陈 忱 时永鹏 刘 鹏

(中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200001)

0 引 言

船舶停泊在港口内会受到风、浪、流的联合作用，并受到护舷、缆绳的非线性约束，此时系缆船舶发生六个自由度方向的非线性运动[1-2].随着船舶大型化发展，其受风面积，湿表面面积都将增大，各种载荷相应增加，因此，选取经济且安全的系泊装置，设计适应船舶特点的系泊布置方案，对船舶码头作业的安全意义重大.

大型集装箱船具有干舷高、受风面积大的特点，当靠泊状态下遇到恶劣天气时，会产生较大的缆绳系泊载荷，一旦发生系泊缆断裂，将会发生船舶撞毁码头并造成自损事故[3]，常规的简化计算方法一般是计算船舶在规范规定的环境条件下的合力，再通过出绳角度，同方向缆绳根数等数据简化计算缆绳拉力，并不能全面反映船舶的复杂环境条件和缆绳的实时受力状态.因此有必要采用时域分析方法计算大型集装箱船的运动状态和缆绳受力[4-5]，保证船舶系泊安全.

1 基本参数

目标船主尺度见表1，码头布置见图1.

表1 船舶主尺度 m

注：港口水深为15 m.

图1 大型船舶深水港口中的典型码头布置示意图

本船基于所算舾装数并结合船东对于系泊的使用需求，实际缆绳总数为16根，其中：9根在尾部，包括3根倒缆，6根尾缆；7根在首部，包括2根倒缆，3根横缆和2根首缆.详细布置及缆绳编号见图2.

图2 系泊布置图及缆绳序号

系泊索的种类有钢索、天然植物纤维索和合成纤维索等.由于钢索的弯曲半径较大，使用操作不便，一般较少使用.目前，使用率较高的系泊索材料为纤维索，而实际使用的纤维系泊索都是合成纤维索，最常用的材料是聚酯、尼龙、聚乙烯和聚丙烯.其中，Dyneema是一种高强度、低弹性的聚乙烯纤维材料，而尼龙则是一种具有较低长度和较高弹性的材料.文中选取了Dyneema及尼龙两种常用材料的缆绳，分别对其进行了计算，以比较不同的缆绳物理性质对缆绳张力及船舶运动形态的影响.其中Dyneema，记为Line1；尼龙，记为Line2.具体缆绳参数见表2.

表2 缆绳参数

2 计算模型

计算采用BV船级社开发的Hydrostar和Ariane软件，其中Hydrostar 水动力计算软件可用来计算波浪与结构耦合作用，在其计算中能考虑风载荷、流载荷，多体结构相互耦合，前进速度和内部流体运动等的影响.而Ariane 软件则是通过时域数值分析评估船体的低频响应，在每个时间步之后，加入波浪的周期作用，再从“位移-张力”曲线中读取该时刻缆绳的张力值，从而得到每个时间步的船舶状态和缆绳张力.

现采用Hydrostar软件[6-7]进行水动力计算作为Ariane的数据输入，再在Ariane中建立系泊模型.船舶局部坐标系原点位于中横剖面、中纵剖面与基平面的交点，x轴正向指向船首，y轴正向指向右舷，z轴正向指向上.计算模型见图3.

图3 Ariane中建立系泊模型示意图

3 计算工况

考虑该船的五种典型装载工况，分别为18TSD(18T集装箱出港装载工况)，12TSD(12T集装箱出港装载工况)，22TDD(22T集装箱出港装载工况)，10TDD(10T集装箱出港装载工况)和NB_A(正常压载到港装载工况)，五种工况的具体参数见表3.

表3 工况参数

3.1 水动力参数

船体附加质量由水动力计算得到,见表4.

表4 各工况下的附加质量

依据BV规范[8]，采用式(1)计算系泊系统的线性阻尼系数：

缆绳物理性质的不同会对系统的阻尼系数有较大影响，本文中选用了“Dyneema”和“尼龙”两种材料的缆绳，对应的线性阻尼系数见表5.

