單鐵兵，潘方豪，鄒 雯，金海豐

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船旁靠系泊特性研究

單鐵兵，潘方豪，鄒 雯，金海豐

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

針對(duì)遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船進(jìn)行旁靠作業(yè)時(shí)，水動(dòng)力干擾、兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、旁靠系纜系統(tǒng)和護(hù)舷系統(tǒng)的受力特征等問題開展研究。建立各船的有限元模型，設(shè)計(jì)出兩船旁靠連接纜系統(tǒng)，選取合適的系泊纜和護(hù)舷參數(shù)。研究表明：浮式結(jié)構(gòu)物和供應(yīng)船的橫蕩、縱蕩方向存在一定的同步性或跟隨性，幅值相差不大，其它方向的運(yùn)動(dòng)并不存在明顯的同步特征；供應(yīng)船的各自由度運(yùn)動(dòng)幅值均比浮式結(jié)構(gòu)物偏大；旁靠護(hù)舷的受力時(shí)歷出現(xiàn)了明顯的低頻效應(yīng)，說明護(hù)舷的受力較大程度上受船體低頻慢漂運(yùn)動(dòng)的影響；浮式結(jié)構(gòu)物對(duì)供應(yīng)船的水動(dòng)力干擾較大，當(dāng)浮式結(jié)構(gòu)物在供應(yīng)船的上風(fēng)位置時(shí)，表現(xiàn)為屏蔽效應(yīng)，供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)較??；在其背風(fēng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)加劇，出現(xiàn)多次共振、峰值放大現(xiàn)象，供應(yīng)船對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能幾乎無影響，因此，供應(yīng)船從浮式結(jié)構(gòu)物的下風(fēng)口一側(cè)靠泊作業(yè)將更有利于船舶的安全性能。這些研究結(jié)論可為實(shí)際工程操作提供參考。

旁靠系泊；水動(dòng)力干擾；護(hù)舷；屏蔽效應(yīng)；低頻效應(yīng)

遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船采用旁靠方式卸載貨物，通過系泊纜與橡膠護(hù)舷連在一起，將供應(yīng)船上的貨物、設(shè)備、淡水、燃油等卸載至浮式結(jié)構(gòu)物上，是一種應(yīng)用廣泛的作業(yè)方式。遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船的旁靠作業(yè)屬于多浮體干擾問題，兩者之間的水動(dòng)力干擾和耦合運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，尤其當(dāng)兩船距離很近時(shí)，該擾動(dòng)現(xiàn)象更為明顯，兩船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加劇，對(duì)貨物的調(diào)運(yùn)、卸載帶來較大的安全隱患[1]。多船旁靠作業(yè)的安全性受環(huán)境條件，各船噸位，間距，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旁靠纜繩數(shù)目、直徑、材質(zhì)、預(yù)張力，布置方式以及護(hù)舷屬性等多種因素的影響。研究?jī)纱鳂I(yè)的水動(dòng)力性能、運(yùn)動(dòng)以及旁靠系泊布置特性將為浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船實(shí)際靠泊作業(yè)提供重要的參考依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者在浮體間的水動(dòng)力影響、旁靠作業(yè)系纜方式等方面開展了相關(guān)研究。Kim[2]采用時(shí)域方法分析多浮體之間的水動(dòng)力干擾效應(yīng)，并考慮了船體之間的系纜方式。Koo等[3]基于時(shí)域耦合方法，研究了附加質(zhì)量、阻尼等位于對(duì)角線上的影響系數(shù)對(duì)兩浮體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，兩船采用旁靠系泊方式開展卸載作業(yè)。Hong等[4]采用高階邊界元與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了LNG FPSO,LNGC以及穿梭油輪旁靠作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)和二階慢漂載荷特征，各船之間的帶纜方式較為簡(jiǎn)單，主要側(cè)重點(diǎn)集中在多船之間的干擾問題，結(jié)果表明：多船之間的水動(dòng)力干擾效應(yīng)對(duì)船體的運(yùn)動(dòng)影響較大，當(dāng)船體之間的距離較小時(shí)尤為如此。張普杰等[5]對(duì)LNG船與LNG-FSRU并靠作業(yè)時(shí)，多浮體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、旁靠系纜張力、護(hù)舷反力等進(jìn)行了數(shù)值研究，研究表明：多浮體之間的相互水動(dòng)力系數(shù)與單船狀態(tài)存在一定區(qū)別，當(dāng)頻率大于某一值時(shí)，兩船之間存在很大的相互排斥的橫向波漂力。徐喬威等[6]對(duì)LNG船旁靠FLNG卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能開展了物理模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩船的艏搖一致性良好，橫蕩和縱蕩存在較明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)和波浪的夾角變化對(duì)兩船相對(duì)運(yùn)動(dòng)和旁靠系統(tǒng)所承受的載荷具有一定影響。

