船舶錨泊系統分析

柳 輝，崔 杰，鄧小康，陳 瑯

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003）

0 引言

21世紀以來，隨著經濟全球化進程的不斷推進，各國之間的貿易往來日趨頻繁，海運成為主要的運輸方式。但是，船舶在停泊或遭遇惡劣海況時不可避免地會受到風、浪、流載荷的共同作用，從而產生復雜的多自由度耦合運動。因此，為了保證船舶能夠安全運營，其錨泊系統至關重要。

JOHANSSON[1]于1976年在他的博士論文中建立了錨泊系統的有限元模型，并且對其動力響應進行了分析。他不僅考慮到錨泊系統與阻尼有關的速度、錨鏈張力的突變，還考慮到了錨泊系統偏離平衡位置的位移，且它的有限元模型為非線性模型。由此他對有限元模型的時域進行了研究，得出的數據可以用來分析錨鏈在某一瞬時的狀態下的具體情況。JOHANSSON在前人的基礎上，創造性地提出了一種新計算方法，用來求解耦合運動方程的數值積分。隨后，GOBAT等[2]提出了一種新的經驗模型，用于計算由于懸鏈線型錨鏈上端受到垂向運動引起的動張力。這種新的經驗模型可以很好地適用于海洋波頻作用力，而且還可以用來計算錨鏈張力的標準方差。將模型的計算結果和一系列海況下測量到的實際海洋錨鏈結果進行比較，兩者之間最大的誤差在 8%～11%之間，標準方差的誤差則在 2%～3%之間。研究結果表明：當水平運動產生顯著變化時，具有最大平均張力和動張力的地方最易產生最大誤差。SHASHINKALA等[3]在前人的研究基礎上，采用有限元方法研究了波浪對單點系泊駁船干擾的三維問題。他們通過對比有限元方法得出的數值和在不規則波及規則波狀況下得到的模型試驗數據，得出了不同系泊點駁船的響應與錨鏈剛度系數之間的關系。無論在規則波情況下，還是在不規則波情況下，分析結果和試驗數據都基本一致。BINGHAM[4]利用一種三維方法來求解船舶的運動響應；INOUE等[5-7]考慮了非線性的影響，并對系泊系統的水動力相互作用進行分析；OHKUSHU[8]利用二維理論探索了浮體間的相互影響；KORDAN[9]提出一種用來模擬斜浪作用下結構間耦合分析的理論；CHOI等[10]利用高階邊界元法分析2個結構之間的相互作用。范菊等人[11]采用二階頻域攝動理論來探討轉塔式錨泊儲油輪的動力響應，對轉塔式錨泊儲油輪在壓載狀態下的一階運動、二階運動的響應譜和錨泊線張力譜進行計算，通過將計算所得的數據與相應的模型試驗數據進行對比，發現理論結果與試驗數據基本一致，由此得出二階頻域攝動理論可運用于轉塔式系泊儲油輪動力響應分析的結論。FAN等[12]采用頻域方法研究了波頻運動引起低頻慢蕩阻尼力問題中錨鏈所引起的力。實質上，錨鏈所造成的阻尼與其運動間的初相位是密不可分的。因此可以通過頻域分析得出相位信息，再采用攝動理論推導得出二階的錨鏈張力響應函數，最后對比算例和相應的時域結果，事實證明，算例所得結果與時域方法所得的結果基本一致。

本論文根據實際工程的需要，使用ANSYS軟件對120.1 m沿海散貨船建立錨地系泊的有限元模型，在典型工況下對該船舶錨地系泊進行數值模擬，并對錨鏈張力進行校核、對運動響應進行分析。

1 數值模型

1.1 散貨船有限元模型

本文計算所需的120.1 m沿海散貨船的主要參數見表1。本文使用ANSYS軟件進行建模，由于主要計算在風、浪、流載荷共同作用下船舶錨泊系統的錨鏈張力及其對運動的響應，因此只需建立該船的外表面模型即可。由于船舶左右對稱，故只需建立一半的模型，再利用對稱的方法分析即可。圖1為該散貨船的網格劃分圖。

表1 120.1 m沿海散貨船主要參數

1.2 錨泊系統有限元模型建立

根據船舶的主尺度和相關規定，最終選用鏈徑為56 mm的錨鏈，表2為該錨鏈的主要參數。

表2 錨鏈主要參數

在建立錨泊系統有限元模型之前，還需要做的工作就是估算導纜孔的位置和海底系泊點的位置。根據船舶的型線圖和所選錨鏈長度，可以很容易地估算出導纜孔與海底系泊點的位置。估算完成后，就需要編寫DAT文件以設置導纜孔和海底系泊點的位置。完成導纜孔位置和海底系泊點位置的設定后，還需將導纜孔和海底系泊點用錨鏈連接起來。最后，只需將改好后的DAT文件導入AQWA軟件中計算即可。至此，整個有限元模型建立完畢，如圖2所示。

圖1 120.1 m沿海散貨船網格劃分圖

圖2 船舶有限元模型

2 錨泊系統計算分析

2.1 環境載荷

為了弄清船舶錨泊系統隨風、浪、流載荷的運動情況，遂選取了以下3種工況，分別為：一年一遇（工況1）、五年一遇（工況2）和十年一遇（工況3）。該3種工況對應的參數見表3。本論文中將水深設為 100 m，波浪方向、風向和流向均設為-180°。

