劉 爽，馮司宇

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

系泊系統(tǒng)包含六自由度（橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)）運動量及多自由度系纜力。在風(fēng)浪流等環(huán)境因素及裝、卸載貨物等動力因素作用下，系泊船將發(fā)生復(fù)雜的震蕩及升沉運動。系泊船體運動量若超過允許范圍[1,2]，將會導(dǎo)致正在進(jìn)行裝卸船作業(yè)的船舶難以繼續(xù)作業(yè)，繼而導(dǎo)致船舶在港停泊時間延長，增加作業(yè)成本；若系泊索布置不理想，將會導(dǎo)致系纜力不均衡甚至系泊索破斷，致使發(fā)生安全事故。系泊索作為系泊系統(tǒng)的重要組成部分，其屬性與系纜狀態(tài)息息相關(guān)。本文為探究系泊索對系纜力及船體運動量的影響，開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究。

1 國內(nèi)外研究背景

通過物理模型試驗，可對不同工況組合下的系泊條件進(jìn)行模擬，但試驗過程中卻存在著一些不可模擬及控制的因素，而其費用高、周期長，故多用于設(shè)計后期。相較之下，數(shù)值模擬方法費用低、周期短，可適時增加分析功能，且通用性好，故應(yīng)用前景更加廣闊。

國外對于船舶系泊的數(shù)值模擬起步較早，已開發(fā)出一些較為實用的軟件，如美國TTI 公司的Optimoor、荷蘭Alkyon 公司的Ship-mooring、法國BV 船級社的Arianne 和美國ANSYS 公司的AQWA等，這些應(yīng)用軟件的開發(fā)極大的便利了船舶作業(yè)及碼頭運營。

相較于國外，我國在數(shù)值模擬方面的起步較晚。馬小劍等[3]基于力的平衡關(guān)系建立了系泊船舶在風(fēng)和潮流作用下纜繩張力和運動的計算模型并將計算結(jié)果與Optimoor 軟件的計算結(jié)果進(jìn)行了對比；于洋等[4]在忽略纜繩拉伸變形的前提條件下，從二維靜力學(xué)角度對纜繩張力進(jìn)行了分析研究；向溢等[5]采用混沌解法、蒙特卡洛算法對碼頭系泊船舶纜繩張力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了一致性對比。

2 研究方法

本文依托工程為某LNG 泊位，其碼頭頂面高程為7.0 m，碼頭前沿底高程為-14.0 m，碼頭總長度為420 m。系泊索采用3/3/2 對稱布纜。

系纜方式及碼頭平面布置如圖1 所示。

圖1 系纜方式及碼頭平面布置

依托工程LNG 船舶基本參數(shù)如下：

1）載重13.8 萬m3；

2）總長284 m；

3）系船柱間距270 m；

4）型寬43.4 m；

5）型深26.0 m；

6）壓載吃水9.2 m；

7）穩(wěn)心高18.0 m。

本工程所處區(qū)域波高H13%=1.5 m，周期T=6 s，風(fēng)速按照24.4 m/s 考慮，全風(fēng)向，本次數(shù)值模擬計算暫不計水流作用。

本研究運用Optimoor 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。TTI公司開發(fā)的Optimoor 是較早為國內(nèi)采用的船舶系泊分析軟件，其應(yīng)用的是靜力模型，在計算外部荷載時，將其按照靜力考慮[4]。Optimoor 采用的是一種基于振幅響應(yīng)因子（response amplitude operator，簡稱RAO）的方法模擬計算船舶在波浪作用下所產(chǎn)生的運動量，但給出船舶RAO 數(shù)據(jù)非常有限且只給出6 個自由度中的4 個指標(biāo)，即橫移、縱移、升沉、橫搖。

采用控制變量法，通過調(diào)整主纜材質(zhì)或直徑、預(yù)張力施加、絞盤至導(dǎo)纜孔距離及批芭結(jié)等參數(shù)，進(jìn)行六組設(shè)計方案的數(shù)值模擬，主纜材質(zhì)分別選用鋼纜/鋼纜/鋼纜/尼龍纜/尼龍纜/鋼纜，對應(yīng)主纜直徑分別為 40 mm/40 mm/30 mm/60 mm/60 mm/ 40 mm，各方案系泊索屬性如表1 所示。

表1 各方案系泊索屬性

3 結(jié)果分析

本文數(shù)值模擬的六組設(shè)計方案，目的為研究系泊索對系纜力及船體運動量的影響，故并未嚴(yán)格遵循經(jīng)驗設(shè)定。在實際系泊作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)強度、彈性、耐用性和操作特性選擇最合適的材料（系泊索的材料類型會影響到系泊絞車卷筒的尺寸、導(dǎo)纜器的形式、導(dǎo)纜器彎曲半徑及需占用的甲板空間等要素），建議在大型船舶上采用鋼纜，在小型船舶上優(yōu)先采用合成纖維；用于某一船舶的每根系泊索盡可能選用相同的尺寸和材料（某些船舶采用鋼纜倒纜和合成纖維纜橫纜的組合系統(tǒng)，其初衷是減少船舶的前后漂移，從而有效地限制船舶相對于剛性輸油臂或輸油軟管的移動）。