該文基于水動(dòng)力軟件HYDROSTAR和系泊分析程序“ARIANE”，對(duì)遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船在旁靠作業(yè)狀態(tài)時(shí)的RAO響應(yīng)、水動(dòng)力響應(yīng)曲線、兩船相對(duì)運(yùn)動(dòng)、旁靠連接纜和護(hù)舷的受力等特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，為實(shí)際工程操作提供有價(jià)值的參考。

1 分析方法和理論

遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船之間旁靠作業(yè)特征的分析主要由“水動(dòng)力頻域計(jì)算”和“系泊定位計(jì)算”兩部分組成。Hydrostar程序主要獲得不同浪向、頻率作用下，考慮兩船干擾效應(yīng)時(shí)各船的水動(dòng)力性能，如運(yùn)動(dòng)RAO、附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力等。

各船體速度勢(shì)Φ滿足的邊界條件如下所示[7]：

2Φ=0(Laplace方程)

(6)

各船在微幅波作用下的六自由度運(yùn)動(dòng)[8]可表示為：

HYDROSTAR中，采用中場(chǎng)積分方法計(jì)算各船的二階低頻慢漂載荷。中場(chǎng)積分方法的原理為：在船體周圍一定距離處建立一個(gè)控制面，應(yīng)用高斯定理將船體表面壓力積分轉(zhuǎn)換到控制面和自由表面上積分。船體水平方向上的二階慢漂載荷的計(jì)算公式為：

(9)

式中：C為控制面；ΓC為控制面與自由面相交的曲線。

遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物、供應(yīng)船的低頻運(yùn)動(dòng)可通過下式求解[9]：

式中：m為船體質(zhì)量；Δmx，Δmy和ΔIψψ分別為x、y和Ψ方向的附加質(zhì)量或附加慣性矩；Bxx，Byy和Bψψ為三個(gè)方向的阻尼系數(shù)；Kxx，Kyy和Kψψ為三個(gè)方向的剛度系數(shù)；xG，yG和ΨG為船體重心位置處的橫蕩運(yùn)動(dòng)，縱蕩運(yùn)動(dòng)和艏搖運(yùn)動(dòng)；Fx(t)，F(xiàn)y(t)和Mψ(t)為船體所受的外載荷。

式中：Ffx(t)、Ffy(t)和Mfψ(t)為一階波浪力或力矩；Fsx(t)、Fsy(t)和Msψ(t)為二階慢漂波浪力或力矩；Fcx(t)、Fcy(t)和Mcψ(t)為流載荷；Fwx(t)、Fwy(t)和Mwψ(t)為船體所受的風(fēng)載荷；Fmx(t)、Fmy(t)和Mmψ(t)為旁靠連接纜和FPSB系泊定位纜繩的張力和力矩；Fpx(t)、Fpy(t)和Mpψ(t)為兩船之間護(hù)舷對(duì)船體的作用力。

此外，船體還受到波頻運(yùn)動(dòng)的影響。船體重心位置處，相對(duì)平衡位置的波頻運(yùn)動(dòng)時(shí)歷為：

式中：R*和R**分別為船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的同相位和反相位幅值，βH為入射角度，XG和YG為船體重心處的平衡位置。

各船重心處總的運(yùn)動(dòng)位移由平均、低頻和波頻位移組成，將該運(yùn)動(dòng)位移加至系泊定位纜或旁靠連接纜的頂端，可計(jì)算出系泊纜各處的張力。

2 船體及系泊系統(tǒng)

