沈文君，高　峰，譚忠華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

LNG船泊位長(zhǎng)度優(yōu)化分析

沈文君，高峰，譚忠華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

摘要：以某LNG船為例，以降低船舶運(yùn)動(dòng)量、均衡系泊索張力和減少斷纜危險(xiǎn)為目標(biāo)，分析開(kāi)敞式碼頭系泊安全影響因素及泊位長(zhǎng)度。選取4種碼頭長(zhǎng)度，進(jìn)行多組不同波浪周期橫浪作用下纜繩張力及船舶運(yùn)動(dòng)量的數(shù)值計(jì)算，分析船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜拉力，提出較為適宜的碼頭長(zhǎng)度。

關(guān)鍵詞：泊位長(zhǎng)度；數(shù)值計(jì)算；系纜拉力

為了滿(mǎn)足大型船舶的?？恳?，大型泊位一般建在開(kāi)敞和半開(kāi)敞的深水水域。開(kāi)敞碼頭設(shè)計(jì)最首要的問(wèn)題就是確定碼頭長(zhǎng)度，國(guó)內(nèi)外對(duì)碼頭長(zhǎng)度的計(jì)算方法在規(guī)范上相差較大[1]。合理的泊位長(zhǎng)度對(duì)于約束系泊船舶的運(yùn)動(dòng)、均勻分布并降低系纜力很重要，也有利于降低工程投資并減少占用稀缺的岸線(xiàn)資源[2]。近年來(lái)這方面的研究工作集中在采用物理模型試驗(yàn)方法或數(shù)值計(jì)算方法對(duì)港口內(nèi)系泊船舶的運(yùn)動(dòng)及系纜布置優(yōu)化[3-6]。本文針對(duì)一系列碼頭長(zhǎng)度，以減小系泊船舶運(yùn)動(dòng)量和均化系纜力為目標(biāo)，分析討論泊位長(zhǎng)度與船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力的關(guān)系，為碼頭系泊提供更合理的布置方案。

1軟件介紹

計(jì)算采用的軟件是Alkyon公司開(kāi)發(fā)的SHIP-MOORING軟件， 可計(jì)算多種外界作用，包括波浪激振力、水動(dòng)力、水靜力、風(fēng)荷載、水流力及纜繩力等。對(duì)于波浪激振力可以計(jì)算不同形式的波，包括一階不規(guī)則波，二階長(zhǎng)波，微幅波漂移力等。按照護(hù)舷三維的實(shí)際作用點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，而不是象通常的做法那樣把防護(hù)舷當(dāng)作一維作用力處理，受力計(jì)算會(huì)隨船舶位置變化而變化。同時(shí)，軟件可以計(jì)算船上任意一點(diǎn)的位移、速度、加速度。該軟件采用三維勢(shì)流理論，對(duì)護(hù)舷剛度進(jìn)行建模時(shí)，可以考慮橡膠護(hù)舷的非線(xiàn)性剛度，通過(guò)護(hù)舷的剛度曲線(xiàn)來(lái)定義護(hù)舷的剛度。將碼頭安裝橡膠護(hù)舷的位置設(shè)定為固定端，通過(guò)將橡膠護(hù)舷設(shè)成彈簧裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞的模擬。本項(xiàng)目基于三維勢(shì)流理論，對(duì)船舶系泊碼頭的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬及分析，研究系泊過(guò)程中的系泊力、波浪載荷及橡膠護(hù)舷的碰撞力，計(jì)算過(guò)程中未考慮碼頭的變形，將其視為剛體，充分考慮船舶與碼頭護(hù)舷能量的消耗特性，對(duì)船舶系泊過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。

2坐標(biāo)系及碼頭布置

采用2個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，1個(gè)是地球固定坐標(biāo)系；1個(gè)是船體坐標(biāo)系。如圖1所示。

圖1　船體坐標(biāo)系示意

本次計(jì)算共包括370，390，410和430 m 4個(gè)長(zhǎng)度(碼頭最外側(cè)系纜點(diǎn)間距)方案，不同泊位長(zhǎng)度系纜墩的布置參數(shù)見(jiàn)表1和圖2。其中：Lb為碼頭總長(zhǎng)度；D1、D2為系纜墩之間的距離。采用442的系纜方式，對(duì)比不同泊位長(zhǎng)度的結(jié)果。

表1　不同泊位長(zhǎng)度系纜墩的布置參數(shù)　m

圖2　不同泊位長(zhǎng)度系纜墩的布置示意

3計(jì)算條件

3.1船舶模型

計(jì)算對(duì)象為26.6×104m3LNG船，長(zhǎng)345 m，型寬53.8 m，型深27 m，滿(mǎn)載吃水12.2 m，排水量為 185 000 t。

3.2護(hù)弦及纜繩的模擬

在4個(gè)靠船墩上分別布置SUC2250H 2鼓1板低反力型橡膠護(hù)舷，其單鼓設(shè)計(jì)反力為2 126 kN，最大反力2 260 kN，設(shè)計(jì)吸能量2 101 kN·m，最大吸能量2 224 kN·m。

采用直徑75 mm尼龍纜，其單根破斷力為1 000 kN，系纜方式為442，即艏、艉纜各3根，艏艉橫纜各4根，艏艉倒纜各2根。纜繩初始力設(shè)定100 kN。

3.3動(dòng)力條件

波高0.8 m，波浪周期6～36 s，入射角90°。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1泊位長(zhǎng)度對(duì)運(yùn)動(dòng)量的影響

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同泊位長(zhǎng)度下，系泊纜繩在垂蕩、橫搖和縱搖3個(gè)方向上的回復(fù)剛度差別不大，3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量差別不顯著，見(jiàn)圖3～8?？v蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量差別比較明顯。