表2 給出了包括艏艉纜、艏艉橫纜以及艏艉倒纜在內(nèi)的索力強度比的數(shù)值模擬結(jié)果。

表2 各方案索力強度比 /%

表3 給出了包括橫移量、縱移量、升沉量以及橫搖角在內(nèi)的四種船體運動量的數(shù)值模擬結(jié)果。

表3 各方案船體運動量

對表2 和表3 中的結(jié)果分析如下：

1）通過對數(shù)值模擬方案一和數(shù)值模擬方案四中系泊索受力和船體運動量的對比分析，可知：因系泊索所受張力會隨其剛度增大而增大，選用尼龍纜可顯著減小系泊索受力，但由于尼龍纜的剛度較鋼纜更大，系泊索的伸縮性更強，故系泊船體的縱移量大幅度增大，但對橫移、升沉和橫搖來說，其影響甚微。故雖可通過選用具有較大彈性材質(zhì)系泊索的方式來減小系泊索受力，但會導(dǎo)致船體縱移量加大，進(jìn)而可能會影響船舶的正常裝卸作業(yè)。

2）通過對數(shù)值模擬方案一和數(shù)值模擬方案二中系泊索受力的對比分析，可知：當(dāng)計入絞盤與導(dǎo)纜孔之間的距離時，索力強度比產(chǎn)生了一定幅度的減小。這是由于系泊索長度越大，彈性越大，受力越小。故在特定情況下，可通過增大系泊索彈性（減小系泊索直徑，增大系泊索長度等途徑）來保證系泊安全性。

3）通過對數(shù)值模擬方案二和數(shù)值模擬方案三中系泊索受力的對比分析，可知：雖然通過減小系泊索直徑的方式增加彈性，可減小其受力，但系泊索直徑過小時，該效果并不顯著，受力強度維持在較大水平，碼頭系泊安全性較低。

4）通過對數(shù)值模擬方案四和數(shù)值模擬方案五中系泊索受力和船體運動量的對比分析，可知：當(dāng)將10 t 的預(yù)張力施加到每根系泊索之后，船體縱移量將產(chǎn)生大幅度減小，滿足規(guī)范允許范圍。但同時，施加預(yù)張力后，系泊索受力也將產(chǎn)生大幅度增加。這是由于系泊索預(yù)張力越大，系泊索越緊，即系泊索的綜合剛度越大，同等變形條件下系纜力越大。因此預(yù)張力并非越大越好，當(dāng)遇到涌浪或者長周期波浪時，施加了過大預(yù)張力的系泊索極易發(fā)生斷纜事故。

5）根據(jù)數(shù)值模擬方案六中系泊索受力和船體運動量，可知：鋼纜主纜與尼龍纜批芭結(jié)組合形式的系泊索尾部彈性增大，在減小系泊索受力的同時保證了系泊索大部分區(qū)域的強度，在風(fēng)、浪等荷載共同作用時，系泊索對外荷載的反應(yīng)更迅速，船體運動量得以有效控制（為方便帶纜，在實際系泊作業(yè)中一般在系泊索尾部設(shè)置一定長度的批芭結(jié)，對于鋼纜等彈性較差的系泊索，批芭結(jié)往往是采用彈性較大的材料以適應(yīng)船體運動量，通常批芭結(jié)長度為11 m，但也有最新研究認(rèn)為11 m 太短）。此外，由于將10 t 的預(yù)張力施加到每根系泊索之上，致使產(chǎn)生了相對均勻的系泊索受力和相對可控的船體運動量，碼頭系泊安全性得到了保證。

4 結(jié) 語

本文針對系泊索屬性應(yīng)用Optimoor 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

1）高彈性系泊索將會產(chǎn)生較大的船體運動量，當(dāng)外荷載較大時，系泊索難以將船體運動量控制于規(guī)范允許范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致船舶不能進(jìn)行正常的作業(yè)，但高彈性的系泊索可以大幅減小系泊索受力，故如遇實際系泊作業(yè)，需慎重選取系泊索的彈性。

2）增大系泊索剛度或施加預(yù)應(yīng)力均可減小船體運動量；增大系泊索長度、減小系泊索直徑或選用高彈性系泊索均可減小系泊索受力。通過施加預(yù)張力或設(shè)置批芭結(jié)等方式調(diào)整系泊索彈性，均衡并減小其受力，并控制船體在允許范圍內(nèi)運動，可保證碼頭系泊船舶作業(yè)時的安全性。

3）采用組合形式的系泊索（如鋼纜組合尼龍纜）可有效控制船體運動量，減小系泊索受力。在實際系泊作業(yè)中，應(yīng)綜合考慮外荷載、系泊索屬性，合理規(guī)劃方便操作的系泊方案。