2.1兩船水動(dòng)力模型

研究作業(yè)水深為1 000 m時(shí)，遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船之間的旁靠系泊特性，兩船的主要參數(shù)見表1所示。

采用HYDROSTAR軟件計(jì)算浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船旁靠時(shí)，各船的水動(dòng)力系數(shù)、一階波浪力、船體運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)等。其中，遭遇浪向?yàn)?～180°，中間間隔15°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據(jù)兩船型線圖建立的面元模型如圖1所示。采用中場(chǎng)積分方法獲得各船的二階波浪漂移力，在船體周圍一定距離處建立一個(gè)控制面，應(yīng)用高斯定理將船體表面壓力積分轉(zhuǎn)換到控制面和自由表面上積分，中場(chǎng)積分的控制面網(wǎng)格分布如圖2所示。

參考Chen等[10]，勢(shì)流軟件HYDROSTAR中FPSB與供應(yīng)船之間的波面耗散系數(shù)選為0.053。

表1 浮式結(jié)構(gòu)物和供應(yīng)船的主要參數(shù)Tab.1 Main dimensions of floating structures and supply ship

圖1 水面以下網(wǎng)格模型Fig.1 Mesh model under water surface

圖2 中場(chǎng)公式的控制面網(wǎng)格Fig.2 Control surface grid with middle-field formulation

2.2系泊參數(shù)

浮式結(jié)構(gòu)物采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，該系統(tǒng)共有12根系泊纜，分為4組，每組3根，每一組內(nèi)相鄰兩根系泊纜之間的夾角為5°，3#與Y軸的夾角為50°。供應(yīng)船與浮式結(jié)構(gòu)物旁靠作業(yè)時(shí)，通過12根纜繩綁定，兩船之間采用四個(gè)“高壓充氣橡膠護(hù)舷”以防止兩船直接發(fā)生碰撞。

浮式結(jié)構(gòu)物的系泊定位纜繩以及其與供應(yīng)船之間旁靠綁定纜繩的編號(hào)如圖3所示。系泊定位纜繩的編號(hào)從1#～12#變化。浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船之間的綁扎纜繩從13#～22#變化，12根纜繩分為4組，即：船首部3根，稱為艏纜；中部靠近首部2根，稱為倒纜；中部靠近尾部2根，稱為倒纜；船尾部3根，稱為尾纜。

圖3 旁靠系纜系統(tǒng)布置Fig.3 Arrangement plan of side-by-side mooring system

旁靠系纜均為8股丙綸長(zhǎng)絲纖維纜繩，直徑D為120 mm，單位長(zhǎng)度質(zhì)量為6.825 kg/m，破斷負(fù)荷為1 756 kN，纜繩編號(hào)從尾部開始，13#變化至22#，各根纜繩預(yù)張力為175.6 kN，取破斷負(fù)荷的10%。其伸長(zhǎng)率與最小破斷負(fù)荷之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 纜繩伸長(zhǎng)率與最小破斷率的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of line elongation and minimum breaking rate

2.3護(hù)舷設(shè)備選型

選用高壓充氣橡膠護(hù)舷作為浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船之間的護(hù)舷設(shè)備，根據(jù)沖擊能量選取碰墊設(shè)備[11]，船舶運(yùn)動(dòng)的沖擊能量E由下式計(jì)算：

式中：V為兩船相對(duì)靠泊的速度(m/s)；W為船舶與船舶橫向靠泊時(shí)的假想質(zhì)量(t)，按下式計(jì)算：

式中：WA、WB分別為A船和B船的假想質(zhì)量；WA1、WA2分別為A船滿載排水量和附加質(zhì)量；WB1、WB2分別為B船滿載排水量和附加質(zhì)量。

通過計(jì)算，可知E為272 195 J，選取護(hù)舷為高壓充氣橡膠護(hù)舷。利用壓縮空氣來吸收沖擊能量，通過查表，獲得目標(biāo)護(hù)舷的直徑、長(zhǎng)度分別為2.0 m和3.5 m，數(shù)量共為4個(gè)，分別布置于首尾部分，每個(gè)護(hù)舷在變形60%時(shí)，達(dá)到壓力極限。護(hù)舷的變形和反力曲線，護(hù)舷的布置位置分別如圖5和6所示。

