大型船舶退拋法拋錨作業運動仿真研究?

于匯源 蔡 烽

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

1 引言

錨泊方式中最常使用的方式，主要有退拋法和進拋法兩種。多數大型船舶都采用退拋法，因為進拋法船舶余速稍高即可能出現錨鏈在錨機鏈輪上的跳動現象，或存在損壞錨機剎車拉斷錨鏈的危險。但是，無論是退拋法還是進拋法，均需要嚴格控制拋錨時船舶余速。文獻［1～5］均指出大型船舶錨泊時拋錨余速（對地速度）控制在0.5kn是安全可控的，但是都沒有給出具體的理論分析。任宇曉等［6］采用耦合的歐拉-拉格朗日方法（CEL）建立了拖錨過程的計算分析模型，得到了錨姿態隨拖錨距離的變化關系；閆澎旺等［7］在砂土中進行了拖錨實驗，研究了錨的姿態、運動軌跡和錨抓力的變化規律，確定了霍爾錨在砂土中的抓力系數。但都僅僅是研究了錨的抓底姿態，并沒有將船舶拋錨的余速結合起來。本論文嘗試將大型船舶的拋錨余速與錨鏈力之間建立過程，得到關于水深、船舶余速、錨與錨鏈對船舶的牽制力以及船舶對錨鏈的拉力之間的關系。

2 懸鏈線理論

懸鏈線是指一種具有均質、完全柔性而無延伸的鏈或索自由懸掛于兩點時所形成的曲線。盡管由于錨鏈本身的拉伸和受到海流力的作用，與理論上的懸鏈線并不完全吻合，但是實際工程中仍常用懸鏈線來描述錨鏈的特性，忽略其動力效應（海流和波浪）以及彈性形變等影響，只考慮錨鏈的靜態效應。

錨鏈孔至海底高度H，大型船舶所受水平外力為F，每節錨鏈在水中重量為W，錨鏈懸垂線長度為L，錨鏈在錨鏈孔處的張力為Ts，坐標原點O取在錨鏈與海底相切處，各參數之間存在如下的關系［8］：

從式（3）可以得出錨鏈孔處錨鏈張力等于船舶所受水平外力F加上錨鏈孔高度這一段錨鏈重量WH。

3 拋錨作業時受力分析

拋錨作業時受力分析研究的是錨即將被拽出底土錨鏈處于短鏈時的臨界狀態，而此時整個系統所受的力可以劃分為錨與錨鏈對大型船舶產生的牽制力和大型船舶對錨與錨鏈的拉力。

3.1 錨與錨鏈的牽制力

錨與錨鏈的牽制力由兩部分組成，一是錨抓力，二是錨鏈產生的牽制力。

錨抓力FM可由錨抓力公式得到：

錨鏈對大型船舶的牽制力由懸鏈線式（2）求出：

式（6）可以得出錨與錨鏈對大型船舶的牽制力是錨和錨鏈各自作用力之和。

3.2 船舶對錨的拉力

由式（3）可知上式表示錨鏈孔處錨鏈張力等于船舶水平外力T下加上錨鏈孔高度這一段錨鏈的重量WH。

文獻［9］通過船模實驗確定了倒車橫向力，大型船舶的水平外力T即為倒車橫向力和受到的阻力R應該是相互平衡的：

式中：V為船舶余速；C為船舶總阻力系數；ρ為水密度；S為船體濕表面積。其中船舶總阻力系數C與多種因素有關，主要包括船體線型、排水量、污底程度及海況等。C可以用下式求出：

式中：Cf為摩擦阻力系數，可根據Guldhammer和Harvald圖譜估算［11］；Cr為剩余阻力系數，可根據ITTC-1957年船模——實船相關曲線計算；ΔCAR為粗糙度補貼系數，可通過文獻［12］查表獲得。

由上述分析可得大型船舶對錨鏈的拉力為

4 仿真實驗

4.1 仿真條件

當大型船舶后退速度過大時，大型船舶對錨的拉力大于錨與錨鏈整體的拖拽力，錨就會被拽出海底，造成整個拋錨作業失敗。本文以某大型船舶為研究對象，錨重6t，錨型為霍爾錨，其錨抓力系數如表1。

表1 霍爾錨錨抓力系數

錨抓力系數本文取2倍水深和2.5倍水深的中間值1.38。單位長度（節）錨鏈重量120kg，根據拋出錨鏈長度的不同，對50m～70m水深內不同長度的拋出錨鏈可承受的最大余速進行計算仿真。大型船舶拋錨作業的過程中，余速應控制在2kn以下，因此在研究余速與大型船舶對錨鏈之間的關系時，橫坐標余速最大為2kn。以下是分別拋出3、4、5、6節錨鏈，對上述問題的仿真結果。

4.2 仿真結果

圖1中由下至上的曲線分別表示拋3節、4節、5節以及6節錨鏈時，隨著水深的變化，錨與錨鏈的牽制力大小。

圖2為某大型船舶余速在0～2節時變化時，船舶對錨鏈的拉力與余速之間的關系。

4.3 仿真結果分析

通過圖1與圖2，可以得到在一定水深下，拋出的錨鏈長度不同，允許此大型船舶最大的余速如表2所示。

表2 一定水深和拋出錨鏈長度下的最大余速

通過以上結果分析可知：

1）在相同的水深下，拋出的錨鏈越長，錨與錨鏈產生的牽制力越大，能夠承受大型船舶的拉力也越大，允許大型船舶拋錨時的余速也就越大。

2）在拋出相同錨鏈長度時，拋錨水深越深，所允許大型船舶拋錨時的余速也就越小。

3）隨著水深的增加，錨與錨鏈對于大型船舶的牽制力逐漸減小。因此，在拋錨作業時，必須要考慮錨泊水域的水深問題，避免因為錨與錨鏈對于大型船舶的牽制力不足，導致大型船舶發生走錨等危險事故。

4）大型船舶的余速越大，使得大型船舶對錨鏈產生的拉力也就越大。所以，在整個拋錨作業時，必須要嚴格控制大型船舶的余速。通常情況下，大型船舶拋錨作業的余速要小于2節，減少錨鏈或者錨被拉斷事故發生的幾率。

5）運用本文的方法，只要提供出大型船舶型線圖、錨型、錨重以及錨抓力系數，就能建立大型船舶的拋錨作業模型，實現了對大型船舶拋錨所允許的最大余速、錨與錨鏈對大型船舶的牽制力和大型船舶對錨鏈拉力的計算，減少了緊迫局面發生的概率。

5 結語

本文基于懸鏈線理論、對船舶以及錨鏈的受力分析，得到了關于水深、余速、錨與錨鏈對船舶的牽制力以及船舶對錨鏈拉力之間關系，有效計算了船舶拋錨余速。本文的研究，對于保障大型船舶的拋錨安全具有重要的現實意義以及參考價值。