大型无动力船舶码头系泊防台计算模型优化

2016-10-11甘浪雄佘运友刘成勇郑元洲王晓晨

中国航海 2016年1期

关键词：锚链缆绳系泊

甘浪雄，佘运友，刘成勇，郑元洲，张磊，王晓晨

(1.武汉理工大学航运学院，武汉 430063；2.武汉海事职业学院，武汉 430063)

大型无动力船舶码头系泊防台计算模型优化

甘浪雄1，佘运友2，刘成勇1，郑元洲1，张磊1，王晓晨1

(1.武汉理工大学航运学院，武汉 430063；2.武汉海事职业学院，武汉 430063)

当大型无动力船舶主机推进设备缺失或发生故障时，码头系泊防台安全问题尤为突出;同时,国内外船舶系泊防台数值计算模型均只给出风、流作用下的系缆力计算公式，计算不够准确。对此，首先运用大型船舶操纵模拟器对船舶码头系泊防台进行建模仿真，证明船舶缆绳系泊防台方案的可行性和局限性；然后针对缆绳系泊方案提出大型无动力船舶码头组合系泊优化防台方案，并以30万吨级超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)为研究对象，运用MATLAB工具比较其在采用优化方案前后的受力变化规律；最后结合组合系泊优化防台方案成功应用于友联船厂的实际经验，证明该方案的全面性和实践性。

水路运输;无动力船舶；系泊防台；系缆力；模型优化

Abstract: The safety of the moored unpowered vessels, which are not equipped with a propulsion system or in the condition of propulsion failure, against typhoon is of concern to the operators. The available three mooring force models based on wind and current forces do not give accurate results. The mooring cable arrangement be examined and optimized in advance is proposed by means of the full mission Large-ship handling simulator. The case of a 300 000 t VLCC is demonstrated with the comparison between the mooring forces before and after optimization. The mooring arrangements optimized with the method introduced have been successfully used in Yiu Lian dockyards during typhoon seasons.

Keywords: waterway transportation; unpowered vessel; mooring arrangement against typhoon; mooring force; optimized model

我国是西北太平洋沿岸遭受风暴灾害最频繁、最严重的国家，台风致灾区域几乎涵盖整个中国沿海。在台风季节，大型无动力船舶的防台问题不容忽视，因为其通常处于空载状态，受风面积较大，防台时仅靠锚的抓力存在极大的走锚失控风险。该问题在沿海一些造船业相对发达的港口尤为突出。[1-4]

在大型无动力船舶码头系泊防台数值计算模型研究方面，目前用到的计算模型是《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010)、《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition)》及《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》。但是，这3种模型都存在船体横向上的受风面积计算不够准确、没有给出船舶所受波浪力的具体计算公式及模型主要适用于通过缆绳系泊抗台的情况的缺点；同时，该方法单一，安全性较差，防台能力一般。

这里在以上模型的基础上对船舶受风面积进行更加准确的计算，详细分析波浪力的作用，并充分考虑模型中锚链和拖船对无动力船舶系泊防台的辅助作用，针对传统的缆绳系泊方案提出大型无动力船舶码头组合系泊优化防台方案。图1为缆绳系泊方案与组合优化方案对比图。

图1 缆绳系泊方案与组合优化方案对比图

1 大型无动力船舶缆绳系泊方案及模型分析

为研究缆绳系泊防台技术方案的可行性，对数值计算结果进行对比分析，运用全任务大型船舶操纵模拟器对通航环境和30万吨级超大型油船(Very Large Crude Carrier, VLCC)进行码头缆绳系泊防台方案数值建模。所研究船型的主尺度见表1。