圖5 變形-反力曲線Fig.5 Curve of deformation and react force

圖6 旁靠護(hù)舷的布置位置Fig.6 Arrangement of side-by-side fender

3 環(huán)境條件與計(jì)算工況

兩船旁靠作業(yè)時(shí)，服役海況環(huán)境條件參數(shù)如表2所示，風(fēng)、浪、海流同向。在系泊定位分析計(jì)算時(shí)，頻譜形式為JONSWAP譜，形狀參數(shù)為2.0。

表2 環(huán)境條件參數(shù)Tab.2 Parameter of environmental condition

4 數(shù)值計(jì)算及分析

基于系泊分析軟件“ARIANE”，建立了浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船旁靠系泊系統(tǒng)的數(shù)值模型，如圖7所示。采用ARIANE軟件對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船之間的旁靠作業(yè)開展系泊分析?？疾觳煌讼蛳?，船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)偏移、兩船各纖維纜繩的張力和護(hù)舷作用力特征。

圖7 旁靠系泊分析計(jì)算模型Fig.7 Calculation model of side-by-side mooring analysis

4.1水動(dòng)力響應(yīng)曲線分析

圖8～圖11顯示的是兩船旁靠、單船體情況時(shí)，各船運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比。從圖中可以看出：

1)浮式結(jié)構(gòu)物對(duì)供應(yīng)船的水動(dòng)力干擾較大，當(dāng)供應(yīng)船在浮式結(jié)構(gòu)物的下風(fēng)位置時(shí)(如270°)，表現(xiàn)為屏蔽效應(yīng)，供應(yīng)船各自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均比單船體時(shí)偏?。划?dāng)供應(yīng)船處于浮式結(jié)構(gòu)物的上風(fēng)位置時(shí)(如90°)，運(yùn)動(dòng)加劇，同時(shí)出現(xiàn)多次共振、峰值放大現(xiàn)象，兩船擾動(dòng)對(duì)供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)呈現(xiàn)明顯影響。

2)相比單船作業(yè)，兩船旁靠作業(yè)過程中，供應(yīng)船遭遇的水動(dòng)力干擾頻率范圍更廣，峰值更大。

3)由于供應(yīng)船的噸位、水線面以及吃水等較小，其對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能幾乎無影響。

圖8 供應(yīng)船橫搖運(yùn)動(dòng)Fig.8 Roll motion of supply ship

圖9 供應(yīng)船縱搖運(yùn)動(dòng)Fig.9 Pitch motion of supply ship

圖10 浮式結(jié)構(gòu)物橫搖運(yùn)動(dòng)Fig.10 Roll motion of FPSB

圖11 浮式結(jié)構(gòu)物縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.11 Pitch motion of FPSB

4.2兩船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特征

圖12顯示的是兩船相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值(兩船相對(duì)運(yùn)動(dòng)=浮式結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)-供應(yīng)船運(yùn)動(dòng))，從圖中可以看出：

1)整體上來看，兩船的橫蕩相對(duì)運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)地位，尤其風(fēng)浪流為45°～90°區(qū)間內(nèi)，此時(shí)的風(fēng)浪流載荷較大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值比縱蕩更明顯，最大值接近1 m。若橫蕩超過旁靠作業(yè)限制，可增大兩船之間的系泊纜預(yù)張力，能有效降低相對(duì)橫蕩幅值，但需注意的是，該方法將增大纖維纜繩的受力，有超過安全系數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，此外，該措施還可能會(huì)增加護(hù)舷的撞擊力。

2)兩船在橫搖、縱搖和艏搖的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其它三個(gè)方向類似，縱搖和艏搖基本隨來流角度的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；橫搖則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在90度達(dá)到最大，約為2.2°。

3)從相對(duì)運(yùn)動(dòng)來看，270°～360°時(shí)，兩船各自由度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)比0～90°的情況更小，因此，在旁靠作業(yè)時(shí)，若環(huán)境方向已確定，供應(yīng)船應(yīng)從浮式結(jié)構(gòu)物的下風(fēng)口一側(cè)進(jìn)行靠泊作業(yè)，更有利于船舶的安全性能。

