港口船舶系泊載荷參數化及特性研究

趙奎，魏志強，魏立明，賀保衛，崔海朋，杜鵬

(1.中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100；2.青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266061；3.中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責任公司，山東 青島 266061)

0 引言

船舶大型化、智慧化發展及大型深水開敞式港口碼頭的現代化建設，使得船舶港口系泊問題受到業界廣泛關注和研究。船舶與碼頭大多采用旁靠方式進行裝卸作業，通過系泊纜與橡膠護舷相連[1]。船舶靠港系泊時受到風、浪、流多環境載荷聯合作用[2–3]，導致其運動響應具有多變性和突發性[4]，由此關系到碼頭結構、船舶自身及裝卸作業的安全性，及時有效地進行系泊動態響應分析，選擇合適的靠泊方式、系纜繩索等對多方安全至關重要。

近年來，國內外學者針對船舶港口系泊過程的運動特性及環境載荷分析開展了大量的研究工作。SHASHIKALA[5]通過編寫SHIPMOOR 程序，參數化計算了船舶系纜力，并通過試驗驗證了程序計算結果的有效性。KIM[6]采用時域方法研究了水動力干擾效應對不同系纜方式下的浮體系纜力影響。ROSA[7]研究發現惡劣海況下，僅依賴系泊纜繩對船舶大幅值運動的限制不足。賈德君等[2]應用時域響應方法，對比研究了不同環境載荷下，傳統系泊與恒定范圍張力系泊下的船舶系纜強度。孟祥瑋等[8]提出了船舶系泊中波浪載荷理論計算公式，對我國現有規范進行了補充完善。張鼎等[9]采用時域計算方法分析了風、流載荷共同作用下系泊纜繩預張力、材質和系泊布置等對系泊系統的影響。刁峰等[10]通過建立系泊狀態下船體與平整冰相互作用的二維數學模型，計算了極地鉆井船系泊冰阻力、系泊力以及船體運動響應，試驗結果表明該方法能夠有效預報系泊載荷。駱寒冰等[11]采用譜分析方法，研究了涌浪環境下系泊起重船吊裝組塊耦合運動響應。陳里等[12]分析了內河港口滑坡涌浪作用下船舶系纜力和撞擊能的影響因素，以及波高、水深等因素影響下船舶系纜力和撞擊能的變化規律，得出了涌浪作用下船舶系纜力和船舶撞擊能的經驗計算式。

目前，國內船舶港口系泊載荷計算采用《港口工程載荷規范》[13]（JTS144-1-2010）的方法進行，基于該規范的船舶系泊靜態理論計算的局限性，使得大型船舶在惡劣環境下系泊安全存在隱患，加之港口單位大多采用人工計算，效率較低，誤差較大。此外，CFD 數值模擬和水池試驗計算周期較長、費用較高，并往往簡化了海洋環境的約束條件，對惡劣海況條件預估不足，使得計算結果存在一定偏差。因此，本文基于文獻[13]通過港口氣象水文采集傳感器的數據輸入，編程實現了船舶港口系泊纜力的動態參數化計算，并通過水池試驗驗證了該系統的有效性及可靠性，為船舶港口系泊運動響應快速分析提供了支撐，具有一定的工程實用價值。

1 船舶港口系泊載荷參數化

1.1 系泊纜力計算模型

船舶港內系泊纜力應綜合考慮風、浪、流共同對船舶作用所產生的橫向分力總和與縱向分力總和，如下式：

式中：N表示船舶港內系泊纜力，kN；Nx，Ny，Nz分別表示系泊纜力橫向、縱向、豎向分力，kN；∑Fx、∑Fy分別表示風、浪、流對船舶共同作用產生的橫向分力總和與縱向分力總和，kN；n表示系泊船舶同時受力的系船柱數目；K表示系船柱受力分布不均勻系數，n=2 時，K=1.2，n>2 時，K=1.3；α表示系船纜水平投影與碼頭前沿夾角，（°）；β表示系船纜與水平面間夾角，（°）。

1.2 風、浪、流載荷計算模型

1.2.1 風載荷計算模型

作用于船舶上的風載荷垂直于碼頭前沿的橫向分力和平行于碼頭前沿的縱向分力可按式（5）和式（6）進行計算。

式中：Fwx，Fwy分別表示作用于船舶的風載荷橫向分力和縱向分力，kN；Awx，Awy分別表示船體水面以上橫向和縱向受風面積，m2；Vxy，Vwy分別表示風速的橫向和縱向分量，m/s；ζ1表示風壓不均勻折減系數；ζ2表示風壓高度變化修正系數。

