基于三維時域方法的大型集裝箱船系泊載荷分析

陳 忱 時永鵬 劉 鵬

(中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200001)

0 引 言

船舶停泊在港口內會受到風、浪、流的聯(lián)合作用，并受到護舷、纜繩的非線性約束，此時系纜船舶發(fā)生六個自由度方向的非線性運動[1-2].隨著船舶大型化發(fā)展，其受風面積，濕表面面積都將增大，各種載荷相應增加，因此，選取經濟且安全的系泊裝置，設計適應船舶特點的系泊布置方案，對船舶碼頭作業(yè)的安全意義重大.

大型集裝箱船具有干舷高、受風面積大的特點，當靠泊狀態(tài)下遇到惡劣天氣時，會產生較大的纜繩系泊載荷，一旦發(fā)生系泊纜斷裂，將會發(fā)生船舶撞毀碼頭并造成自損事故[3]，常規(guī)的簡化計算方法一般是計算船舶在規(guī)范規(guī)定的環(huán)境條件下的合力，再通過出繩角度，同方向纜繩根數(shù)等數(shù)據(jù)簡化計算纜繩拉力，并不能全面反映船舶的復雜環(huán)境條件和纜繩的實時受力狀態(tài).因此有必要采用時域分析方法計算大型集裝箱船的運動狀態(tài)和纜繩受力[4-5]，保證船舶系泊安全.

1 基本參數(shù)

目標船主尺度見表1，碼頭布置見圖1.

表1 船舶主尺度 m

注：港口水深為15 m.

圖1 大型船舶深水港口中的典型碼頭布置示意圖

本船基于所算舾裝數(shù)并結合船東對于系泊的使用需求，實際纜繩總數(shù)為16根，其中：9根在尾部，包括3根倒纜，6根尾纜；7根在首部，包括2根倒纜，3根橫纜和2根首纜.詳細布置及纜繩編號見圖2.

圖2 系泊布置圖及纜繩序號

系泊索的種類有鋼索、天然植物纖維索和合成纖維索等.由于鋼索的彎曲半徑較大，使用操作不便，一般較少使用.目前，使用率較高的系泊索材料為纖維索，而實際使用的纖維系泊索都是合成纖維索，最常用的材料是聚酯、尼龍、聚乙烯和聚丙烯.其中，Dyneema是一種高強度、低彈性的聚乙烯纖維材料，而尼龍則是一種具有較低長度和較高彈性的材料.文中選取了Dyneema及尼龍兩種常用材料的纜繩，分別對其進行了計算，以比較不同的纜繩物理性質對纜繩張力及船舶運動形態(tài)的影響.其中Dyneema，記為Line1；尼龍，記為Line2.具體纜繩參數(shù)見表2.

表2 纜繩參數(shù)

2 計算模型

計算采用BV船級社開發(fā)的Hydrostar和Ariane軟件，其中Hydrostar 水動力計算軟件可用來計算波浪與結構耦合作用，在其計算中能考慮風載荷、流載荷，多體結構相互耦合，前進速度和內部流體運動等的影響.而Ariane 軟件則是通過時域數(shù)值分析評估船體的低頻響應，在每個時間步之后，加入波浪的周期作用，再從“位移-張力”曲線中讀取該時刻纜繩的張力值，從而得到每個時間步的船舶狀態(tài)和纜繩張力.

現(xiàn)采用Hydrostar軟件[6-7]進行水動力計算作為Ariane的數(shù)據(jù)輸入，再在Ariane中建立系泊模型.船舶局部坐標系原點位于中橫剖面、中縱剖面與基平面的交點，x軸正向指向船首，y軸正向指向右舷，z軸正向指向上.計算模型見圖3.

圖3 Ariane中建立系泊模型示意圖

3 計算工況

考慮該船的五種典型裝載工況，分別為18TSD(18T集裝箱出港裝載工況)，12TSD(12T集裝箱出港裝載工況)，22TDD(22T集裝箱出港裝載工況)，10TDD(10T集裝箱出港裝載工況)和NB_A(正常壓載到港裝載工況)，五種工況的具體參數(shù)見表3.

表3 工況參數(shù)

3.1 水動力參數(shù)

船體附加質量由水動力計算得到,見表4.

表4 各工況下的附加質量

依據(jù)BV規(guī)范[8]，采用式(1)計算系泊系統(tǒng)的線性阻尼系數(shù)：

纜繩物理性質的不同會對系統(tǒng)的阻尼系數(shù)有較大影響，本文中選用了“Dyneema”和“尼龍”兩種材料的纜繩，對應的線性阻尼系數(shù)見表5.

