船舶系泊動(dòng)力分析數(shù)值模擬計(jì)算研究

高峰，沈文君，李焱，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)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

船舶系泊動(dòng)力分析數(shù)值模擬計(jì)算研究

高峰，沈文君，李焱，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)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

利用動(dòng)力分析方法的數(shù)學(xué)模型SHIP?MOORINGS對(duì)船舶系泊過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)、波浪載荷及橡膠護(hù)舷的碰撞力進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。試驗(yàn)中，系泊船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力隨著波高的增大而增大，隨著波浪周期的增大一般也增大，其變化關(guān)系還與船舶本身的自搖周期有關(guān)。當(dāng)45°斜浪和90°橫浪作用時(shí)，橫移＜1.0 m（PIANC，1995）的要求最容易超標(biāo)，為該浪向作用下船舶作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的主要控制指標(biāo)；當(dāng)0°順浪作用時(shí)，升沉＜1.0 m的要求最容易超標(biāo)，為順浪作用下船舶作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的主要控制指標(biāo)。在45°斜向浪作用時(shí)，沿船長(zhǎng)方向布置的護(hù)舷所受碰撞力分布不均衡，艏、艉處的碰撞力較大，而在90°橫浪和0°順浪作用時(shí)，作業(yè)和系泊條件略好，因此控制浪向?yàn)轸紒?lái)45°斜浪作用。其中，10 000DWT的船型由于噸位相對(duì)較小，風(fēng)浪流作用下，運(yùn)動(dòng)量較大，其中橫搖、橫移表現(xiàn)最為明顯。對(duì)于各泊位所選擇的護(hù)舷型號(hào)，計(jì)算表明，系纜力控制工況下，護(hù)舷所受到的最大撞擊力均小于其設(shè)計(jì)反力，護(hù)舷型號(hào)選擇合理。

船舶系泊；波浪；運(yùn)動(dòng)量；護(hù)舷；數(shù)值模擬

對(duì)于大型船舶的系泊問(wèn)題研究，國(guó)內(nèi)較常用的方法是在波浪水池中采用船模試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，得到所需船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力等參數(shù)，為碼頭設(shè)計(jì)方案確定系泊及作業(yè)條件。相比物理模型研究，國(guó)內(nèi)的數(shù)值研究從20世紀(jì)90年代才開(kāi)始。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和理論方法的進(jìn)步，船舶系泊數(shù)值研究水平以及計(jì)算方法都得到了較好的發(fā)展。數(shù)值模擬需要時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)效益好，可以隨時(shí)增加分析功能，并且通用性好［1］。系泊系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析方法分為靜力分析和動(dòng)力分析。前者以船舶受到的一切外載荷均按照靜力考慮，如風(fēng)荷載、水流力均按照OCIMF（石油公司國(guó)際航運(yùn)論壇）的推薦公式和系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而波浪力只計(jì)入定常漂移力。而后者利用頻域下的波浪激振力、附加質(zhì)量和輻射阻尼，得到時(shí)域下的波浪作用力、附加質(zhì)量和遲滯函數(shù)，最終求得船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)力。對(duì)基于動(dòng)力分析系泊模型主要考慮的外界作用包括：波浪、流、風(fēng)、潮汐等。波浪包含規(guī)則波和不規(guī)則波、流包含潮流和非潮流、風(fēng)場(chǎng)包含穩(wěn)定場(chǎng)和不規(guī)則場(chǎng)、潮汐包含潮流和潮汐［2］。因此，該類型的系泊分析計(jì)算就比較復(fù)雜，具有一定難度。SHIP?MOORINGS是荷蘭Alkyon Hydraulic Consultancy&Research開(kāi)發(fā)的典型動(dòng)力模型分析計(jì)算平臺(tái)，該計(jì)算平臺(tái)由計(jì)算模塊SHIP?MOOR?INGS和后處理模塊POSTMOORINGS組成一個(gè)完整系統(tǒng)，是一款可以模擬風(fēng)、浪、流條件下系泊船舶和其他系泊或錨泊物體的動(dòng)力行為的計(jì)算平臺(tái)。其系泊船舶的運(yùn)動(dòng)是在時(shí)域內(nèi)求解，系統(tǒng)在水平面內(nèi)無(wú)約束，其計(jì)算采用的瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)是基于Cummins［3］提出的方法在時(shí)域內(nèi)求解船舶的運(yùn)動(dòng)方程，而系泊船舶的水動(dòng)力荷載在頻域內(nèi)求解，然后采用Oortmerssen［4］提出的方法將頻域內(nèi)的水動(dòng)力荷載轉(zhuǎn)換到時(shí)域內(nèi)［5］。淺水區(qū)的低頻二階波浪激振力通過(guò)Pinkster理論進(jìn)行模擬。SHIP?MOORINGS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、纜繩力等。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。該計(jì)算平臺(tái)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)舷的非線性剛度，且按照護(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。

