王 果，張 雯，何沁園，郭建廷，翁歡英，劉靖嶠，嵇春艷

(1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著全球航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶越來(lái)越趨于大型化，碼頭系泊系統(tǒng)的能力愈發(fā)受到重視，特別是滾裝船舶在碼頭的轉(zhuǎn)運(yùn)裝卸載作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)碼頭系泊能力的需求更為明顯。不可否認(rèn)安全性是評(píng)判碼頭系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[1-2]。雷林等[3]基于三維勢(shì)流理論，運(yùn)用Ansys-aqwa 模塊對(duì)大型游船碼頭系泊系統(tǒng)進(jìn)行頻域、時(shí)域分析，得到一系列參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。王金光等[4]對(duì)半潛平臺(tái)碼頭系泊系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。胡毅等[5]應(yīng)用多體水動(dòng)力學(xué)軟件Aqwa，研究了在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下大型LNG 船碼頭系泊時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。王建華等[6]基于開(kāi)源平臺(tái)Open FOAM 開(kāi)發(fā)的船舶與海洋工程CFD 求解器，對(duì)一座浮式碼頭的分布式系泊系統(tǒng)在入射波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。鄒志利[7]對(duì)港口內(nèi)靠碼頭系泊船的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究。馬小劍等[8]對(duì)風(fēng)流作用下船舶碼頭系泊時(shí)纜繩張力及運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行了研究。本文基于三維勢(shì)流理論，利用Ansys-aqwa 軟件對(duì)某大型滾裝船的水動(dòng)力性能和碼頭系泊能力進(jìn)行數(shù)值仿真，分析研究該船在規(guī)則波中的基本性能，考核給定工況下該船的碼頭系泊能力，并對(duì)碼頭系泊系統(tǒng)的安全性能進(jìn)行評(píng)判，給出各工況下該船的六自由度動(dòng)力響應(yīng)。

1 坐標(biāo)系的定義與水動(dòng)力模型的建立

1.1 坐標(biāo)系定義

船體坐標(biāo)系及環(huán)境坐標(biāo)系的定義，如圖1 所示。X 軸由船體中心線(xiàn)船艉指向船首，Y 軸由右舷指向左舷，環(huán)境載荷以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎瑥拇仓赶虼诪?°，首搖以X 正軸向Y 正軸轉(zhuǎn)動(dòng)的右手坐標(biāo)系為正。

圖1 坐標(biāo)系定義Fig. 1 Definition of coordinate system

1.2 水動(dòng)力模型

某大型滾裝船舶主要主尺度為：垂線(xiàn)間長(zhǎng)Lpp=220.3 m、型寬B=32.3 m、型深D=27.3 m、吃水T=～7.0 m、排水量△=～31 000 t，屬于大型淺吃水、高干舷船舶。該船停靠碼頭水深為15 m，碼頭長(zhǎng)696 m、寬30 m。水動(dòng)力模型和碼頭系泊示意圖如圖2 所示。

圖2 水動(dòng)力模型和碼頭系泊示意圖Fig. 2 Hydrodynamic calculation model and wharf mooring scheme for a large ro-ro ship

2 頻域水動(dòng)力分析

基于三維勢(shì)流理論，應(yīng)用面元積分法通過(guò)Aqwaline 模塊對(duì)該船進(jìn)行頻域水動(dòng)力性能分析，即研究該滾裝船在規(guī)則波中的基本水動(dòng)力性能，包括運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子、附加質(zhì)量、輻射阻尼、1 階波激力和定常漂移力等水動(dòng)力基本參數(shù)。頻域分析的頻率范圍為0.1～1.7 rad/s，船體在各浪向下的六自由度幅值響應(yīng)算子如圖3～圖8 所示。

圖3 縱蕩RAOFig. 3 RAO of surging

圖4 橫蕩RAOFig. 4 RAO of swaying

圖5 垂蕩RAOFig. 5 RAO of heaving

圖6 橫搖RAOFig. 6 RAO of rolling

圖7 縱搖RAOFig. 7 RAO of pitching

圖8 首搖RAO Fig. 8 RAO of yawing

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：縱蕩RAO、橫蕩RAO、垂蕩RAO 隨著波浪頻率的增加而逐漸減?。浑S著波浪頻率的增加橫搖RAO、縱搖RAO、艏搖RAO 呈現(xiàn)先增加而后逐漸減小的趨勢(shì)。碼頭水深15 m 為淺水區(qū)，縱蕩RAO 和垂蕩RAO 均比較大，體現(xiàn)了淺水效應(yīng)對(duì)該滾裝船的縱蕩、垂蕩影響較大；橫搖RAO 在波浪頻率0.5 rad/s 附近出現(xiàn)最大值，說(shuō)明該滾裝船的橫搖固有周期接近該波浪周期，而且浪向角接近90°時(shí)橫搖RAO 增加更為明顯，船舶橫搖更為劇烈，因此船體航行中應(yīng)盡量避開(kāi)該浪向角，采取頂浪方式航行可有效減少船體橫搖對(duì)人員、設(shè)備的影響。