圖12 兩船各自由度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度分布特性Fig.12 Distribution features of relative motion at each DOF

從圖13可以看出，浮式結(jié)構(gòu)物的縱蕩、橫蕩的自由度運(yùn)動(dòng)和供應(yīng)船之間存在一定的同步性或跟隨性；但在縱搖、橫搖以及垂蕩角度下，并不存在所謂的同步運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，兩船具有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該現(xiàn)象與徐喬威等對(duì)LNG旁靠FLNG的模型試驗(yàn)[6]結(jié)論一致。通過數(shù)值分析可知：

1) 兩船縱蕩運(yùn)動(dòng)相位(即步調(diào))高度一致，幅值相差也不大；橫蕩方面，由于充氣護(hù)舷的影響，其沿垂向的彈力將對(duì)兩船的運(yùn)動(dòng)幅值產(chǎn)生影響，因此兩者幅值存在稍許差距，但橫蕩的相位基本一致；在艏搖方向，浮式結(jié)構(gòu)物的艏搖曲線呈現(xiàn)低頻特性，而供應(yīng)船則表現(xiàn)為波頻特征，兩者響應(yīng)平均位置基本一致，但在脈動(dòng)幅值和相位上均存在一定差別。造成該現(xiàn)象的原因在于：兩者的系泊定位方式并不相同，導(dǎo)致系統(tǒng)的艏搖固有周期存在較大差距。

2)無論是縱蕩還是橫蕩方向，浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)均以低頻運(yùn)動(dòng)為主，因此，波浪的低頻成分是引起兩船水平方向慢漂運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素。

3)在垂蕩、橫搖和縱搖方向，浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船無論在響應(yīng)幅值還是相位上均存在較大差距，并不存在較明顯的同步運(yùn)動(dòng)特性，且均以波頻響應(yīng)為主。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：該三個(gè)方向的固有周期集中在波頻范圍內(nèi)，系泊定位系統(tǒng)和旁靠布纜系統(tǒng)對(duì)其約束影響較小。

4)供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均比浮式結(jié)構(gòu)物偏大，比如風(fēng)浪流角度為45°時(shí)，供應(yīng)船和浮式結(jié)構(gòu)物橫蕩的最大幅值為12.3和13.2 m，垂蕩的最大幅值為0.05和2.0 m，橫搖的最大幅值約為0.03°和2.4°，縱搖的最大幅度為0°和4.3°，艏搖的最大幅值約為0.01°和1.0°。造成該現(xiàn)象的原因可能為：?在縱蕩、橫蕩和艏搖方向上， 浮式結(jié)構(gòu)物自身帶有錨泊定位系統(tǒng)，而供應(yīng)船只通過多根旁靠系泊纜與浮式結(jié)構(gòu)物相連，因此在水平方向上具有的抵抗力偏小，導(dǎo)致供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)的增大容易引起旁靠系統(tǒng)連接纜拉力載荷增大。?在垂蕩、橫搖和縱搖方向上，供應(yīng)船的固有周期均遠(yuǎn)小于浮式結(jié)構(gòu)物，與作業(yè)海況的固有周期接近，很容易產(chǎn)生共振，尤其是垂蕩和縱搖方向，供應(yīng)船的固有周期分別為8.3和9.8 s，較接近波浪周期。

圖13 45°來流角度下浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷圖Fig.13 Time series of relative motion between FPSB and supply ship at 45°

4.3旁靠連接纜的受力特征

通過數(shù)值計(jì)算，獲得了旁靠連接纜的受力最大值，從統(tǒng)計(jì)值可以看出：

當(dāng)風(fēng)浪流角度在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，16#～22#號(hào)連接纜即“倒纜和艏纜”的受力普遍較大，這是由于風(fēng)浪流沿船體首部方向來，這幾根連接纜所受的載荷作用明顯，且16#和20#號(hào)纜的最大張力高達(dá)990 kN，可能的原因在于：這幾根纜繩的長(zhǎng)度相對(duì)較短，在伸長(zhǎng)量相同的條件下，張力增加的更為明顯。因此，當(dāng)張力增加過大時(shí)，應(yīng)考慮加強(qiáng)連接纜的強(qiáng)度，適當(dāng)增加連接纜的原長(zhǎng)或者降低連接纜的預(yù)張力等措施。