由圖3～5可見(jiàn)，不同泊位長(zhǎng)度的縱蕩運(yùn)動(dòng)量隨著波浪周期的變化趨勢(shì)大體相同。隨著泊位長(zhǎng)度的增加，縱蕩運(yùn)動(dòng)總體上逐漸減小。這是因?yàn)轸剪豪|和橫纜在縱向上的受力逐漸增大，約束增強(qiáng)，進(jìn)而縱蕩運(yùn)動(dòng)量減小。而橫蕩方向的運(yùn)動(dòng)量隨著泊位長(zhǎng)度的增有逐漸增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著泊位長(zhǎng)度的增加，艏艉纜和橫纜與碼頭軸線(xiàn)的夾角逐步變大，其在橫向上的回復(fù)剛度有變小的趨勢(shì)，導(dǎo)致橫蕩運(yùn)動(dòng)逐步變大。

圖3　不同泊位長(zhǎng)度時(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)量的比較

圖4　不同泊位長(zhǎng)度時(shí)橫搖運(yùn)動(dòng)量的比較

圖5　不同泊位長(zhǎng)度時(shí)縱搖運(yùn)動(dòng)量的比較

圖6　不同泊位長(zhǎng)度時(shí)縱蕩運(yùn)動(dòng)量的比較

圖7　不同泊位長(zhǎng)度時(shí)橫蕩運(yùn)動(dòng)量的比較

圖8　不同泊位長(zhǎng)度時(shí)艏搖運(yùn)動(dòng)量的比較

艏搖運(yùn)動(dòng)隨著泊位長(zhǎng)度的變化也有較大的變化，但規(guī)律與縱蕩運(yùn)動(dòng)和橫蕩運(yùn)動(dòng)又有一些差別。

由圖8可見(jiàn)，艏搖運(yùn)動(dòng)隨著泊位長(zhǎng)度的增加先減小后增大。泊位長(zhǎng)度在370～410 m變化時(shí)，多數(shù)周期的艏搖運(yùn)動(dòng)隨著泊位長(zhǎng)度的增大而減小，而泊位長(zhǎng)度增加到430 m，艏搖運(yùn)動(dòng)又增大很多。

4.2泊位長(zhǎng)度對(duì)系纜力的影響

由于船舶受到橫浪作用，倒纜受到的拉力與艏艉纜、艏艉橫纜相比較小，因此在此只是對(duì)艏艉纜和橫纜纜力間的不均勻性進(jìn)行分析。不同泊位長(zhǎng)度下纜繩之間的不均勻系數(shù)與周期變化見(jiàn)圖9。從圖9可看出，隨著泊位長(zhǎng)度的增加，大多數(shù)工況下，二者之間的不均勻系數(shù)逐漸變大。

圖9　不同泊位長(zhǎng)度下的不均勻系數(shù)對(duì)比

圖10～13為不同泊位長(zhǎng)度下艏纜、艏橫纜、艉橫纜即艉纜拉力的比較。由圖可見(jiàn)橫浪作用下，當(dāng)泊位長(zhǎng)度縮短時(shí)，橫纜力呈減小的趨勢(shì)，而艏艉纜呈增大的趨勢(shì)，同樣說(shuō)明艏艉纜力能隨著泊位長(zhǎng)度的縮短，能分擔(dān)更多的橫纜力。艏艉纜和橫纜之間的不均勻系數(shù)也是泊位長(zhǎng)度越短則越小，此時(shí)，370 m長(zhǎng)度最優(yōu)，碼頭船長(zhǎng)比為1.07。

圖10　不同泊位長(zhǎng)度下的艏纜拉力對(duì)比

圖11　不同泊位長(zhǎng)度下的艏橫纜拉力對(duì)比

圖12　不同泊位長(zhǎng)度下的艉橫纜拉力對(duì)比

圖13　不同泊位長(zhǎng)度下的艉纜拉力對(duì)比

5結(jié)論

1)在橫浪作用下，垂蕩、橫搖和縱搖在不同碼頭長(zhǎng)度下運(yùn)動(dòng)量差別非常小， 而另外3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量則差別較大。

2)縮短泊位長(zhǎng)度有利于限制橫向運(yùn)動(dòng)量，但不利于縱向運(yùn)動(dòng)量的約束。同時(shí)，當(dāng)縮短泊位長(zhǎng)度時(shí)，纜繩間的不均勻系數(shù)會(huì)減小。

3)較短的泊位長(zhǎng)度有利于橫蕩運(yùn)動(dòng)的約束和纜力間的均勻化，但當(dāng)流速較大時(shí)，也應(yīng)該考慮約束縱蕩運(yùn)動(dòng)，因此泊位長(zhǎng)度不能太短。鑒于計(jì)算結(jié)果，考慮370～390 m的泊位長(zhǎng)度較為適宜。

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Numerical Optimization of Berth Length on a Moored LNG Vessel

SHEN Wen-jun, GAO Feng, TAN Zhong-hua

(Tianjin Research Institute for Water Transport engineering, National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology, Tianjin 300456, China)

Abstract:In order to improve the motion performance of a moored vessel, balance the mooring line tension and reduce the risk of breaking mooring, the berth length optimization is carried out numerically for a LNG vessel. Four plans of the berth length is taken into consideration, the mooring line tension and vessel movement are calculated under the beam wave with different periods. After analysis of the numerical results, the more suitable berth length is put forward.

Key words:Berth length; numerical simulation; mooring tension

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.039

收稿日期：2015-10-29

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(tks130203)

第一作者簡(jiǎn)介：沈文君(1984—)，女，博士，副研究員 E-mail:bettyshen1984@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0177-04

修回日期：2015-11-16

研究方向:浮體結(jié)構(gòu)系泊動(dòng)力響應(yīng)