表3 3種工況的參數表

2.2 船舶錨泊系統運動響應分析

在風、浪、流載荷共同作用于船舶的基礎上，對錨泊系統進行模擬分析，便可得到船舶在六個自由度方向上重心隨時間的變化曲線。本文通過計算，分別得出了在工況1、工況2、工況3下錨泊系統運動響應的時間歷程曲線。由于篇幅有限，現給出工況3下錨泊系統運動響應的時間歷程曲線圖，如圖3～圖8所示。

3個工況下船舶在六個自由度上的中心變化曲線的走勢基本一致，只是數值大小不同，因此，選擇工況3為代表進行詳細解釋。

工況3下船舶縱蕩時歷曲線在極短的時間內急劇下降，最后在20 m附近上下震蕩；船舶橫蕩時歷曲線則隨著時間的推移先增大后減小，最終達到穩定狀態；船舶垂蕩時歷曲線在開始后的極短時間內劇烈震蕩，振幅較大，隨后振幅減小，但始終保持平衡；船舶橫搖時歷曲線與船舶垂蕩時歷曲線有所相似，也是在開始后的極短時間內劇烈震蕩，振幅較大，而后振幅明顯減小，基本為 0；船舶縱搖時歷曲線則一直保持劇烈震動的趨勢；船舶艏搖時歷曲線最為平緩，隨著時間的推移逐漸下降，直至趨于穩定。在工況3下，船舶重心在六個自由度上均有劇烈變化，但仍符合安全要求。

圖3 工況3下船舶縱蕩時歷曲線

圖4 工況3下船舶橫蕩時歷曲線

圖5 工況3下船舶垂蕩時歷曲線

圖6 工況3下船舶橫搖時歷曲線

圖7 工況3下船舶縱搖時歷曲線

圖8 工況3下船舶艏搖時歷曲線

2.3 船舶錨泊系統錨鏈張力校核

錨鏈張力校核是船舶錨泊系統設計中最為關鍵的工作，錨鏈張力的大小、所受張力是否超出錨鏈破斷載荷以及錨鏈所能承受的最惡劣海況等都是與船舶和船員安全息息相關的重大問題，也是本論文最為重要的一節。圖9～圖11分別給出了在工況1、工況2、工況3下錨鏈張力的時間歷程曲線。

圖9 工況1下船舶錨鏈張力時歷曲線

圖10 工況2下船舶錨鏈張力時歷曲線

圖11 工況3下船舶錨鏈張力時歷曲線

從圖9～圖11可看出：在不同工況下，船舶錨鏈張力隨時間的走勢是基本相同的，都是在剛開始加載的時間里，船舶錨鏈突然受到一個較大的張力，隨著時間的推移，錨鏈所受張力會慢慢減小，最終達到動態平衡。所選錨鏈的鏈徑為56 mm，破斷載荷為2 430 kN。

從圖9可看出：錨鏈所受最大張力只有1 068 kN，破斷載荷與錨鏈最大張力之比為2.275，證明了此錨鏈完全可以滿足船舶在一年一遇海況中的使用要求。

從圖10可看出：錨鏈所受最大張力為1 645 kN，破斷載荷與錨鏈最大張力之比為1.477，同時也可證明此錨鏈滿足船舶在五年一遇海況中的使用要求。

從圖11可看出：錨鏈所受最大張力為1 957 kN，破斷載荷與錨鏈最大張力之比為1.242，雖然錨鏈所受最大張力仍小于錨鏈的破斷載荷，但是富余較少，容易出現意外。由于所選船舶為沿海散貨船，實際遇到的海況相對于校核的海況來說等級較低，所以也能夠滿足使用要求。

為了校核錨鏈張力，本章利用 AQWA有限元軟件對船舶所在工況進行設定，所選工況分別為一年一遇、五年一遇和十年一遇，最終得到了在六個自由度上船舶重心和錨鏈所受張力隨時間的變化情況。在六個自由度上，船舶重心的偏移程度都在允許范圍之內，同時錨鏈所受張力也小于錨鏈的破斷負荷且有富余。加之本船為沿海散貨船，沿海實際海況對比深海海況較為緩和，因此，所選錨鏈滿足安全和生產的要求。

3 結論

本論文以 120.1 m沿海散貨船為原型，在ANSYS-AQWA中建立了船舶及其錨泊系統的有限元模型，并對有限元模型進行了錨泊系統運動響應分析和錨鏈張力校核。通過對該船舶的3個典型工況的分析和校核，結合數值模擬得出結論。

從船舶錨泊系統的錨鏈張力校核部分可以看出，無論在哪種工況下，錨鏈所受張力的變化趨勢基本一致，在極短時間內，錨鏈所受張力以一較大值開始急速上升，達到最大值后又開始下降，直至趨于動態平衡。錨鏈在這3種工況下所受張力的最大值均低于錨鏈的破斷載荷且有富余，均能滿足相應的安全度要求。本文數值模擬的結果可以為同等類型的船舶錨泊系統提供借鑒與參考。