表1 研究船型主尺度

分别采用24根伸长率为22%、破断力为900 kN的尼龙缆和24根伸长率为2%、破断力2 000 kN的钢丝缆进行模拟试验(分别称为试验一和试验二)，均为空载防台，风力11级，浪高2 m，流速1.5 m/s。各试验所得空载防台模拟轨迹见图2，系缆力监测见表2和表3，缆绳系泊模型与模拟试验结果对比见表4，模拟试验与数值计算对比见图3。

a)试验一所得模拟轨迹b)试验二所得防台模拟轨迹

图2 各试验所得空载防台模拟轨迹

在采用破断力较小的尼龙缆进行系泊防台时，由表2可知,由于缆绳破断力有限，最后发生断缆事故。

通过数据对比分析可知，在采用尼龙缆进行系泊防台模拟试验时，缆绳瞬间受力均小于缆绳系泊模型计算结果2 100 kN；而在采用钢丝缆绳时，除船舶艏横缆和艉横缆瞬间受力>2 100 kN之外，其他均<2 100 kN。具体分析和结论如下。

表2 试验一防台系缆力监测表

表3 试验二防台系缆力监测表

表4 缆绳系泊模型与模拟试验结果对比 kN

图3 模拟试验与数值计算对比

1) 考虑到船舶在系泊防台过程中艏横缆和艉横缆的受力一般都是最大的，且模拟试验主要是采集缆绳的瞬间受力，防台过程中缆绳瞬间受力均存在急剧增大现象，认为缆绳系泊防台模型数值计算结果是合理可靠、有较强借鉴意义的。

2) 在采用钢丝缆系泊防台时，风和流由小值渐变至最大值，系缆状态正常；若直接受11级风的作用，钢丝缆的伸长率仅2%，瞬间受力过大将导致缆绳裂断。虽然有采用缆绳系泊方案成功抗台的经验，但是当风力在11级及以上时，该方案是无法完成的。因此，实践经验和模拟试验结果都证明缆绳方案在防11级及以上台风时不可行，有一定局限性。

2 大型无动力船舶组合系泊防台优化方案及模型分析

从上述3种模型的计算方法及其特点上看，《港口工程荷载规范》主要适用于散货船和集装箱船的系泊力计算，《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition )》主要适用于油船的系泊力计算，而《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》主要适用于舰船的系泊力计算。3种方法各不相同、各有特点，但均存在以下问题。[5-7]

1) 船舶在实际系泊防台时是靠泊在码头上的，考虑最不利情况风向(即吹开风)时船体横向上的受风面积受到码头的部分遮蔽而发生变化，在模型中没有给出相应的公式说明。

2) 模型中仅给出风和流作用下的系缆力计算公式，并没有给出船舶受到波浪力时的计算公式。

3) 在大型无动力船舶码头系泊防台时，3种模型防台方法单一，防御台风能力一般。

为更加准确地研究大型无动力船舶码头系泊防台时船舶的受力情况，除根据波浪作用下的船舶系缆力相关资料详细分析波浪的作用力之外，还在模型中考虑码头的遮蔽影响及锚链和拖船的辅助防台作用，具体优化分析如下。

2.1船舶受风面积

针对系泊时船舶横向上的受风面积受到码头部分遮蔽的问题，作以下优化。

船舶在码头系泊防台时，其空载水线至码头上缘的距离为h，船体横向上的受风面积受到码头的部分遮蔽。这里结合实际情况指出船舶水面以上受风面积宜根据设计船型和船舶装载情况确定。图4为无动力船舶系泊时横向受风面积图，码头遮蔽面积As的计算式为

(1)

式(1)中：L为船长；Cb为船舶方形系数。

图4 无动力船舶系泊时横向受风面积图

无动力船舶在吃水为d(空载或压载状态下)时的横向受风面积计算式为

(2)

式(2)中：Ayw为船舶满载时船体水面以上横向受风面积，m2；Cb为船舶方形系数；L为船长；h为水线至码头上缘的距离；df为满载吃水；d为空载吃水。

2.2波浪荷载作用

船舶在码头系泊防台时，计算波浪对系泊船舶的作用是一个非常复杂的问题。一般情况下，计算波浪对缆绳张力的作用只从静力的角度出发，仅考虑定常漂移力作用。这里主要结合相关资料[8]，将波浪入射角、波高、波向、波周期及船舶吨位、稳性等影响因素考虑在内，使波浪荷载作用更加全面、准确地体现出来，具体计算式如下。[8-10]