1 計(jì)算模式簡(jiǎn)介

1.1 基本理論

（1）船舶運(yùn)動(dòng)量方程。

在SHIP?MOORINGS中船舶運(yùn)動(dòng)量通過(guò)在時(shí)間域求解六自由度運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算得到

對(duì)船舶慣性以及所有外部力量，模型假設(shè)船x-z面是一個(gè)平面的對(duì)稱。同時(shí)，還假設(shè)這船舶是一個(gè)常數(shù)和固定的質(zhì)量分布剛體。

（2）外部荷載。

船舶運(yùn)動(dòng)引起的水動(dòng)力反應(yīng)荷載主要基于Cummins制定時(shí)域中的勢(shì)能理論［6］

式中：Fi表示第i項(xiàng)水動(dòng)力荷載項(xiàng)；m表示無(wú)限頻率的附加質(zhì)量系數(shù)；uj為第j個(gè)速度分量；Kij即為第i和第j項(xiàng)速度延遲函數(shù)。無(wú)限頻率的附加質(zhì)量和延遲函數(shù)主要通過(guò)頻率依賴的附加質(zhì)量和水動(dòng)力阻尼系數(shù)求解計(jì)算，使用勢(shì)能理論三維衍射模型［7］。

風(fēng)荷載基于相對(duì)于船舶自身速度與航向的風(fēng)速及風(fēng)向的函數(shù)計(jì)算，包括考慮了船舶自身運(yùn)動(dòng)的影響。對(duì)于船舶縱移、橫移、橫搖和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)量的風(fēng)力系數(shù)可作為相對(duì)于氣流角α的函數(shù)，表示為

式中：Fi表示第i項(xiàng)風(fēng)荷載項(xiàng)；Ci表示第i項(xiàng)風(fēng)力系數(shù)；α表示（水平面上）相對(duì)氣流夾角；ρa(bǔ)為特定的空氣質(zhì)量；Vw為表示（水平面上）相對(duì)風(fēng)速；Ai表示第i項(xiàng)參考區(qū)面積（對(duì)于縱移即正面投影平面區(qū)域，對(duì)于其他項(xiàng)即橫向平面投影面積）；Si表示風(fēng)矩長(zhǎng)度（對(duì)于縱移和橫移S=1，對(duì)于橫搖S=HM，即工程區(qū)域的平均高度；對(duì)于回轉(zhuǎn)S=Lpp）。對(duì)于升沉運(yùn)動(dòng)，風(fēng)荷載Fi為0，而對(duì)于縱搖即等于FX·HM。