在不同浪向下，該滾裝船的1 階波浪力如圖9～圖14 所示。

圖9 縱蕩1 階波浪力Fig. 9 First order wave forces of surge

可以看出，該滾裝船6 個(gè)自由度1 階波激力的最大值對(duì)應(yīng)的浪向與6 個(gè)自由度RAO 最大值對(duì)應(yīng)的浪向基本一致，說(shuō)明本船1 階波激力對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用，而且浪向角對(duì)1 階波激力的大小影響較大。

圖10 橫蕩1 階波浪力Fig. 10 First order wave forces of sway

圖11 垂蕩1 階波浪力Fig. 11 First order wave forces of heave

圖12 橫搖1 階波浪力Fig. 12 First order wave forces of roll

圖13 縱搖1 階波浪力Fig. 13 First order wave forces of pitch

3 時(shí)域耦合計(jì)算

在風(fēng)、浪、流載荷聯(lián)合作用下利用Aqwa-drift 模塊，研究該船6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和各系泊纜張力的變化情況，同時(shí)對(duì)系泊系統(tǒng)各纜繩的安全性進(jìn)行評(píng)估。

圖14 首搖1 階波浪力Fig. 14 First order wave forces of yaw

3.1 碼頭系泊系統(tǒng)方案

該大型滾裝船舶系泊系統(tǒng)使用的纜繩為超高分子聚乙烯索具，直徑為36 mm，破斷載荷為959 kN。經(jīng)過(guò)一系列碼頭系泊系統(tǒng)方案優(yōu)化后確定的大型滾裝船舶、碼頭相互對(duì)應(yīng)的8 組系泊點(diǎn)坐標(biāo)如表1 所示。

表1 大型滾裝船碼頭系泊系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的8 組系泊點(diǎn)坐標(biāo)Tab. 1 Coordinates of eight groups mooring points corresponding to wharf mooring system of large ro-ro ship

3.2 碼頭系泊風(fēng)浪流工況組合

根據(jù)該大型滾裝船舶主要?？康谋狈礁劭陲L(fēng)浪流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料，確定了該大型滾裝船碼頭系泊能力考核的工況清單如表2 所示。

3.3 碼頭系泊系統(tǒng)能力校核分析

在船舶達(dá)到平衡位置后，求解此時(shí)系泊纜繩張力隨時(shí)間的變化情況，統(tǒng)計(jì)出纜繩張力的最大值，并對(duì)纜繩的安全性進(jìn)行校核，當(dāng)纜繩最大張力小于纜繩破斷載荷時(shí)，滿(mǎn)足安全性能要求。各纜繩最大張力計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：

1）各計(jì)算工況下8 根纜繩的最大張力均小于纜繩的破斷載荷959 kN，因此所有計(jì)算工況下本船碼頭系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案均能夠滿(mǎn)足安全系泊的要求。

2）通過(guò)不同工況的對(duì)比分析得出：浪、流載荷不變時(shí)，風(fēng)向?qū)Ω骼|繩的張力影響非常大，與隴風(fēng)相比開(kāi)風(fēng)可直接導(dǎo)致所有纜繩張力大幅增加，而且在開(kāi)風(fēng)情況下風(fēng)速增加也可直接導(dǎo)致各纜繩張力增加，在隴風(fēng)情況下風(fēng)速增加對(duì)各纜繩張力影響不大；流、風(fēng)載荷不變時(shí)，波浪周期固定時(shí)浪高增加可導(dǎo)致各纜繩張力增加，波浪周期增加可導(dǎo)致各纜繩張力減??；浪、風(fēng)載荷不變時(shí)，流向?qū)Ω骼|繩的張力會(huì)產(chǎn)生影響，船尾迎流時(shí)各纜繩中最大張力小于船首迎流時(shí)各纜繩中最大張力，而且船尾迎流時(shí)除4 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)纜繩外其余纜繩的張力載荷均小于船首迎流時(shí)，4 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)纜繩因?yàn)槭堑估|，在船首迎流時(shí)由于船體向后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)導(dǎo)致張力有所減小。

表2 大型滾裝船舶碼頭系泊能力考核計(jì)算工況組合Tab. 2 Calculation conditions for wharf mooring capacity of large ro-ro ship

