武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 武漢 430063

工程船舶在海上定位時(shí)既要考慮風(fēng)、浪、流載荷的影響，還要充分考慮施工區(qū)域的水深、周圍環(huán)境及障礙物的影響。船舶設(shè)計(jì)者一般都是按照舾裝數(shù)來確定錨、及系泊設(shè)備。然而,對(duì)于許多工程船并不是簡單在錨地拋錨,而必須在規(guī)定的工地、特定的海況下進(jìn)行拋錨或作業(yè)。對(duì)于該類型的工程船,用抓持力法來確定錨泊鏈的鏈長和鏈徑。

1 建立方程

在拋錨過程中，出鏈長度相對(duì)水深不夠充分時(shí)，在船舶運(yùn)動(dòng)或者受到外力作用下，錨干會(huì)仰起一個(gè)角度，這個(gè)角度成為起錨角，它會(huì)使錨的抓力系數(shù)減小。

所以，為了錨泊安全，一般都使一段錨鏈臥底，以保證錨干平貼水底，充分發(fā)揮抓底能力，并產(chǎn)生錨鏈抓力，增加錨泊力。對(duì)于用鏈索泊碇的浮船塢，由于受水域限制，錨不能拋得太遠(yuǎn)，而采用沉石，這時(shí)就會(huì)有一定的上拔力。將有起錨角情況下的懸鏈線方程作為研究對(duì)象，有錨鏈臥底是其特例。

1.1 建立平面直角坐標(biāo)系

如圖1所示，設(shè)水底是水平的，水深為h，錨鏈固定于o點(diǎn)。設(shè)錨鏈位于一垂直平面內(nèi)，不考慮錨鏈的三維變形；水流沒有垂直分量，水平流速也位于錨鏈所在平面內(nèi)，且流速大小恒定，不隨水深變化。設(shè)o點(diǎn)處錨鏈的張力為T0，力的作用線與x軸成α角，其水平分力記為R；系船處張力為T1,其力的作用線與水平方向的夾角記為β，T1在水平方向上的分力即為船舶的錨泊力。錨鏈單位長度在水中的重量為q，水面上的部分鏈長度較短，其單位長度自重近似為q，懸鏈線部分長度為L。在有錨鏈臥底的情況下，既在懸鏈線方程特例情況下，該坐標(biāo)系原點(diǎn)相當(dāng)于是建立在臥底直線和懸鏈線的分界處[1]。

圖1 懸鏈線坐標(biāo)

1.2 建立受力平衡方程式及求解微分方程

圖2 懸鏈線微元受力

任取懸鏈線部分長度為ΔL的微元，其受力如圖2所示[2，3]。兩端張力T和T+ΔT,其作用線與x軸成θ角，水中自重為qΔL。張力T+ΔT為L的連續(xù)函數(shù)，在x、y軸上的投影也為連續(xù)函數(shù)，把兩個(gè)投影分別展開成泰勒級(jí)數(shù)，并略去二階微量后，可得到張力T+ΔT在x軸上的投影為：

在y軸上的投影為：

可微元受力平衡方程式為：

(1)

q·ΔL=0

(2)

由(1)、(2)式可得如下微分方程

(3)

由圖1還有以下關(guān)系式

y(0)=0

(4)

y′(0)=tanθ

(5)

由(4)、(5)兩個(gè)邊界條件求解微分方程(3)可得一般狀態(tài)下的懸鏈線方程

(6)

對(duì)dL積分便可得到懸鏈線的長度，且

L(0)=0

(7)

懸鏈線的張力T和有起錨角情況下的上拔力的F的表達(dá)式為：

(8)

F=R·tanα

(9)

當(dāng)α=0時(shí)，懸鏈線方程、懸鏈線長、懸鏈線張力分別可以簡化為：

(10)

(11)

(12)

2 應(yīng)用

2.1 船舶資料

某海上工程船主要用于海岸港口工程建設(shè)打樁。工作航區(qū)為沿海和長江A、B級(jí)航區(qū)，調(diào)遣航區(qū)為近海航區(qū)。按中國海事局“海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則”(2004年)規(guī)定的沿海、近海航區(qū)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、改建。