在SHIP?MOORINGS中，粘性橫搖阻尼作為橫搖速度的線性函數(shù)來(lái)模擬

式中：Kvis表示粘性橫搖阻尼矩；dp表示粘性橫搖阻尼系數(shù)；p表示橫搖速度。波浪漂移力作類似于風(fēng)和水流力的處理：

式中：Fi表示第i項(xiàng)平均漂移力；Ci表示特定波譜的平均波浪漂移力系數(shù)；α表示相入射波角度；Hm0表示有效波高。

1.2 基本數(shù)據(jù)輸入

數(shù)據(jù)輸入通過(guò)交互式界面或者ASCⅡ碼文件進(jìn)行輸入，布置圖輔助有關(guān)泊位與船型信息等輸入，并可提供模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)顯示，其主要輸入構(gòu)成如圖1所示，其中包括：

（1）船型數(shù)據(jù)：基本數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)直接調(diào)入，船型特征主要由船-護(hù)舷相互作用的3D描述、流體靜力學(xué)特性和質(zhì)量慣性、靜態(tài)流動(dòng)系數(shù)（沖擊角函數(shù)）、動(dòng)態(tài)流動(dòng)系數(shù)（有旋或粘性流）、風(fēng)力系數(shù)（沖擊角函數(shù)）、船舶動(dòng)力特性附加質(zhì)量、波浪力傳遞函數(shù)、遲滯函數(shù)等。

圖1SHIP?MOORINGS輸入系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1Input system of SHIP?MOORINGS

（2）波浪數(shù)據(jù)：可輸入幾個(gè)主波系（main wave system），這是為了考慮集中波共同作用。對(duì)于主波系，可采用JONSWAP譜定義，由有效波高、最大周期和增強(qiáng)因子等，定義與主波系有關(guān)的各種二階波系，諸如反射與繞射問(wèn)題；包含長(zhǎng)波效應(yīng)、平均波浪漂移力。此外，還允許采用用戶自定義波系等。

（3）其他環(huán)境參數(shù)：這些參數(shù)的數(shù)值或方向在空間與時(shí)間上是變化的，諸如風(fēng)、流和水位。

（4）系泊參數(shù)：纜繩布置、纜繩特征、護(hù)舷布置、護(hù)舷特性等。

1.3 系泊模型坐標(biāo)系

SHIP?MOORINGS采用兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，一個(gè)是地球固定坐標(biāo)系一個(gè)是船體坐標(biāo)系（圖1）。兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的OXY平面都平行于碼頭平面。地球固定坐標(biāo)系統(tǒng)是為了指定環(huán)境工況以及船舶的初始位置和方向。X1軸指向右，Z1軸的原點(diǎn)位于水平面。船體坐標(biāo)系用于與船舶相關(guān)的輸入和輸出，例如導(dǎo)纜孔及護(hù)舷的位置。船體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于船舶的中心，Z1軸位于初始靜水面。該系統(tǒng)的x軸也平行于碼頭泊位平面，但根據(jù)船的方向，X2軸的正方向可指向右也可指向左。當(dāng)鳥(niǎo)瞰圖中船艏指向右時(shí)，船體坐標(biāo)系的X2軸也指向右，且相應(yīng)的Y2軸指向上。當(dāng)鳥(niǎo)瞰圖中船艏指向左時(shí)，船體坐標(biāo)系的X2軸也指向左，且相應(yīng)的Y2軸指向下。外界環(huán)境載荷對(duì)船體的作用方向，按照繞地球固定坐標(biāo)系X軸的逆時(shí)針?lè)较蛑付?，如圖2所示。

圖2坐標(biāo)系示意圖與環(huán)境載荷角度意圖Fig.2Coordinate system and environment load direction

2 系泊試驗(yàn)?zāi)M條件

2.1 試驗(yàn)船型主尺度

船型主尺度見(jiàn)表1。船舶裝載狀態(tài)包括滿載、半載和壓載三種狀態(tài)。

2.2 風(fēng)浪流

（1）風(fēng)況。風(fēng)速18 m/s；風(fēng)向?yàn)闁|南向。對(duì)于#A1和#A2泊位為艉來(lái)順風(fēng)，對(duì)于#B1和#B2泊位為吹開(kāi)橫風(fēng)。

