陳　奇，鄭寶友，唐志波（.浙江海洋學院海運與港航建筑工程學院，浙江舟山　360；.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津　300456）

纜繩初張力對系泊船舶的影響

陳奇1，鄭寶友2，唐志波1
（1.浙江海洋學院海運與港航建筑工程學院，浙江舟山316022；
2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

以某開敞式LNG接收站碼頭工程為例，通過系泊船物理模型實驗，在不同纜繩初張力下，針對26.6萬m3和17.7萬m3兩種LNG船型進行了多種環(huán)境載荷下的纜繩張力和船舶運動量研究。以減小系泊船舶運動量和均勻化各纜力為優(yōu)化目標，對不同初張力下LNG船舶系泊狀態(tài)時的運動量和系纜力以及纜力均勻性進行了分析，為碼頭工程設計提供了依據(jù)。

系泊船舶；初張力；運動量；系纜力；系纜力分布

船舶的系泊條件一直是港口設計和使用過程中比較關心的問題，特別是近年來隨著港口建設的發(fā)展，開敞式碼頭逐漸增多，且均具有大型化、深水化特征，停泊區(qū)普遍存在浪大、流急的情況，對碼頭船舶的停泊條件提出了挑戰(zhàn)。對于船舶系泊問題，通常是利用物理模型試驗對實際情況進行模擬，得到所需參數(shù)為實際工程提供系泊條件，而達到優(yōu)化系泊系統(tǒng)的有效途徑就是調整系纜方式，其中包括系纜數(shù)量、纜繩初張力等因素。其中纜繩初張力是指通過船舶纜繩卷揚機（或其它調整纜繩的松緊程度的機械系統(tǒng)）人工加載于纜繩的力，主要用來控制船舶泊穩(wěn)。纜繩初張力不同時，船舶在環(huán)境動力作用下的運動狀態(tài)將有一定的差別，進而導致纜繩張力的變化。合理的纜繩初張力能有效減少船舶的運動量，均勻各個纜繩受力。

本文通過水池物理模型實驗，以減小系泊船舶運動量和均勻化各纜力為優(yōu)化目標，針對26.6萬m3和17.7萬m3兩種LNG船型在不同纜繩初張力下，在風、浪、流環(huán)境載荷下的纜繩張力和船舶運動量進行研究，為碼頭工程設計提供了依據(jù)。

1　實驗條件和內容

1.1實驗條件1.1.1實驗船型

設計船型為26.6萬m3和17.7萬m3，船型主尺度見表1。

表1　試驗船型主尺度表Tab.1　Principle dimensions of test vessel

1.1.2纜繩布置

采用3-3-2-2的布纜方式，8個系纜墩上分別布置1 500 kN（三鉤）快速脫纜鉤。系纜纜繩采用高分子量高密度聚乙烯纜（HMPE）及11 m長的尼龍纜尾索。

1.1.3實驗水位

設計高水位4.71 m。

截止隨訪日期，共納入的62例前列腺癌患者，中位總生存時間（median overall survival，mOS）為（13.68±5.79）月，中位無進展生存期時間（median progression free survival，mPFS）為（7.19±3.93）月，患者10個月的生存率為74.2%、15個月的生存率為38.7%、20個月的生存率為14.5%?？偵鏁r間（OS）曲線見圖1，表明患者總的生存率隨時間的推進而逐漸降低；無進展生存期時間（PFS）曲線見圖2，表明患者總的無進展生存率隨時間的推進而逐漸降低。

1.1.4系泊工況

纜繩初張力為140 kN和100 kN兩種情況；風速20 m/s，吹開風90°；流速V=0.11 m/s，與碼頭呈8°夾角；波高H4%=1.5 m周期分1.2 s和1.5 s兩種，橫向浪90°。

1.2實驗內容

測定在風、浪、流耦合作用下兩種船型在140 kN和100 kN兩種不同初張力下船舶的運動量、纜繩的受力情況以及受力均勻性。

2　模型概況

2.1模型設計

由于碼頭區(qū)域海底地形平緩，根據(jù)試驗要求，不考慮地形影響，模型地型取平底.碼頭等水工建筑物到造波機的距離大于6～7倍波長，建筑物兩側垂直波向的方向上取3～6倍波長，兩側邊界在不影響水流處設直立吸收式導波設施，防止波能橫向擴散。波浪傳播末端的開邊界水域設消波裝置。

2.2船舶模擬

按照波浪模型實驗規(guī)程要求，實驗模型比尺取為1：60。模型按重力相似設計滿足以下條件：①幾何相似：模型船與原型船保持線性尺度相似；②靜力相似：采用配重方法，在適當位置放置適當?shù)闹匚?，使其符合不同載重時的重量及其分布要求，并保證重心的縱向和垂向位置相似；③動力相似：對船模的質量慣性矩進行校準，保證其橫搖及縱搖周期符合相似條件。

2.3纜繩模擬

纜繩的模擬主要考慮：①幾何相似，即原模型船舶上帶纜點和碼頭上帶纜點之間的距離相似；②彈性相似，即原模型纜繩受力-變形曲線滿足相似條件。模擬時，將艏艉纜、艏艉橫纜和艏艉倒纜中的各根纜合并進行模擬。纜繩的受力-變形關系按Wilson經(jīng)驗公式計算：

式中：Tm為模型纜繩拉力（N）；Cp為原型纜繩彈性系數(shù)，無實測值時，尼龍纜取Cp=1.540×104MPa；dp為原型纜繩直徑（m）；△S/S為原型纜繩相對伸長；n為指數(shù)，纜繩為尼龍時n=3；λ為模型長度比尺。