圖14 各綁扎纜繩的最大值隨來流角度變化情況Fig.14 Maximum force distributions of each lashing rope according to incident angle

當(dāng)風(fēng)浪流角度在270°～330°范圍內(nèi)變化時(shí)，由于浮式結(jié)構(gòu)物對(duì)供應(yīng)船的屏蔽作用，供應(yīng)船所受的環(huán)境載荷變小，使得系泊纜的張力急劇降低，各纜繩的最大張力基本維持在200 kN附近。

圖15顯示的是不同風(fēng)浪流角度下，旁靠綁扎纜繩中，受力最大纜繩的時(shí)歷變化。從圖中可以看出，連接纜的張力時(shí)歷曲線既包含低頻成分又呈現(xiàn)波頻甚至高頻特征，如圖15(b)可知，連接纜張力在頻率為0、0.9和1.6 rad/s時(shí)均出現(xiàn)了較明顯的峰值。這與浮式結(jié)構(gòu)物自身系泊系統(tǒng)的錨索張力特性并不相同，如圖16(b)所示，浮式結(jié)構(gòu)物的系泊定位錨索(3#)僅在頻率接近0.02 rad/s時(shí)出現(xiàn)較大峰值，張力時(shí)歷基本只表現(xiàn)低頻成分。引起纜繩的低頻成分主要由波浪低頻慢漂載荷引起；波頻成分主要由波浪作用在船體上的波頻載荷引起；產(chǎn)生高頻張力的原因可能是“纜繩長(zhǎng)度較短，松弛-張緊作用過程的時(shí)間很短，導(dǎo)致張力時(shí)歷中出現(xiàn)突變的尖峰和倍頻成分，稱之為高頻的沖擊張力(snap tension)”[12]。

圖15 風(fēng)浪流為 45°時(shí)20#連接纜的張力時(shí)歷曲線和頻譜分析Fig.15 Time history of tension and frequency spectrum of 20# at 45°

圖16 風(fēng)浪流為 45°時(shí)3#系泊纜的張力時(shí)歷曲線和頻譜分析Fig.16 Time history of tension and frequency spectrum of 3# at 45°

4.4護(hù)舷的受力特征

圖17顯示的是護(hù)舷受力隨環(huán)境角度的變化情況，圖18給出了護(hù)舷F4作用力的時(shí)歷曲線。

圖17 護(hù)舷受力隨環(huán)境角度的變化特征Fig.17 Features of fender force according to environmental angle

圖18 不同風(fēng)浪流角度下護(hù)舷F4所受作用力的時(shí)歷圖Fig.18 Time history of F4 according to different environmental angles

從圖中可以看出：1)當(dāng)風(fēng)浪流角度為270°～360°時(shí)，護(hù)舷上的受力明顯小于來流角度為0°～90°的情況，造成這種結(jié)果的原因在于：浮式結(jié)構(gòu)物對(duì)供應(yīng)船的遮擋效應(yīng)，使得供應(yīng)船上所受的環(huán)境載荷在一定程度上降低的緣故。2)結(jié)合浮式結(jié)構(gòu)物、供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)特征，供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)幅值比浮式結(jié)構(gòu)物更為明顯，處于較為不利的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，供應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是兩船發(fā)生碰撞的主要原因。3)護(hù)舷的受力時(shí)歷出現(xiàn)了明顯的低頻效應(yīng)，說明護(hù)舷的受力較大程度上受船體低頻慢漂運(yùn)動(dòng)的影響；4)從兩船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、旁靠纜繩的受力、護(hù)舷上的碰撞力等方面均可以看出，盡管風(fēng)浪流為90°時(shí)，對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷較大，但最大響應(yīng)或受力卻發(fā)生在45°附近，在兩船旁靠實(shí)際作業(yè)過程中應(yīng)引起重視。