（2）波浪。試驗(yàn)波浪條件主要參考前期數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，主要波浪要素如表2所示。在數(shù)值模擬計(jì)算中，采用JONSWAP對(duì)波浪進(jìn)行模擬，譜峰因子取值為3.3。

（3）潮流。工程前實(shí)測(cè)潮流流速不大，最大流速在0.17～0.31 m/s。潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明，工程實(shí)施后，碼頭回旋區(qū)形成回流，流速不大，綜合考慮，計(jì)算時(shí)碼頭前沿水流為0°（艉來(lái)順流），#A1、#A2泊位前的流速為0.15 m/s，#B1、#B2泊位前的流速為0.10 m/s。

表1設(shè)計(jì)船型統(tǒng)計(jì)表Tab.1Statistics of design ship type

表2波浪要素表Tab.2Design wave conditions

2.3 纜繩與系泊設(shè)施

根據(jù)設(shè)計(jì)船型情況，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，確定纜繩采用尼龍纜。其中70 000DWT散貨船尼龍纜直徑72 mm，纜繩破斷力為740 kN，系纜方式為3：3：2（圖3-a），單根纜繩初始力12 t；30 000DWT散貨船尼龍纜直徑64 mm，纜繩破斷力為580 kN，系纜方式為3：3：2（圖3-b），單根纜繩初始力10 t；10 000DWT散貨船尼龍纜直徑52 mm，纜繩破斷力為390 kN，系纜方式為3：3：2（圖3-c），單根纜繩初始力10 t。對(duì)于70 000DWT船舶，系纜設(shè)施為1 000 kN系船柱，30 000DWT船舶的系纜設(shè)施為650 kN系船柱，10 000DWT船舶的系纜設(shè)施為400 kN系船柱。

模擬計(jì)算時(shí)對(duì)每根纜繩建模分析。計(jì)算條件下，70 000DWT、30 000DWT和10 000DWT的散貨船的纜繩總數(shù)均為16根，每根纜繩的受力變形曲線根據(jù)通用的WILSON公式［8］計(jì)算獲得（圖4）。

2.4 護(hù)舷

#A1碼頭采用單鼓SUC1600H低反力型護(hù)舷型式，計(jì)算時(shí)參考碼頭布置圖以及系纜示意圖，設(shè)置了15個(gè)護(hù)舷結(jié)構(gòu)，部分間距為16 m，部分間距為21 m。#A2碼頭采用單鼓SUC1450H低反力型護(hù)舷型式，計(jì)算時(shí)參考碼頭布置圖以及系纜示意圖，設(shè)置了12個(gè)護(hù)舷結(jié)構(gòu)，部分間距為16 m，部分間距為20.5 m。#B1和#B2碼頭采用單鼓SCK1150H低反力護(hù)舷型式，計(jì)算時(shí)參考碼頭布置圖以及系纜示意圖，設(shè)置了9個(gè)護(hù)舷結(jié)構(gòu)，部分間距為16 m，部分間距為18.5 m。各護(hù)舷性能如表3所示，受力變形曲線如圖4所示。

圖3系纜及護(hù)舷布置示意圖Fig.3Arrangement of mooring lines and fenders

表3護(hù)舷性能表Tab.3Fender performance

3 系泊參考標(biāo)準(zhǔn)

3.1 船舶運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)

系泊船舶運(yùn)動(dòng)量是衡量船舶作業(yè)條件的重要技術(shù)指標(biāo)之一，包括船舶的縱移、橫移、升沉、縱搖、橫搖、回旋共計(jì)6個(gè)自由度。根據(jù)技術(shù)要求，本次試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)際航運(yùn)會(huì)議常設(shè)協(xié)會(huì)（PIANC）于1995年推薦的抓斗式散貨船允許運(yùn)動(dòng)量［9］（表4）。

