向移動一段距離（方案2），使纜繩的方向更加平行于浪向（180°）。而目前可用的波浪補償起重機，相對位移補償能力大致為1.2 m，相對速度補償能力大致為1 m/s。具體的計算結果如表10和表11所示（表中Lx為縱向相對位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對速度，Vy為橫向相對速度，Vz為垂向相對速度）。

表 10 不同纜繩布置方式下相對位移Tab. 10 Relative displacement in different stiffness

表 11 不同纜繩布置方式下纜繩張力最大值Tab. 11 Max tension of cables in different stiffness

由上面表格數據可知，改變纜繩的布置方式后，張力最大值在纜繩中的分布變得更加均勻，說明當纜繩的方向越接近浪向，承受的張力最大值會越大；方案2與方案1相比兩船的相對位移和相對速度略微變大，但差別較小，在垂向位移和垂向速度上還略有減小，且2種方案都在補償能力范圍之內。因此，在實際操作中，要綜合考慮纜繩的布置方式對張力和相對位移響應的影響，選取最合適的布置方式。

3 結 語

根據上面的分析結果，可以得到如下結論：

1）對于目標船和補給船，180°的波浪主要影響船體的縱蕩、垂蕩和縱搖運動，對其他3個自由度的運動影響較小；

2）縱蕩和垂蕩RAO隨著頻率的增大而減小，而橫蕩、橫搖、縱搖和首搖RAO都有峰值出現，對其中受影響最大的縱搖運動，峰值出現在0.4～0.6 rad/s，因此系泊系統應該盡量避免這個頻率范圍的外界載荷，包括環境載荷和船用機械產生的載荷等；

3）兩船間纜繩剛度、海底錨鏈剛度和海底系泊點位置都對系泊系統性能有較大的影響，在旁靠補給的目的下，兩船間的相對位移和相對速度是主要的考察指標，兼顧纜繩的張力最大值分布，通過比較分析，可以得出最優的參數值；

4）調節兩船間的纜繩長度，可以使兩船間纜繩張力最大值分布變得更加均勻，但對兩船的相對位移和相對速度無明顯改善；改變纜繩的布置方式，使小張力的纜繩方向越接近浪向，承受的張力最大值會越大，因此可以使張力最大值在纜繩中的分布變得更加均勻，同時兩船的相對位移和相對速度會略有增加，因此在工程實踐中，需要根據補償能力進行適當的取舍。

本文對旁靠補給方式進行了較深入的研究，通過對系泊系統的各種參數進行對比分析，可以得出一個較為優良的旁靠系泊方案，保障旁靠補給的安全進行。本文研究可以為工程實踐提供一定的指導意義，在實踐中根據具體情況選擇恰當的參數確定系泊方案，可以最大程度地提高系統的作業性能。

[1]PER I. JOHANSSON. A finite element model for dynamic analysis of mooring cables[R]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 1976.

[2]史琪琪, 柏木正, 楊建民. 三維多浮體水動力學問題中波浪交互理論的參數應用特性探究分析[J]. 科技通報, 2012, 07:1-7, 13.SHI Qi-qi, BO Mu-zheng, YANG Jian-min. Research on application characteristics of parameters in wave-interaction theory when solving hydrodynamic problems of 3-D multiple floating bodies[J]. Bullftin of Science and Techology, 2012,07: 1-7, 13.

[3]范菊, 黃祥鹿. 錨泊線的動力分析[J]. 中國造船, 1999, 01:13-20.FAN Ju, HUANG Xiang-lu. The analysis of mooring line dynamics[J]. Shipbuilding of China. 1999, 01: 13-20.

[4]劉應中, 繆國平, 李誼樂, 等. 系泊系統動力分析的時域方法[J]. 上海交通大學學報, 1997, 11: 9-14.LIU Ying-zhong, MIU Guo-ping, LI Yi-le, et al. A time domain computation method for dynamic behavior of mooring system[J]. Joural of Shanghai Jiaotong University, 1997, 11:9-14.

[5]冷述棟. CALM系泊系統動力響應分析[D]. 大連: 大連理工大學, 2013.

[6]李威, 紀仁超. FPSO單點系泊系統性能仿真分析[J]. 計算力學學報(增刊), 2015, 32: 128-133.LI Wei, JI Ren-chao. Simulation analysis of FPSO single point mooring system[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics (Supplement). 2015, 32: 128-133.

[7]童波, 楊建民, 李欣. 深水半潛平臺懸鏈線式系泊系統耦合動力分析[J]. 中國海洋平臺, 2008, 06: 1-7.TONG Bo, YANG Jian-min, LI Xin. Deepwater semisubmersible platform catenary mooring system coupling dynamic analysis[J]. China Ocean Platform, 2008, 06: 1-7.

[8]劉建成, 李潤培, 顧永寧, 等. 一種簡易單點系泊系統的可行性研究[J]. 上海交通大學學報, 2000, 01: 132-136.LIU Jian-cheng, LI Run-pei, GU Yong-ning, et al. Feasibility study on simply equipped single point mooring system[J].Joural of Shanghai Jiaotong University, 2000, 01: 132-136

[9]劉元丹, 熊治國, 劉敬喜, 等. 基于AQWA的旁靠油輪水動力相互作用研究[J]. 艦船科學技技術, 2012, 34(05): 13-15,17, 22.LIU Yuan-dan, XIONG Zhi-guo, LIU Jing-xi, et al. Analysis of hydrodynamic interaction between side by side mooring tankers[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(05): 13-15,17, 22.

[10]付強, 王宏偉, 解德. 旁靠系泊油船水動力相互作用分析[J].船海工程, 2012, 04: 16-20.FU Qiang, WANG Hong-wei, XIE De. Analysis of hydrodynamic interaction between side-by-side mooring tankers[J]. Ship amp; Ocean Engineering, 2012, 04: 16-20.

[11]徐喬威, 胡志強, 謝彬. LNG運輸船旁靠FLNG卸載作業時的水動力性能試驗[J]. 中國海上油氣, 2015, 02: 112-119,126.XU Qiaowei, HU Zhi-qiang, XIE Bin. Hydrodynamic of an FLANG system in side-by-side offloading operation with a LNG carrier[J]. China Offshore Oil and Gas, 2015, 02:112-119, 126.

Study of side-by-side supply mooring system

JI Ren-chao1, JIN Wen-chao2, YUE Zhi-jun3, LI Wei1
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100036, China;3. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

This paper sets up a side-by-side supply mooring system, in which the target ship and the supply ship are connected by some cables, and to prevent the collision, there are two floating boxes between the two ships, and there are fenders on both sides of floating boxes to buffer the collisions. And the aim of this study is to analyze the dynamic characteristics of the side-by-side supply mooring system, which is studied in both frequency domain and frequency domain. In the frequency domain, the response amplitude operator (RAO) are calculated, and in the time domain, the relative motion of the two ships and the max tension of cables can be obtained. Through the calculation with different parameters, the influence of different parameters can be studied. And the result may provide some helpful experience for the study of side-by-side supply mooring system in the future, and owns a high value for the practical engineering.

RAO；motion response；side-by-side supply mooring system；frequency and time domain；natural characteristic

U667

A

1672-7649(2017)11-0146-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.028

2016-11-15；

2017-02-06

紀仁超(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為系泊計算。