1) 纵向波浪荷载Fxd的计算式为

(3)

2) 横向波浪荷载Fyd的计算式为

(4)

式(3)和式(4)中：x，y为综合系数，建议为0.05；H为入射波高；LZ为船舶柱间长；θ为波浪入射角；B为船舶型宽；D为船舶吃水；ρ为海水密度；g为重力加速度；ax,ay分别为反映船舶纵摇、横摇与船舶周期关系的参数，其中参数ax的计算式为

(5)

式(5)中：T为波浪周期；Tx为船舶纵摇周期；μx为船舶纵摇无因次系数；μx=0.3W/Wf，W为船舶排水量，Wf为船舶满载排水量。

2.3拖船顶推作用

实际调研过程中发现，当台风较大时，在已有缆绳系泊情况下在船舶下风舷处横向加入拖船顶推，船舶受到的横向作用力会有所减缓，同时可在一定程度上改善船舶的横倾状况，船舶受到的作用力更加准确，更符合实际情况。拖船顶推力计算式为

Fyt=λmFn

(6)

式(6)中：Fn为单艘拖船可提供的有效顶推力；m为拖船数量；λ为推力折减系数，λ∈[0，1]。

2.4船舶锚链抓力作用

实际码头系泊防台过程中发现，可在加强艏艉方向系缆的同时，采取在艏艉方向抛锚的方式缓解艏艉受到的风浪流作用力。

锚泊力是锚泊船因正常锚泊而取得的系留力，在数值上等于锚的抓力与链的附加抓力之和。

Fa=Ha+Hc

(7)

式(7)中：Fa为锚的总抓力；Ha为锚抓力；Hc为锚链附加抓力。

锚链与艏艉线的夹角为γ，则船舶受到的纵向和横向锚链拉力分别为

Fxa=(Ha+Hc)cosγ

(8)

Fya=(Ha+Hc)sinγ

(9)

3 30万吨级VLCC模型优化前后数值计算对比

以30万吨级VLCC为研究对象，运用MATLAB的图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)可视化功能分别显示船舶横向和纵向受到的风浪流合力的变化情况及在风速和波浪入射角变化的情况下随系缆墩数量的变化情况，显示系缆力标准值的变化曲线图和优化模型防台情况下的三维视图。通过模型对比和变化规律分析，在优化前后的模型中对船舶受力和系缆力标准值进行对比分析。

3.1参数设计

通过对我国东、南沿海主要船舶修造企业进行实地调研，并参考修船基地的实际自然条件，得到以下参数条件。

1) 风况方面，均选取风速在20～40 m/s变化。

2) 水流方面，不考虑横向码头外侧水流对船舶的作用力，水流速度均取1 m/s，水流流向与船舶纵向夹角均为15°。

3) 波浪方面，水流荷载按水流与船舶纵轴流向角15°取值计算，波高取2 m。

3.2实例计算

按照上述计算的条件，在优化模型前后分别对30万吨级VLCC进行实例计算。

3.2.1原始模型(缆绳系泊)

(1) 纵向计算式为

(10)

(2) 横向计算式为

(11)

3.2.2优化模型(缆绳-锚链-拖船辅助系泊)

(1) 纵向计算式为

(12)

(2) 横向计算式为

(13)