3.2 船舶系纜力標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF）《Mooring Equipment Guidelines（2008）》的規(guī)定，“對(duì)于鋼纜（steel wire），其纜繩所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力（MBL）的55%。對(duì)于合成纖維纜（synthetic rope），其纜繩所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力的50%；對(duì)于尼龍纜（polyamide rope），其纜繩所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力的45%”［10］。因此，本次試驗(yàn)系纜力標(biāo)準(zhǔn)如下：70 000DWT船舶單根纜繩的最大受力應(yīng)小于Φ72 mm的尼龍纜的最小破斷力的45%，為333 kN（33.9 t）；30 000DWT船舶單根纜繩的最大受力應(yīng)小于Φ 64 mm的尼龍纜的最小破斷力的45%，為261 kN（26.6 t）；10 000DWT船舶單根纜繩的最大受力應(yīng)小于Φ52 mm的尼龍纜的最小破斷力的45%，為175.5 kN（17.9 t）。

表4散貨船允許運(yùn)動(dòng)量（PIANC，1995）Tab.4Allows movement of bulk carrier

圖4纜繩與護(hù)舷受力變形曲線Fig.4Fender stiffness curve

4 計(jì)算結(jié)果與分析

試驗(yàn)分別對(duì)三種船型在風(fēng)浪流共同作用下的泊位作業(yè)條件和系泊條件進(jìn)行了分析，三種船型的模型建立以及各泊位的位置分布如圖5所示。

數(shù)模試驗(yàn)中，作業(yè)條件主要以船舶作業(yè)時(shí)允許的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)量為依據(jù)進(jìn)行判斷，試驗(yàn)中當(dāng)45°斜浪和90°橫浪作用時(shí)，橫移＜1.0 m的要求最易超標(biāo)，故為該條件下的主要控制指標(biāo)；當(dāng)0°順浪作用時(shí)，升沉＜1.0 m的要求最易超標(biāo)，故為該條件下的主要控制指標(biāo)。對(duì)應(yīng)的系泊條件，則主要以纜繩所受系纜力不應(yīng)大于其最小破斷力的45%為依據(jù)進(jìn)行判斷。

4.1 70000 DWT船型計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)進(jìn)行了包含艏來(lái)45°斜浪和艏來(lái)0°順浪兩個(gè)浪向與風(fēng)、流組合的計(jì)算，其中艏來(lái)45°斜浪條件下，進(jìn)行了設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位兩個(gè)水位條件下的計(jì)算。結(jié)果表明，水位的變化對(duì)系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力的影響不大，故艏來(lái)0°順浪時(shí)只進(jìn)行了設(shè)計(jì)低水位的計(jì)算，相應(yīng)其他船型也對(duì)水位組合進(jìn)行了簡(jiǎn)化。試驗(yàn)結(jié)果表明可知，70 000 DWT船在艏來(lái)45°斜浪作用下，橫纜力一般大于其他纜力。對(duì)比滿足作業(yè)條件限制波高工況與滿足系泊條件的限制波高工況可知，系泊條件的允許波周期可大于作業(yè)條件的允許波周期。在艏來(lái)0°順浪與風(fēng)、流共同作用下，6個(gè)運(yùn)動(dòng)量中以船舶升沉為控制因素。順浪作用下，船舶系纜力不大，各試驗(yàn)條件下系纜力均未超過(guò)Φ72 mm的尼龍纜的最小破斷力的45%，故70 000DWT船的系泊條件由45°斜浪控制。斜浪與順浪作用下，船舶護(hù)舷所受的撞擊力均小于護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力，表明護(hù)舷設(shè)計(jì)型號(hào)滿足要求。該船型的主要試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所示。

圖5三種試驗(yàn)船型的模型布置圖Fig.5 Layout of three kinds of ship model

表570 000 DWT船分別以運(yùn)動(dòng)量和系纜力為控制條件的作業(yè)和系泊條件Tab.5With movement and mooring force control condition of assignments and mooring conditions for 70，000 DWT ship

