多工況聯合作用下大型集裝箱船碼頭系泊試驗研究

袁培銀，劉添宇，趙 宇

(重慶交通大學，重慶 400074)

0 引 言

隨著船舶噸位的大型化，船舶航速的不斷提高，水位的大落差變化，特別是臺風災害的多發區域，環境載荷的多變性和突發性，造成的海損事故越來越嚴重，選擇合理的布纜方式，研究船舶在碼頭系泊狀態下的運動響應幅值，預報各系泊纜的頂端張力，防止船舶與碼頭的過度撞擊，直接關系到碼頭結構和裝卸貨物的安全性。

針對碼頭系泊系統的設計及優化布局，停靠船舶外載荷的計算及碼頭護舷的動力特性分析，國內外學者做過相關研究。Commins[1]于1962年采用時延函數進行計算的方法，成功計算出碼頭系泊船舶的運動；Natarajan和Ganapathy[2]通過編寫SHIPMOOR程序計算碼頭系泊的相關結果，并開展模型試驗進行對比驗證，結果顯示SHIPMOOR程序數值模擬結果能夠接近碼頭運動的實際值。Hu Yi等[3]應用AQWA軟件，模擬系泊狀態LNG船的運動特性；嵇春艷[4]以碼頭系泊為研究對象，利用水動力分析軟件AQWA，分析不同浪向角作用下，系泊船舶的幅值響應算子和一階波浪力，采用不同方式優化船舶系泊系統；王建華[5]基于CFD求解器，對一座分布式系泊系統的浮式碼頭在入射波浪作用下的運動響應進行分析，給出碼頭運動和系泊系統受力的時歷曲線，并將結果與靜力分析進行對比，驗證動力分析方法的可靠性；趙洪波[6]根據現場實測水文、地形等資料，采用船舶系泊物理模型對船舶漂移過程進行模擬試驗，研究結果表明通過延長導流堤能夠改善水流和受力條件，降低船舶漂移風險；吳哲豐[7]總結幾內亞GAC碼頭項目中多點系泊系統結構的設計經驗，研究多點系泊結構荷載及工況，并結合軟件對理論計算結果進行數值分析驗證。夏運強[8]采用波浪物理模型試驗方法，研究系泊方式、系泊線材質、緩沖吸能重錘等因素對系泊力和浮箱運動的影響，總結出穩度較高的浮箱系泊系統；周斌[9]針對中小型LNG運輸船裝卸貨物作業時與裝卸碼頭的船岸兼容系泊問題，使用軟件對船靠泊LNG接收站碼頭為例，確定船舶系泊方案，分析系泊纜受力情況。陳里[10]分析滑坡涌浪作用下系泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，以及波高、水深等因素影響下系泊船舶系纜力和撞擊能的變化規律，確定滑坡涌浪對內河船舶系泊安全的影響程度。李金來[11]研究張力腿平臺碼頭舾裝階段系泊系統設計的關鍵技術，系泊方案的設計要點，系泊環境載荷的計算方法，系泊力的時域計算和系泊應急預案準備等內容，提出一套切實可行的系泊方案；楊建民[12]針對碼頭處海洋環境條件，進行碼頭不同裝載狀況的模型試驗，獲得碼頭的六自由度運動及系泊載荷的動力特性。

1 相似準則

試驗過程中應保持模型和實船的形狀完全相似，模型的制作嚴格按照縮尺比進行，縮尺比即實船和模型各項相應線性尺度之比，其值為常數。

式中：L，B，d分別為長度，寬度及吃水，下標m及s分別表示模型和實體；λ為縮尺比。模型在海洋工程水池中試驗時，其水深h，波高H和波長λ也必須滿足幾何相似條件，即

船舶或海洋結構物在波浪中運動時，通常忽略或放棄黏性的影響，保持實體與模型的Froude數和Strouhal數相等，即滿足兩者的重力相似和慣性相似，

式中：V，L，T 分別為速度，特征線尺度及主要周期。

2 試驗模型制作

國際海洋工程試驗一般選擇最佳模型縮尺比是60～80，根據諸多試驗采用縮尺比進行綜合分析，設定試驗模型縮尺比為70。

2.1 甲板駁船模型

甲板駁船模型嚴格按照主尺度和模型轉換關系進行制造，用鐵皮制作船身，具體甲板駁船模型參數見表1。

表1 船舶試驗模型尺度Tab. 1 Basic parameters of ship model

2.2 系泊纜模型

系泊纜的制作需要滿足外形相似，幾何相似，彈性系數相似。為了滿足重量相似，可以用稱重的辦法計算缺少重量，用相應保險絲及小鐵塊均勻纏繞。彈性系數相似是模型制作中最復雜的，試驗過程中采用連接合適彈性系數和長度的彈簧，滿足其彈性特性。