3.3采用优化模型前后纵横向受力对比分析

1) 采取优化模型前后30万吨级VLCC受到的纵向分力对比见图5，其中：Fx1表示《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010)；Fx2表示《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition )》；Fx3表示《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》;下同。VLCC优化模型纵向分力三维视图见图6。

a)原始模型b)优化模型

图5 采取优化模型前后VLCC受到的纵向分力对比

综合图5和图6可知，在采取优化模型时，由于同一风况条件下船舶受到纵向上的锚链作用力，因此优化模型所得船舶纵向分力明显减小，且随波浪入射角的增大逐渐减小。

图6 VLCC优化模型纵向分力三维视图

2) 采取优化模型前后30万吨级VLCC受到的横向分力对比见图7，VLCC受到的横向分为优化模型三维视图见图8。

a)原始模型b)优化模型

图7 VLCC受到的横向分力变化对比图

图8 VLCC受到的横向分力优化模型三维视图

综合图7和图8可知，在采取优化模型时，由于同一风况条件下船舶下风舷处受到横向拖船顶推作用力，因此优化模型所得船舶横向分力明显减小，且随波浪入射角的增大逐渐增大。

3.4采用优化模型前后系缆力分析

VLCC原始模型系缆力标准值见图9，标准值优化模型见图10，优化模型三维图见图11和图12。

由图9～图12可知，当系缆墩数量由n=6变化为n=8时，原始模型和优化模型的系缆力标准值均随风速的增大而增大，且总体上随系缆墩的增多而减小；原始模型只考虑缆绳系泊的作用，而优化模型结合实际情况在缆绳的基础上加入了浪荷载、锚链及拖船的辅助作用，且对系泊防台考虑更加准确、全面；在相同条件下计算30万吨级VLCC系缆力标准值时，相对于原始模型，优化模型计算结果明显减小，更符合实际情况，防台等级也在增大。

a)n=6b)n=8

图9 VLCC原始模型系缆力标准值

图10 VLCC系缆力标准值优化模型

图11 VLCC系缆力优化模型三维图(n=6)

图12 VLCC系缆力优化模型三维图(n=8)

3.5友联船厂实际操作

结合数值计算结果和船厂实际经验总结，深圳友联船厂采用船舶码头组合系泊防台优化方案后将防台等级提升到了11级(阵风12级)。根据该研究成果，深圳友联船厂成功抵御了“莫拉菲”和“巨爵”等台风。图13为“博客希望”轮采用的优化方案防台示意图。

图13 “博客希望”轮采用优化方案防台示意图

4 结束语

以《港口工程荷载规范》《OCIMF Mooring Equipment Guidelines (Third Edition )》和《Unified Facilities Criteria Design: Moorings》等3种计算模型为基础，通过模拟试验并结合深圳友联船厂的实际防台经验，阐述缆绳系泊防台方案的可行性和局限性，进而提出缆绳-锚链-拖船顶推组合系泊防台优化方案。通过与缆绳系泊方案模型进行对比分析并结合实际防台效果，验证了优化模型的优越性，可供大型

无动力船舶系泊防台参考。

[1] 刘成勇,郭国平,甘浪雄. 大型无动力船舶码头系泊防台风安全研究[J]. 船海工程, 2009, 38(2): 156-160.

[2] 魏昌理,隋月,徐华. 30万吨级油轮(VLCC)有效系泊研究[J]. 中国港湾建设, 2012(6): 26-30.

[3] 陈中一, 陈基成,赵颖. 在潮汐流作用下25万吨级油轮系缆力的模型试验研究[J]. 海洋工程, 1998, 16(3): 45-53.

[4] 杨兴晏. 船舶风荷载算法的比较研究[J]. 港工技术,2006 (2): 12-13.

[5] 中华人民共和国交通运输部.JTS144-1—2010，港口工程荷载规范[S].

[6] OCIMF Mooring Equipment Guidelines[S].

[7] UFC 4-159-03，Unified Facilities Criteria Design: Moorings[S].

[8] 孟祥玮,高学平,张文忠. 波浪作用下船舶系缆力的计算方法[J]. 天津大学学报, 2011, 44(7): 593-596.

[9] 李越.长周期波浪对船舶系泊稳定影响的研究[D]. 大连：大连理工大学,2013.

[10] 武瑞花.船舶横摇运动时间序列的分析、建模与预报研究[D]. 大连：大连海事大学, 2008.

MooringArrangementOptimizationforLargeUnpoweredVesselsAgainstTyphoon