4.2 30000 DWT船型計(jì)算結(jié)果

艏來(lái)45°斜浪與風(fēng)、流共同作用下，當(dāng)有效波高達(dá)到1.0 m時(shí)，橫移已略有超標(biāo)，達(dá)到1.5 m時(shí)，橫移超標(biāo)較大，因此建議作業(yè)允許的有效波高不應(yīng)大于1.0 m。試驗(yàn)表明，30 000DWT船在艏來(lái)45°斜浪作用，橫纜力一般大于其他纜力，對(duì)比滿足作業(yè)條件限制波高工況與滿足系泊條件的限制波高工況可知，系泊條件的允許波周期要大于作業(yè)條件的允許波周期。艏來(lái)0°順浪與風(fēng)、流共同作用下，6個(gè)運(yùn)動(dòng)量中船舶升沉為控制因素。順浪作用下，船舶系纜力不大，各試驗(yàn)條件下系纜力均未超過(guò)Φ64 mm的尼龍纜的最小破斷力的45%，故30 000DWT船的系泊條件由45°斜浪控制。斜浪與順浪作用下，船舶護(hù)舷所受的撞擊力均小于護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力，表明護(hù)舷設(shè)計(jì)型號(hào)滿足要求。該船型的主要試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6所示。

4.310 000DWT船計(jì)算結(jié)果

在90°橫浪作用下，當(dāng)有效波高達(dá)到1.0 m時(shí)，橫移超標(biāo)較大，因此建議作業(yè)允許的有效波高應(yīng)小于1.0 m。10 000DWT船在90°橫浪作用，橫纜力一般大于其他纜力，對(duì)比滿足作業(yè)條件限制波高工況與滿足系泊條件的限制波高工況可知，波高在0.3～0.8 m時(shí)，系泊條件的允許波周期可大于作業(yè)條件的允許波周期。45°斜浪與風(fēng)、流共同作用下，當(dāng)有效波高達(dá)到1.0 m時(shí)，橫移超標(biāo)較大，因此建議作業(yè)允許的有效波高應(yīng)小于1.0 m。對(duì)比滿足作業(yè)條件限制波高工況與滿足系泊條件的限制波高工況可知，波高在0.3～0.8 m時(shí)，系泊條件的允許波周期要大于作業(yè)條件的允許波周期。斜浪與順浪作用下，船舶護(hù)舷所受的撞擊力均小于護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力，表明護(hù)舷設(shè)計(jì)型號(hào)滿足要求。該船型的主要試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7所示。

表630000DWT船分別以運(yùn)動(dòng)量和系纜力為控制條件的作業(yè)和系泊條件Tab.6With movement and mooring force control condition of assignments and mooring conditions for 30，000 DWT ship

表710 000 DWT船分別以運(yùn)動(dòng)量和系纜力為控制條件的作業(yè)條件和系泊條件Tab.7With movement and mooring force control condition of assignments and mooring conditions for 10，000 DWT ship

5 結(jié)語(yǔ)

采用基于動(dòng)力分析方法的船舶系泊數(shù)值模擬計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)對(duì)不同設(shè)計(jì)船型在風(fēng)浪流共同作用下的系泊試驗(yàn)分析，給出了70 000DWT、30 000DWT和10 000DWT散貨船以是否滿足運(yùn)動(dòng)量和系纜力要求的作業(yè)和系泊控制條件，并得出如下結(jié)論：

（1）以船舶運(yùn)動(dòng)量作為標(biāo)準(zhǔn)，45°斜浪、90°橫浪作用時(shí)橫移（Sway）是船舶作業(yè)控制指標(biāo)，而當(dāng)0°順浪作用時(shí)升沉（Heave）為船舶作業(yè)的控制指標(biāo)。系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力隨著波高、波周期的增加有增大趨勢(shì)，其變化幅度與不同船型本身的固有周期有關(guān)。系泊船舶在45°斜向波浪作用時(shí)，護(hù)舷所受碰撞力分布不均衡，以艏艉處的碰撞力較大，在90°橫浪作用時(shí)，護(hù)舷所受碰撞力分布較為均衡。