2.2 作業(yè)海況

最大作業(yè)時(shí)風(fēng)力：蒲福氏6級(jí)風(fēng)。

最大作業(yè)時(shí)波高：1.20 m。

最大作業(yè)時(shí)水流速度：2.5 m/s。

抗風(fēng)能力：蒲福氏10級(jí)風(fēng)以下，采用就地倒架錨泊抗風(fēng)形式。

作業(yè)水深：打樁作業(yè)水深適用范圍較廣，從最小水深2.50 m到最大作業(yè)水深12.50 m。(此時(shí)泥面標(biāo)高-8.5 m，潮位+4.0 m)

所有計(jì)算通過VB完成。首先計(jì)算外力，包括風(fēng)阻力、水流阻力和波浪漂流阻力,見圖3～5。

圖3 風(fēng)阻力計(jì)算

圖4 水流阻力計(jì)算

圖5 波浪漂流阻力計(jì)

風(fēng)阻力R1為[4]：

水流阻力R2為[4]：

波浪漂流阻力R3為[1]：

運(yùn)用懸鏈線方程計(jì)算錨鏈參數(shù)，方程求解利用牛頓迭代法，求解過程由VB程序完成。

試取錨鏈AM2-φ48 ,破斷力1 270 kN，鏈重0.051 7 t/m。

計(jì)算拋錨工況為水深h=12.5 m，要求拋錨后不對(duì)錨產(chǎn)生上拔力，確定懸鏈參數(shù)。根據(jù)已知條件，通過VB程序得到計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 懸鏈參數(shù)計(jì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果知道，本例中錨鏈的安全系數(shù)n=3.2，如果需要安全系數(shù)再大一點(diǎn)，可以重新選擇錨鏈再次計(jì)算。本次試取的錨鏈符合規(guī)范要求，不需要再進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際拋出的錨鏈長度可以根據(jù)計(jì)算得到的懸鏈長和需要的臥底長度以及錨鏈艙底到錨鏈筒口的鏈長確定，即：實(shí)際拋出的錨鏈長度等于懸鏈長、臥底長和錨鏈艙底到錨鏈筒口的鏈長三者之和。根據(jù)計(jì)算得出的外力確定該工程船舶需要的錨，取錨的抓重比為7(與海底地質(zhì)有關(guān))，可得到錨的重量G為：

實(shí)取6 000 kg斯貝克錨。

航工樁9實(shí)際選取的錨泊設(shè)備為：斯貝克錨9只，每只錨重6 000 kg，設(shè)AM3 66 錨鏈1根，長度為11節(jié)，錨索8根，與錨鏈銜接。

通過抓持力法計(jì)算得到該船的錨泊設(shè)備與實(shí)際選用的錨泊設(shè)備基本相符和，差別的原因在于本例計(jì)算的狀態(tài)是單點(diǎn)系泊，錨鏈的成分是單一成分。至于在多點(diǎn)系泊情況下各根錨鏈張力的分配以及單一錨鏈和復(fù)合錨索的經(jīng)濟(jì)性本例中未作考慮?？偟膩碚f，用抓持力法對(duì)工程船舶的錨泊設(shè)備進(jìn)行選型是可行的。

3 結(jié)束語

在多數(shù)情況下，為安全起見，錨鏈都會(huì)有一段臥底，以增加系泊力，從而用到(10)、(11)、(12)這些表達(dá)式，但是在特殊情況下(6)、(7)、(8)也很有必要。

在懸鏈線方程的運(yùn)用過程中，需要計(jì)算船舶所受到的外力，目前風(fēng)力、流力的研究已經(jīng)成熟，但是波浪力得計(jì)算目前還沒有權(quán)威的經(jīng)驗(yàn)公式，本文中波浪力的計(jì)算公式參照于“大力號(hào)”的波浪漂流阻力計(jì)算。工程船舶一般都是多點(diǎn)系泊，本文只是就單根錨鏈作了計(jì)算分析，各根錨鏈的張力分配問題尚未解決。

[1] 胡靈斌，唐 軍.懸鏈線方程求解及其應(yīng)用[J].船舶，2004(1)：18.

[2] 鐘于祥.錨泊船舶出鏈長度及張力估算[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，13(3)：3-4.

[3] 張養(yǎng)利，王連昌，李文潮，張改英.懸鏈線微分方程的另一種解法[J].第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(1)：41.

[4] 李世謨.船舶阻力[M].北京：人民交通出版社，1989：112-113,158.