3.2 風力系數(shù)與流力系數(shù)

風力系數(shù)和流力系數(shù)的計算采用了“MooringEquipmentGuidelinesinOCIMF[9]Guidelines”中的定義.根據(jù)受風面積計算則可得到OCIMF風力系數(shù)及流力系數(shù)，見表6.

表5 線性阻尼系數(shù)

表6 受風面積 m2

4 環(huán)境條件

4.1 海況

計算中的風、浪分別采用了API風譜和Jonswap譜[10-11].根據(jù)總體設計要求，風、浪、流的參數(shù)見表7，其中前四種工況計算采用的風速為16.2 m/s，最后一種工況(壓載工況)對應風速10.1 m/s.

表7 海況參數(shù)

4.2 環(huán)境組合

基于4.1中總體設計要求規(guī)定的海況進行環(huán)境組合，考慮到港口內波浪方向的不確定性，將波浪方向規(guī)定為0°～ 180°，30°為間隔(0°為迎浪方向)，風浪同向；流為迎流和逆流方向[12-15].報告中還包含了對譜峰周期上下波動15%的敏感度分析，故增加了譜峰周期為2.924和3.956 s的環(huán)境組合.這樣共有42種環(huán)境組合，見表8.

表8 環(huán)境組合

5 計算結果及結果分析

5.1 計算結果

通過計算得到表3中五種裝載工況下的纜繩張力和運動響應，見表9,同時限于篇幅僅列出了壓載工況下兩種材料纜繩的部分環(huán)境載荷和船舶運動的時歷曲線.

表9 不同工況系泊計算結果

圖4為Dyneema及尼龍兩種材料纜繩作用下的運動計算結果，依次列出了橫蕩位移、縱蕩位移的時歷曲線(從4 000～14 800 s).

圖4 船舶運動的時歷曲線

5.2 結果分析

通過表9、圖4的相關計算結果可知：

1) 在指定的環(huán)境載荷和組合下，Dyneema材料纜繩的最小安全系數(shù)為1.78，尼龍纜材料纜繩的最小安全系數(shù)為3.0，均大于BV規(guī)范規(guī)定的1.75的安全系數(shù)，該系泊布置可以滿足系泊要求.

2) 在相同的環(huán)境條件組合下，尼龍纜具有更小的系泊張力，且船舶的運動幅值較大.主要原因在于尼龍纜彈性模量小，具有更小的剛度，纜繩的彈性使各根纜繩上的受力更趨向均衡，降低了纜繩張力的最大值，且對船舶運動限制小.

3) 對于兩種系泊纜，系泊最大張力均發(fā)生在8號纜繩(即尾部倒纜)，原因可歸結為從船舷導纜孔到碼頭系纜墩的纜繩垂向角度較大，使水平縱向分力變小.同時8號纜與縱向的夾角幾乎為零度(而其他纜繩的方向多介于橫向與縱向之間)，使其對縱向運動更加敏感，為抵抗縱向環(huán)境力，纜繩的張力會相應增大.

4) 對于五種裝載工況，同樣環(huán)境條件下壓載工況有更大的纜繩張力；原因可歸結為雖然在壓載工況下的該船縱向受到的浪載荷和流載荷相對其他裝載工況小很多，但是其受風面積卻相對其他裝載工況更大，同時由于裝載工況時吃水很小，一方面導致船舶更容易運動，另一方面使纜繩方向與水平面的夾角更大，纜繩張力在水平方向的有效分力會迅速減小.

6 結 論

1) 彈性較好的纜繩具有更小的系泊張力，但船舶的運動幅值較大，設計時可在允許的運動幅值范圍內，選擇彈性較好的纜繩以提高對環(huán)境載荷的抵抗能力.

2) 纜繩與水平方向的夾角對纜繩張力的利用率有很大影響；本船的干舷很大，纜繩的系泊效率不高，因而在纜繩布置時應該盡量增加纜繩長度，通過調節(jié)浮態(tài)、增加壓載等手段減小干舷，以增加水平分力在纜繩張力中的比重.

3) 最大張力大多發(fā)生在倒纜上，建議通過系泊布置方案優(yōu)化，增加倒纜的長度，減小其對縱向運動的敏感度，或者在布置允許且纜繩足夠的條件下增加倒纜數(shù)量.