2.4護舷模擬

護舷模型主要模擬護舷的反力-變形曲線相似。試驗中，每個系靠船墩上安裝1個護舷模型，4個系靠船墩共安裝4個。SUC2500H一鼓一板低反力型橡膠護舷的模擬結果如圖1，圖中紅色是設計護舷曲線，黑色是模擬護舷曲線，從中可知模擬效果較好。

圖1　護舷模擬結果Fig.1　Simulation result of fender

3　實驗設備和方法

3.1實驗設備

試驗在波浪水池中進行，該水池長40 m，寬30 m，深1.0 m。水池中配備不規(guī)則波造波機，可產(chǎn)生試驗要求的不規(guī)則波浪，并設置了一定數(shù)量的潛水泵和相應配套回水廊道，使之構成可控生流系統(tǒng)，可在水池中產(chǎn)生所要求的恒定水流。

波高測試系統(tǒng)采用SG2000型波浪試驗測試系統(tǒng)，其波高傳感器安裝在測架上可根據(jù)試驗觀測需要，放置于模型水域中所關心的位置，并根據(jù)試驗的實際情況進行調整，以確保捕捉到大波。系纜力和撞擊力測量采用水工船模力綜合測試系統(tǒng)（TSG-2008）。水流測量采用多普勒三維流速測試系統(tǒng)。風速測量采用熱線風速風量傳感器。船舶運動量測量采用FL-NH型非接觸式船模運動量測試系統(tǒng)。

3.2實驗方法

試驗時不規(guī)則波連續(xù)采集的波浪個數(shù)大于100個，采樣時間間隔為0.02 s，小于有效波周期的1/10，每組試驗均重復3次以上，取每組最大值的平均值作為最終結果。船舶的6個運動量均指所采集的運動量時間歷程中各個峰、谷值中絕對值最大者，亦即船重心離開平衡位置的最大值。對于纜繩，每組纜繩是由2根或3根纜繩合并成一根進行模擬，表3所示為每組纜繩中單根纜繩的系纜力，忽略了每組中單根纜繩系纜力的不均勻性。

4　實驗結果及分析

4.1初張力對系泊船舶運動量的影響

表2列出了兩種船型不同初始力時的最大運動量。試驗表明，初始力增大后，纜繩對船舶的束縛能力增強，當相同動力條件時，采用140 kN初始力的船舶運動量比100 kN時的整體上有減小趨勢。

表2　兩種不同初張力下LNG船的運動量最大值Tab.2 Maximum displacement of LNG ship in two different initial tension

4.2預張力對系纜力的影響

表3列出了兩種船型不同初始力時的最大單根系纜力對比情況。試驗表明：初始力增大，系纜力略有增大，可能是纜繩彈性變小的緣故，但由于初始力增大，船舶運動量有所減小，也會使得系纜力減小，因此初始力增大對系纜力的影響是兩者綜合作用的結果，比較復雜，初始力的選擇，應主要參考運動量的變化以及船舶自身條件而確定。

表3　兩種不同初張力下LNG船的系纜力最大值（kN）Tab.3　Maximum mooring force of LNG ship in two different initial tension

4.3預張力對系纜力分布的影響

定義船舶系纜力分布系數(shù)η：

式中：Fmin為所有纜繩中受力最小的纜力值（kN）；F為各位置纜繩的纜力值（kN）。

表4列出了在兩種不同纜繩初張力時的系纜力分布系數(shù)η的統(tǒng)計結果。從表中可以看出，纜繩初張力增大時，η值相對較小，表明適當增加纜繩初張力可在一定程度上使纜繩張力分布均勻化。

表4　兩種不同初張力下LNG船各位置纜繩的η比較Tab.4　η of various mooring lines in two different initial tension

5　結語

隨著船舶大型化、專業(yè)化以及開敞式碼頭的增多，船舶系、靠泊安全日益受到重視。LNG船由于其高危險性，安全性要求極高，通過物理模型試驗研究LNG船系、靠泊安全條件十分必要。本次試驗較好的模擬了兩種不同初張力對系泊LNG船的影響，但由于模擬方法仍與實際引航靠泊情況有一定差距，也未對其他的初張力以及工況進行研究，因此研究成果有一定的局限性，需要實際工程的檢驗。

［1］郭劍峰，李焱，高峰，等.LNG船舶靠泊對護舷的撞擊力實驗分析［J］.水道港口，2011，32（1）：24-27.

［2］李焱，鄭寶友，高峰，等.流浪作用下系泊船舶撞擊力和系纜力實驗研究［J］.海洋工程，2007，25（2）：57-63.

［3］時恩哲，裴玉國，羅立群.開敞式碼頭泊位長度優(yōu)化實驗研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2011，19（6）：894-899.

Effect of Initial Tension on Mooring Vessel

CHEN Qi1，ZHENG Bao-you2，TANG Zhi-bo1
（1.School of Shipping and Ports Architecture Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

Based on physical model tests of an open sea LNG receiving terminal，a research aiming at the motions and mooring line tensions of the 26.6×104m3and 17.7×104m3liquefied natural gas（LNG）carrier was carried out using the way of different initial tension in a physical model test.A initial tension optimization plan was put forward focuses on reducing vessel movements and averaging line tensions distribution after analyzing different initial tension schemes，which scientific basis for the project designing.

mooring vessel；initial tension；vessel movement；line tension；line tensions distribution

U661.7

A

1008-830X（2015）04-0354-04

2014-06-10

中央級公益性科研院所專項資金項目（tks130203）

陳奇（1988-），男，浙江岱山人，碩士研究生，研究方向：船舶現(xiàn)代設計技術.E-mail：771829811@qq.com