（2）各試驗(yàn)船舶均在0°順浪作用時(shí)的作業(yè)和系泊條件明顯好于45°浪，故其系泊控制條件為艏來(lái)45°斜浪作用時(shí)，10 000DWT船型由于噸位相對(duì)較小，受風(fēng)浪流影響較大，以橫搖、橫移表現(xiàn)最為明顯。在系纜力控制工況下，護(hù)舷所受到的最大撞擊力均小于其設(shè)計(jì)反力，護(hù)舷型號(hào)選擇合理。

（3）船舶系泊數(shù)值計(jì)算分析在我國(guó)使用不夠普遍，大部分還是以物理模型試驗(yàn)為主。與目前國(guó)內(nèi)各主要設(shè)計(jì)單位采用的靜力分析方法為主的系泊計(jì)算相比，由于波浪等因素的動(dòng)力作用不應(yīng)被忽略或簡(jiǎn)化，因此靜力模型具有一定局限性，因此還是應(yīng)該選用以動(dòng)力模型為基礎(chǔ)的軟件進(jìn)行分析計(jì)算，并隨著今后相關(guān)數(shù)、物模以及原型試驗(yàn)的比較積累更多的經(jīng)驗(yàn)。

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Study on numerical simulation of ship mooring by dynamic analysis

GAO Feng,SHEN Wen?jun,LI Yan,TAN Zhong?hua
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Based on numerical simulation model of SHIP?MOORINGS,the movement,wave load and impact force of the rubber fender in the process of ship mooring were calculated.During the test,the momentum,mooring force and impact force increase with the increasing of wave height and wave period,and the change has relationship with ship′s natural period.When the wave direction is 45°and 90°,the requirement of sway below 1.0 m(PIANC, 1995)is most likely to be out of limits,and it is the main control index of ship operation condition.When the wave direction is 0°,the requirement of heaving below 1.0 m is most likely to be out of limits,and it is the main control in?dex of ship operation condition.In oblique wave of 45°,the fenders along the ship are under uneven force,and the impact forces on ship bow and stern are bigger.In transverse wave of 90°and following sea of 0°,the operation and mooring condition is slightly good,so control wave direction is oblique wave of 45°.Among them,the ship move?ment under the action of wind and waves is obvious because 10,000 DWT ship type is relatively small.For each fender type,the calculation results show that the biggest impact force is all less than its design reaction under the control condition of mooring force,and the fender selection is reasonable.

ship mooring;wave;movement;fender;numerical simulation

U 661.3；O 242.1

A

1005-8443（2015）06-0494-08

長(zhǎng)江南京深水航道一期工程交付使用

2015-06-12；

2015-10-29

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（TKS130203）

高峰（1978-），男，山東省蓬萊市人，高級(jí)工程師，主要從事港口航道及海岸工程研究。Biography：GAO Feng（1978-），male，senior engineer.

本刊從長(zhǎng)江航務(wù)管理局獲悉，2015年12月3日，長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道一期工程交接會(huì)在江蘇南通召開(kāi)，標(biāo)志著長(zhǎng)江干線太倉(cāng)至南通段12.5 m深水航道進(jìn)入正式交付使用。根據(jù)此前一年5個(gè)月的試運(yùn)行情況，一期工程進(jìn)入正式運(yùn)行階段后，長(zhǎng)江干線太倉(cāng)至南通段12.5 m深水航道可滿足5萬(wàn)t級(jí)集裝箱船舶（實(shí)載吃水≤11.5 m）全潮，5萬(wàn)t級(jí)散貨船、油船乘潮雙向通航以及10萬(wàn)t級(jí)及上海輪減載乘潮通航的要求。自此，長(zhǎng)江下游12.5 m深水航道里程也將達(dá)到79 km。（殷缶，梅深）