3）綜合考慮，在流向、波浪周期、浪高、風(fēng)速、風(fēng)向等變化因素中，碼頭系泊時(shí)風(fēng)向?qū)Ω骼|繩張力的影響程度遠(yuǎn)超其他因素的影響程度。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)向?yàn)殡]風(fēng)時(shí)，滾裝船存在向碼頭靠近的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，擠壓碼頭護(hù)舷，對(duì)各纜繩在張力方向不會(huì)產(chǎn)生影響，因此所有隴風(fēng)工況下各纜繩張力均較小。但當(dāng)風(fēng)向?yàn)殚_(kāi)風(fēng)時(shí)，各纜繩除了承受在浪、流載荷作用下滾裝船X 方向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的縱向力，而且還需承受開(kāi)風(fēng)作用下滾裝船Y 方向運(yùn)動(dòng)（離開(kāi)碼頭趨勢(shì)）產(chǎn)生的橫向張力，導(dǎo)致各纜繩張力大幅增加；特別是3 號(hào)、6 號(hào)纜繩的張力載荷增加更為明顯，因?yàn)? 號(hào)、6 號(hào)纜繩都比較短，特別是6 號(hào)纜繩最短，最先承受橫向張力，也是系泊系統(tǒng)中主要承受橫向張力的兩根纜繩，因此在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注短纜的張力載荷，并盡量避免出現(xiàn)中間各纜繩長(zhǎng)度差異過(guò)大的情況，提高碼頭系泊系統(tǒng)的安全性能。

表3 各纜繩最大張力計(jì)算結(jié)果匯總表Tab. 3 Summary calculation results of maximum tension of cables

3.4 大型滾裝船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

當(dāng)船體達(dá)到平衡位置后，在1 階波浪力的作用下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。不同工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪流載荷聯(lián)合作用下，該滾裝船的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果如表4 和表5 所示。

通過(guò)不同工況的對(duì)比分析可以看出：

1）風(fēng)浪流載荷中各變量因素對(duì)船體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響最大的就是風(fēng)向，其中風(fēng)向?qū)Υw運(yùn)動(dòng)中橫蕩、橫搖、首搖的影響最大，對(duì)縱蕩的影響次之，對(duì)垂蕩、縱搖基本沒(méi)有影響。

2）就縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時(shí)，風(fēng)向?qū)ζ溆绊戄^大，開(kāi)風(fēng)時(shí)縱蕩幅值大于隴風(fēng)時(shí)，風(fēng)速對(duì)縱蕩的影響很??；流、風(fēng)載荷不變時(shí)，波浪周期固定時(shí)浪高對(duì)縱蕩的影響較小，波浪周期增加會(huì)引起縱蕩幅值增加；浪、風(fēng)載荷不變時(shí)，流向?qū)v蕩幅值會(huì)產(chǎn)生影響，船尾迎流時(shí)縱蕩幅值小于船首迎流時(shí)。

3）就橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時(shí)，風(fēng)向?qū)ζ溆绊懞艽螅_(kāi)風(fēng)時(shí)船體遠(yuǎn)離碼頭，橫蕩幅值為正值且很大，隴風(fēng)時(shí)船體擠壓碼頭，橫蕩幅值很??；而且風(fēng)速增加必然導(dǎo)致橫蕩幅值增加；流、風(fēng)載荷不變時(shí)，波浪周期、浪高對(duì)橫蕩的影響不大；浪、風(fēng)載荷不變時(shí)，流向?qū)M蕩幅值的影響不大。

4）就垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)而言，風(fēng)向、風(fēng)速、波浪周期、浪高、流向?qū)ζ溆绊懢苄　?/p>

5）就橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時(shí)，風(fēng)向?qū)ζ溆绊懞艽?，開(kāi)風(fēng)時(shí)橫搖幅值遠(yuǎn)大于隴風(fēng)時(shí)，風(fēng)速增加也會(huì)引起橫搖幅值增加；流、風(fēng)載荷不變時(shí)，波浪周期固定時(shí)浪高增加會(huì)引起橫搖幅值增加，波浪周期增加會(huì)引起橫搖幅值減小，但是影響程度都很小，可忽略不計(jì)；浪、風(fēng)載荷不變時(shí)，流向?qū)M搖幅值的影響不大。

6）就縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時(shí)，風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)縱搖幅值的影響很??；流、風(fēng)載荷不變時(shí)，波浪周期固定時(shí)浪高增加會(huì)引起縱搖幅值增加，波浪周期增加會(huì)引起縱搖幅值大幅增加；浪、風(fēng)載荷不變時(shí)，流向?qū)v搖幅值會(huì)產(chǎn)生影響，船尾迎流時(shí)縱搖幅值大于船首迎流時(shí)。