1.2.2 浪載荷計算模型

《港口工程載荷規范》中尚未給出波浪作用于船體的系纜力計算公式，本文基于文獻[8]提出的船舶波浪產生的纜力載荷計算公式與方法，進行參數化計算。

其中：

式中：Ffx，Ffy表示浪載荷沿船舶縱軸的橫向分力和縱向分力，kN；H代表入射波高，m；θ為波浪入射角度，度；Lpp為船舶垂線間長，m；D為船舶吃水，m；B為船舶型寬，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；Tx為船舶橫搖周期，s；Ty為船舶縱搖周期，s；T為波浪周期，s；W為船舶當前排水量，t；Wt為船舶滿載排水量，t。

1.2.3 流載荷計算模型

對于開敞式港口透空式系船，當流向與船舶縱軸夾角小于15°或大于165°時，沿船舶縱軸的流載荷船首橫向分力、船尾橫向分力、流載荷縱向分力可按下式計算：

式中：Fscx，Ffcx，Fcy分別表示沿船舶縱軸的流載荷船艏橫向分力、船尾橫向分力和縱向分力，kN；Cscx，Cfcx，Ccy分別表示流載荷船首橫向分力系數、船尾橫向分力系數和縱向分力系數；Vc表示水流速度，m/s；ρ表示水密度，t/m3；Bwl表示船舶水線以下橫向投影面積，m2；Bf表示船舶水線以下濕表面積，m2。

對于開敞式港口透空式系船，當流向與船舶縱軸夾角為15°～165°時，沿船舶縱軸的流載荷橫向分力與縱向分力可按下式計算：

式中：Fcx，Fcy分別表示沿船舶縱軸的流載荷橫向分力和縱向分力，kN；Ccx，Ccy分別表示流載荷橫向分力系數和縱向分力系數；Acx，Acy分別船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積，m2。

1.3 系泊載荷參數化程序設計

1.3.1 程序架構及流程

《港口工程載荷規范》系泊載荷計算主要包括風、流載荷內容，文獻[8]進一步補充完善了波浪載荷對船舶系纜力的貢獻，基于上述風、浪、流作用船舶后產生的系泊載荷計算方法，本程序架構如圖1所示。

圖1 系泊載荷計算程序架構Fig.1 Framework of mooring load calculation program

根據環境載荷、船舶主尺度、程序設置參數等因素，基于VB.net 開發環境，編程開發船舶系泊載荷計算程序，通過傳感器實時采集風、浪、流數據無線傳輸至程序，計算設定時間步長內的環境數據平均值，進而動態求得船舶系泊時風、浪、流載荷貢獻值，并將結果曲線動態繪制于界面右側。計算流程如圖2所示。

圖2 系泊載荷計算流程圖Fig.2 Flow chart of mooring load calculation

1.3.2 參數化界面

風、浪、流載荷經程序化計算后，可通過設置時間步長，實時顯示當前環境參數，并將環境載荷趨勢變化實時反映至界面中，以浪載荷計算為例，時間步長設置為1 h，其載荷實時計算結果趨勢曲線如圖3 所示，其他界面原理相同。

圖3 浪載荷計算界面Fig.3 The interface of wave load calculation

2 船舶水池系泊試驗

為驗證該程序的可靠性、準確性及研究船舶系泊響應特性，通過船舶水池系泊試驗進一步分析環境載荷對船舶系泊纜力的影響。

試驗數據來源于大連理工大學船舶拖曳水池系泊試驗數據[14]，水池長170 m，寬7 m，水深4 m；造波機由20 塊造波板組成，最大造波高0.4 m；試驗船型為中遠海運集團2012 年建造的30000DWT 多用途重吊船，其主尺度如表1 所示，模型縮尺比為1∶30.18。試驗時，室內溫度為21.6 ℃，水運動粘性系數取值0.969×106m2/s。船體型線圖如圖4 所示，系泊船舶模型及系泊示意如圖5 和圖6 所示。