3 系泊方案設計

本文所設計的外界試驗工況為最危險的狀態，波浪的傳播方向為90°，采用雙首纜及雙尾纜的設計形式，系泊系統的設計如圖1所示。

圖1 系泊系統布置形式Fig. 1 Layout of mooring system

4 測量方法及試驗方案

4.1 纜繩拉力測量

拉力傳感器一端固定在系泊纜索上，另一端固定在船模上，船舶在外環境的作用下產生六自由度運動，系泊纜索產生拉力，信號傳輸到動態信號采集系統上，處理相關系泊纜索頂端張力數據。

4.2 護舷壓力測量

護舷壓力測量的方式通過在船舶的首尾各布置一個應變片，船舶在外環境的作用下產生一定的運動幅值，運動過程中撞擊應變片，通過應變片的數據傳輸到動態采集系統上，利用計算機分析，把電壓信號轉化成壓力值，進而得到其壓力時歷曲線。

4.3 試驗系泊方案及工況

表2 試驗工況Tab. 2 Working condition of experiment

5 試驗結果和分析

5.1 船舶主要自由度運動幅值

圖2～圖6為各設計工況作用下船舶橫蕩、橫搖和垂蕩三自由度的運動幅值響應情況。從圖2～圖4可以看出，相同的系泊條件，相同的波幅，不同的波浪周期對船舶產生的作用效果不同，對于橫蕩、橫搖和垂蕩的運動幅值，隨著波浪周期的增大，船舶的橫蕩運動、橫搖運動及垂蕩運動更劇烈。從圖2、圖5和圖6可以看出，相同的系泊條件，相同的周期，不同的波幅對船舶產生的效果不同，對于橫蕩、橫搖和垂蕩的運動幅值，隨著波幅的增大，船舶的橫蕩運動、橫搖運動及垂蕩運動更劇烈。從圖2～圖6中可以看出，船舶的主要自由度運動都是在平衡位置基礎上進行的，且運動時歷曲線比較符合規則波的運動特性及規律。

圖2 工況10船舶主要自由度運動時歷曲線Fig. 2 Main degree of freedom time history under tenth condition

圖3 工況11船舶主要自由度運動時歷曲線Fig. 3 Main degree of freedom time history under eleventh condition

圖4 工況12船舶主要自由度運動時歷曲線Fig. 4 Main degree of freedom time history under twelfth condition

圖5 工況13船舶主要自由度運動時歷曲線Fig. 5 Main degree of freedom time history under thirteenth condition

圖6 工況16船舶主要自由度運動時歷曲線Fig. 6 Main degree of freedom time history under sixteenth condition

5.2 纜繩纜索頂端張力

從圖7～圖9可以看出，相同的波幅，不同的周期波浪作用下，系泊纜的頂端張力隨著波浪周期變大而逐漸變大。從圖7、圖10和圖11可以看出，相同的波幅，不同的周期波浪作用下，系泊纜的頂端張力隨著波幅的增大而逐漸變大。從圖9～圖11可以看出，試驗中系泊纜索拉力曲線大多符合規則波運動規律，拉力的數值在平衡位置附近上下波動。試驗及實際工程中，為保證船舶運動幅值在合理范圍內，系泊纜頂端設有預張力，由于各系泊纜所起到的作用不同，設置的預張力大小也不一樣，船舶在外工況的作用下，出現繞軸和沿軸的運動，系泊纜索的頂端時歷實時變化，系泊纜處于連續張緊-松弛的狀態。

圖7 工況10系泊纜索頂端張力時歷曲線Fig. 7 Time history of the top tension of mooring line under tenth conditions

圖8 工況11系泊纜索頂端張力時歷曲線Fig. 8 Time history of the top tension of mooring line under eleventh conditions

圖9 工況12系泊纜索頂端張力時歷曲線Fig. 9 Time history of the top tension of mooring line under twelfth conditions

圖10 工況13系泊纜索頂端張力時歷曲線Fig. 10 Time history of the top tension of mooring line under thirteenth conditions

圖11 工況16系泊纜索頂端張力時歷曲線Fig. 11 Time history of the top tension of mooring line under sixteenth conditions

6 結 語

碼頭系泊系統是船舶在舾裝、靠泊時的重要裝置，通過高樁碼頭船舶系泊試驗，分析系泊船舶的運動特性、系泊纜頂端張力和護舷壓力等參數，可以為工程實踐提供一定的指導意義。在船舶碼頭系泊試驗的基礎上，得出以下結論：

1）由于甲板駁船的船型特殊性，采用雙首纜、雙尾纜的系泊形式，試驗中船舶的主要自由度運動幅值在規范規定的范圍內，驗證優化設計系泊纜布置形式的合理性；

2）系泊狀態下船舶橫蕩、垂蕩和橫搖運動幅值，隨著波浪周期的增大而增大，隨著波幅的增加而非線性增加；

3）系泊纜索的頂端張力變化時歷曲線符合規則波作用的特性，在預張力的基礎上，圍繞平衡位置波動，系泊纜索的頂端張力隨著波幅的增加而增大。