5 結(jié) 語

采用時(shí)域分析方法對(duì)大型浮式結(jié)構(gòu)物和供應(yīng)船之間的旁靠系泊特性展開深入研究，可得到以下結(jié)論：

1)浮式結(jié)構(gòu)物對(duì)供應(yīng)船的水動(dòng)力干擾較大，當(dāng)供應(yīng)船在浮式結(jié)構(gòu)物的下風(fēng)口時(shí)，表現(xiàn)為屏蔽效應(yīng)，供應(yīng)船各自由度的運(yùn)動(dòng)均比單船體時(shí)偏小，當(dāng)供應(yīng)船在浮式結(jié)構(gòu)物的上風(fēng)口時(shí)，運(yùn)動(dòng)加劇，同時(shí)出現(xiàn)多次共振、峰值放大現(xiàn)象，由于噸位較小，供應(yīng)船對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力性能幾乎無影響。

2)兩船的相對(duì)橫蕩運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)地位，相對(duì)幅值比縱蕩更大，若橫蕩超過旁靠作業(yè)限制，可增大兩船之間的系泊纜預(yù)張力，有效降低相對(duì)橫蕩值，但該方法將增大纖維纜繩的受力，有超過安全系數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，還可能會(huì)增加護(hù)舷的撞擊次數(shù)。

3)在旁靠作業(yè)時(shí)，若環(huán)境方向已確定，供應(yīng)船應(yīng)從浮式結(jié)構(gòu)物的下風(fēng)口一側(cè)靠泊并作業(yè)，更有利于船舶的安全性能。

4)浮式結(jié)構(gòu)物和供應(yīng)船的某些自由度運(yùn)動(dòng)存在一定的同步性或跟隨性，即：橫蕩、縱蕩和艏搖方向的相位(即步調(diào))高度一致，幅值相差也不大，但其它三個(gè)以波頻為主的方向，各自運(yùn)動(dòng)并不存在明顯的同步特征。

5)供應(yīng)船的各自由度運(yùn)動(dòng)幅值均比浮式結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)幅值偏大，其原因可能是：在縱蕩和橫蕩方向上， 浮式結(jié)構(gòu)物有錨泊定位系統(tǒng)，而供應(yīng)船只通過多根旁靠系泊纜與浮式結(jié)構(gòu)物相連，纜繩提供的抵抗力較小；在其它方向上，供應(yīng)船的固有周期均遠(yuǎn)小于浮式結(jié)構(gòu)物，與作業(yè)海況的固有周期接近，很容易產(chǎn)生共振。

6)倒纜和艏纜相應(yīng)的受力普遍較大，可能的原因是這幾根纜繩的長(zhǎng)度相對(duì)較短。在伸長(zhǎng)量相同時(shí)，張力增加得更為明顯，因此，當(dāng)張力增加過大時(shí)，應(yīng)考慮加強(qiáng)連接纜的強(qiáng)度，適當(dāng)增加連接纜的原長(zhǎng)或者降低連接纜的預(yù)張力。

7)浮式結(jié)構(gòu)物系泊定位錨索的張力基本表現(xiàn)低頻特征，兩船旁靠連接纜不僅包含低頻成分，而且受船體垂蕩、橫搖和縱搖的影響，且波頻成分所占的比例也較大。

8)浮式結(jié)構(gòu)物的受力時(shí)歷出現(xiàn)了明顯的低頻效應(yīng)，說明浮式結(jié)構(gòu)物的受力較大程度上受船體低頻慢漂運(yùn)動(dòng)的影響；當(dāng)來流角度為270°～360°時(shí)，護(hù)舷上的受力明顯小于來流角度為0°～90°的情況，造成這種結(jié)果的原因在于浮式結(jié)構(gòu)物對(duì)供應(yīng)船的遮擋，使得供應(yīng)船受的環(huán)境載荷在一定程度上降低的緣故。

[1] 趙文華，楊建民，胡志強(qiáng)，等.FLNG系統(tǒng)進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能研究[J].船舶力學(xué),2012,16(11):1 248-1 256.(ZHAO W H,YANG J M,HU Z Q,et al.Research on hydrodynamics of an FLNG system in side-by-side operation[J].Journal of Ship Mechanics,2012,16(11):1 248-1 256.(in Chinese))

[2] KIM Y B.Dynamic analysis of multiple-body floating platforms coupled with mooring lines and risers[D].PHD.Dissertation.College Station: Civil Engineering Department,Texas A & M University,2003.