表1 船舶主尺度參數Tab.1 Principal dimension parameters of ship

圖4 船舶型線圖[14]Fig.4 Hull lines

圖5 試驗船模[14]Fig.5 Test model of ship

圖6 系泊示意圖Fig.6 Schematic diagram of mooring

3 試驗驗證及結果分析

3.1 程序可靠性驗證

船舶水池系泊試驗時，以波浪載荷試驗對程序可靠性予以驗證，試驗在船舶滿載、靜風、靜流工況下，分別驗證了波浪入射角度 θ為5°，10°，15°，20°，25°，30°，波浪周期T為4.5 s，波高為0.3 m 時的波浪載荷Ff，對比結果如表2 和圖7 所示。其中，Ffx0為波浪載荷橫向分力試驗值，Ffx1波浪載荷橫向分力試驗值；Ffy0為波浪載荷縱向分力試驗值，Ffy1波浪載荷縱向分力試驗值，kN。

表2 波浪載荷對比結果Tab.2 Comparison results of wave load

圖7 波浪載荷試驗與計算曲線Fig.7 Test and calculation curve of wave load

由圖7 可以看出，程序計算結果與水池試驗結果總體趨勢一致，計算值總體是試驗值1.0～1.1 倍，最大偏差0.013 kN，原因在于：為保證系泊安全，理論計算方法相對保守，其系數因子取值偏大；其次，從波浪載荷理論計算公式可以看出，橫向分力曲線符合正弦變化，縱向分力曲線符合余弦變化，通過0°～180°波浪入射角度的波浪載荷程序計算，結果曲線滿足上述規律，可驗證該程序計算的有效性與可靠性。

3.2 浪、流特性分析

3.2.1 浪載荷特性

研究船舶滿載、靜風、靜流工況下，浪向角θ分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，波高H分別為0.1 m，0.15 m，0.2 m，0.25 m，0.3 m，0.35 m，0.4 m時的船舶浪載荷響應，對比結果如圖8 所示。

由圖8 可知：

1）在浪橫向載荷曲線中，圖8（a）隨浪向角增加，曲率逐漸變小，曲線上升變緩，相鄰曲線間距基本一致，符合試驗結果趨勢與精度；圖8（b）隨波高的增加呈線性增長，曲率基本保持一致，且隨著角度的增加，同一波高下的相鄰曲線間距逐漸減小；

圖8 浪載荷特性對比曲線Fig.8 Correlation curve of flow load

2）在浪縱向載荷曲線中，圖8（c）隨浪向角增加，曲率逐漸變大，圖8（d）同樣呈線性增長趨勢，曲線特性與圖8（b）相同。

3.2.2 流載荷特性

流載荷特性主要研究了靜風、靜浪，船舶滿載工況下，流向角φ分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°、90°，流速分別為0.1 m/s，0.2 m/s，0.3 m/s，0.4 m/s，0.5 m/s 時的船舶流載荷響應，對比結果如圖9 所示。

由圖9 可知：

1）在流橫向載荷曲線中，圖9（a）隨著流向角的增加，曲率逐漸增大，曲線上升速率加快，相鄰流向角曲線隨流速的增加，間距逐漸成擴大趨勢；圖9（b）隨著流向角的增加，曲率變小，曲線上升速率變緩，相比流向角，流速對流載荷影響更為明顯；

圖9 流載荷特性對比曲線Fig.9 Correlation curve of wave load

2）在流縱向載荷曲線中，圖9（c）呈現明顯的聚類現象，不同于常規受力分析，流向角為45°時，船舶流縱向載荷最大，且流向角為0°時，流縱向載荷較低，圖9（d）趨勢同樣反映出該現象，計算結果與試驗結果及OCIMF 規范存在較大差異，其原因在于：國內《港口工程載荷規范》中流載荷系數計算只給出船舶方形系數為0.825 與0.625，水深吃水比為1.1 和1.5 工況下的系數計算方法，本文水深吃水比為11.76，超出規范量程，基于靜態理論計算方法的局限性，導致程序靜態計算時的誤差偏大。

4 結語

本文首先基于國內《港口工程載荷規范》載荷計算方法，編程實現了船舶系泊過程中風、浪、流載荷的動態參數化計算，解決了人工計算繁瑣、精度較低以及試驗周期長、成本偏高等問題，通過試驗驗證了程序計算的可靠性，并進一步分析了系泊過程中浪、流載荷的變化特性，得出以下結論：

1）本文編程實現的船舶系泊過程中波浪載荷的動態參數化計算結果與試驗結果擬合度可達90%，滿足波浪載荷計算要求，具有一定的實用性；

2）國內《港口工程載荷規范》中流載荷計算結果與試驗結果趨勢偏差較大，實際工程的適用性不足，該理論計算尚需進一步完善；

3）本文分析了單一環境因素對系泊特性的影響，基于風浪流耦合作用于下的船舶系泊理論計算、數值模擬與試驗研究仍需進一步研究。