7）就首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)而言，風(fēng)向?qū)ζ溆绊懞艽蟆２ɡ酥芷谳^短時(shí)，吹開(kāi)風(fēng)艏搖幅值遠(yuǎn)大于吹隴風(fēng)，而且開(kāi)風(fēng)時(shí)艏搖幅值均為負(fù)值，表明開(kāi)風(fēng)時(shí)船首擠壓碼頭，使得尾部纜繩張力大于首部纜繩張力，因此開(kāi)風(fēng)工況中均是6 號(hào)纜繩張力最大。波浪周期較長(zhǎng)時(shí)，隴風(fēng)時(shí)艏搖幅值接近于開(kāi)風(fēng)時(shí)，但吹開(kāi)風(fēng)首搖幅值仍大于吹隴風(fēng)。吹開(kāi)風(fēng)時(shí)，風(fēng)速或浪高增加均會(huì)引起首搖幅值減小；吹隴風(fēng)時(shí)，風(fēng)速或浪高增加均會(huì)引起首搖幅值增加。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Ansys-aqwa 軟件，對(duì)某大型滾裝船的碼頭系泊能力進(jìn)行數(shù)值仿真研究，包括頻域水動(dòng)力分析和時(shí)域耦合分析，主要結(jié)論如下：

表4 各工況縱蕩、橫蕩、垂蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果Tab. 4 The summary motion responses results of surging, swaying and heaving under various calculation conditions

表5 各工況橫搖、縱搖、艏搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果Tab. 5 The summary motion responses results of rolling, pitching and yawing under various calculation conditions

1）通過(guò)頻域分析可知，隨著波浪頻率的增加，縱蕩RAO、橫蕩RAO、垂蕩RAO 呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，橫搖RAO、縱搖RAO、首搖RAO 呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；淺水效應(yīng)對(duì)該大型滾裝船的縱蕩、垂蕩影響較大，該大型滾裝船一階波激力對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用，而且浪向角對(duì)一階波激力的大小影響較大。

2）各給定工況下該大型滾裝船系泊系統(tǒng)各纜繩最大張力均小于破斷載荷，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠滿(mǎn)足安全系泊的要求；風(fēng)向?qū)ο挡聪到y(tǒng)中各纜繩張力的影響程度遠(yuǎn)超其他因素，流向?qū)Ω骼|繩張力的影響也較為明顯。開(kāi)風(fēng)時(shí)各纜繩張力較隴風(fēng)時(shí)大幅增加，特別是3 號(hào)、6 號(hào)短橫纜的張力載荷增加最為明顯；在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注短纜的張力載荷，盡量避免出現(xiàn)中間各纜繩長(zhǎng)度差異過(guò)大的情況。

3）風(fēng)向?qū)υ摯笮蜐L裝船六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響最大，特別是橫蕩、橫搖、首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，開(kāi)風(fēng)時(shí)橫蕩、橫搖、縱蕩、首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值均大于隴風(fēng)時(shí)；對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響次之，對(duì)垂蕩、縱搖基本沒(méi)有影響。風(fēng)速增加導(dǎo)致橫蕩、橫搖幅值增加；開(kāi)風(fēng)時(shí)風(fēng)速增加引起首搖幅值減小，隴風(fēng)時(shí)風(fēng)速增加引起首搖幅值增加；風(fēng)速對(duì)縱蕩、垂蕩、縱搖基本沒(méi)有影響。

4）浪高增加會(huì)引起橫搖、縱搖幅值增加；開(kāi)風(fēng)時(shí)浪高增加引起首搖幅值減小，隴風(fēng)時(shí)浪高增加引起首搖幅值增加；浪高對(duì)縱蕩、橫蕩、垂蕩的影響較小。波浪周期增加會(huì)引起縱蕩、縱搖幅值增加，對(duì)橫蕩、垂蕩、橫搖幅值的影響較小。船尾迎流時(shí)縱蕩幅值小于船首迎流時(shí)，但船尾迎流時(shí)縱搖幅值大于船首迎流時(shí)；流向?qū)M蕩、垂蕩、橫搖、幅值的影響較小。

5）該滾裝船碼頭系泊系統(tǒng)雖然能夠滿(mǎn)足安全系泊的要求，但是3 號(hào)、6 號(hào)纜繩張力相對(duì)比較大，各纜繩受力不均衡，極易導(dǎo)致這2 根纜繩破斷。因此該滾裝船碼頭系泊設(shè)計(jì)方案提出建議優(yōu)化改進(jìn)：3 號(hào)纜繩的碼頭系泊點(diǎn)改到4 號(hào)纜繩的碼頭系泊點(diǎn)，6 號(hào)纜繩的碼頭系泊點(diǎn)改到5 號(hào)纜繩的碼頭系泊點(diǎn)，1 號(hào)纜繩的碼頭系泊點(diǎn)X 坐標(biāo)減小25 m，8 號(hào)纜繩的碼頭系泊點(diǎn)X 坐標(biāo)增大25 m。使得船舶六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)4 號(hào)、5 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)纜繩也可抵抗更多的橫向載荷，從而減小3 號(hào)、6 號(hào)纜繩的受力，提高碼頭系泊系統(tǒng)的安全性。