[3] KOO B J,KIM M H.Hydrodynamic interactions and relative motions of two floating platforms with mooring liens in side-by-side offloading operation[J].Applied Ocean Research,2005,27(6):292-310.

[4] HONG S Y,KIM J H,CHO S K,et al.Numerical and experimental study on hydrodynamic interaction of side-by-side moored multiple vessels[J].Ocean Engineering,2005(32): 783-801.

[5] 張甫杰，董國(guó)祥，高家鏞.LNG并靠外輸作業(yè)時(shí)水動(dòng)力性能數(shù)值研究[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2015,38(1):20-26.(ZHANG F J,DONG G X,GAO J Y.Numerical research on hydrodynamics of LNG side-by-side offloading operation[J].Journal of Shanghai Ship and Shipping Research Institute,2015,38(1):20-26.(in Chinese))

[6] 徐喬威,胡志強(qiáng),謝 彬,等.LNG運(yùn)輸船旁靠FLNG卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能試驗(yàn)[J].中國(guó)海上油氣,2015,27(2): 112-126.(XU Q W,HU Z Q,XIE Bin，et al.Hydrodynamics of an FLNG system in side-by-side offloading operation with a LNG carrier[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(2):112-126.(in Chinese))

[7] 戴遺山.艦船在波浪中運(yùn)動(dòng)的頻域與時(shí)域勢(shì)流理論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1998.(DAI Y S.Potential flow theory of ship motions in wave[M].Beijing: National Defence Industry Press,1998.(in Chinese))

[8] Bureau Veritas.Hydrostar for experts user manual[S].2012.

[9] Bureau Veritas.Ariane 7 theoretical manual[S].2007.

[10] CHEN X B,REZENDE F,MALENICA S,et al.Advanced hydrodynamic analysis of LNG terminals[R].Bureau Veritas，2007.

[11] 葉邦全.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(第3版)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.(YE B Q.Practical handbook of ship design[M].Beijing: National Defence Industry Press,2013.(in Chinese))

[12] 張素俠.深海系泊系統(tǒng)松弛-張緊過程纜繩的沖擊張力研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.(ZHANG S X.Study on snap tension of taut-slack mooring lines in deep water[D].Tianjin: Tianjin University,2008.(in Chinese))

Study on characteristics of side-by-side mooring between the offshore floating structures and supply ship

SHAN Tiebing,PAN Fanghao,ZOU Wen,JIN Haifeng

(Marine Design & Research Institute of China,Shanghai 200011,China)

The hydrodynamic interference,relative motion,side-by-side mooring and fender system forces are investigated respectively as the supply ship operates side by side with the Offshore Floating Structures.The FEM models of two ships are created.The side-by-side mooring system is designed in preliminary.In addition,suitable parameters of mooring lines and fenders are selected.It indicates that a good identity exists in the motion of sway,surge between two ships.But the identity of the other directions is not obvious.The motion magnitude of each DOF on the supply ship is relatively large.The fender forces show low-frequency effect,which indicates that the low-frequency drift motion of ship influences the fender forces to a large extent.Furthermore,hydrodynamic interference from the Offshore Floating Structures to supply ship is large.Shielding effect is much obvious as the Offshore Floating Structures are at the upwind side of the supply ship,and vessel motion is quite small.On the contrary,as the Offshore Floating Structures are at the leeside,the motion of the supply ship increases.The phenomenon of resonance and peak amplification on RAO appears.The supply ship has no effect on the hydrodynamic performances of the Offshore Floating Structures.Therefore,it is relative safe as the supply ship berths and operates from the leeside of the Offshore Floating Structures.The conclusions would provide a valuable reference for actual engineering operation.

side-by-side mooring; hydrodynamic interference; fender; shielding effect; low-frequency effect

U661

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.001

1005-9865(2017)05-0001-11

2016-10-12

國(guó)家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)“遠(yuǎn)海大型浮式結(jié)構(gòu)物研發(fā)”資助項(xiàng)目；高技術(shù)船舶科研資助項(xiàng)目(K7590)

單鐵兵(1982-)，男，江西高安人，高級(jí)工程師，從事海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能及系泊定位研究。E-mail：snailstb@163.com