3.2 风力系数与流力系数

风力系数和流力系数的计算采用了“MooringEquipmentGuidelinesinOCIMF[9]Guidelines”中的定义.根据受风面积计算则可得到OCIMF风力系数及流力系数，见表6.

表5 线性阻尼系数

表6 受风面积 m2

4 环境条件

4.1 海况

计算中的风、浪分别采用了API风谱和Jonswap谱[10-11].根据总体设计要求，风、浪、流的参数见表7，其中前四种工况计算采用的风速为16.2 m/s，最后一种工况(压载工况)对应风速10.1 m/s.

表7 海况参数

4.2 环境组合

基于4.1中总体设计要求规定的海况进行环境组合，考虑到港口内波浪方向的不确定性，将波浪方向规定为0°～ 180°，30°为间隔(0°为迎浪方向)，风浪同向；流为迎流和逆流方向[12-15].报告中还包含了对谱峰周期上下波动15%的敏感度分析，故增加了谱峰周期为2.924和3.956 s的环境组合.这样共有42种环境组合，见表8.

表8 环境组合

5 计算结果及结果分析

5.1 计算结果

通过计算得到表3中五种装载工况下的缆绳张力和运动响应，见表9,同时限于篇幅仅列出了压载工况下两种材料缆绳的部分环境载荷和船舶运动的时历曲线.

表9 不同工况系泊计算结果

图4为Dyneema及尼龙两种材料缆绳作用下的运动计算结果，依次列出了横荡位移、纵荡位移的时历曲线(从4 000～14 800 s).

图4 船舶运动的时历曲线

5.2 结果分析

通过表9、图4的相关计算结果可知：

1) 在指定的环境载荷和组合下，Dyneema材料缆绳的最小安全系数为1.78，尼龙缆材料缆绳的最小安全系数为3.0，均大于BV规范规定的1.75的安全系数，该系泊布置可以满足系泊要求.

2) 在相同的环境条件组合下，尼龙缆具有更小的系泊张力，且船舶的运动幅值较大.主要原因在于尼龙缆弹性模量小，具有更小的刚度，缆绳的弹性使各根缆绳上的受力更趋向均衡，降低了缆绳张力的最大值，且对船舶运动限制小.

3) 对于两种系泊缆，系泊最大张力均发生在8号缆绳(即尾部倒缆)，原因可归结为从船舷导缆孔到码头系缆墩的缆绳垂向角度较大，使水平纵向分力变小.同时8号缆与纵向的夹角几乎为零度(而其他缆绳的方向多介于横向与纵向之间)，使其对纵向运动更加敏感，为抵抗纵向环境力，缆绳的张力会相应增大.

4) 对于五种装载工况，同样环境条件下压载工况有更大的缆绳张力；原因可归结为虽然在压载工况下的该船纵向受到的浪载荷和流载荷相对其他装载工况小很多，但是其受风面积却相对其他装载工况更大，同时由于装载工况时吃水很小，一方面导致船舶更容易运动，另一方面使缆绳方向与水平面的夹角更大，缆绳张力在水平方向的有效分力会迅速减小.

6 结 论

1) 弹性较好的缆绳具有更小的系泊张力，但船舶的运动幅值较大，设计时可在允许的运动幅值范围内，选择弹性较好的缆绳以提高对环境载荷的抵抗能力.

2) 缆绳与水平方向的夹角对缆绳张力的利用率有很大影响；本船的干舷很大，缆绳的系泊效率不高，因而在缆绳布置时应该尽量增加缆绳长度，通过调节浮态、增加压载等手段减小干舷，以增加水平分力在缆绳张力中的比重.

3) 最大张力大多发生在倒缆上，建议通过系泊布置方案优化，增加倒缆的长度，减小其对纵向运动的敏感度，或者在布置允许且缆绳足够的条件下增加倒缆数量.