大型滾裝船碼頭系泊能力數(shù)值仿真研究

王 果，張 雯，何沁園，郭建廷，翁歡英，劉靖嶠，嵇春艷

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

0 引 言

隨著全球航運業(yè)的發(fā)展，船舶越來越趨于大型化，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)運裝卸載作業(yè)時間長，對碼頭系泊能力的需求更為明顯。不可否認安全性是評判碼頭系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[1-2]。雷林等[3]基于三維勢流理論，運用Ansys-aqwa 模塊對大型游船碼頭系泊系統(tǒng)進行頻域、時域分析，得到一系列參數(shù)和運動規(guī)律。王金光等[4]對半潛平臺碼頭系泊系統(tǒng)進行了設(shè)計研究。胡毅等[5]應(yīng)用多體水動力學軟件Aqwa，研究了在風、浪、流聯(lián)合作用下大型LNG 船碼頭系泊時的運動響應(yīng)。王建華等[6]基于開源平臺Open FOAM 開發(fā)的船舶與海洋工程CFD 求解器，對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動響應(yīng)進行了數(shù)值模擬。鄒志利[7]對港口內(nèi)靠碼頭系泊船的運動進行了數(shù)值計算研究。馬小劍等[8]對風流作用下船舶碼頭系泊時纜繩張力及運動量進行了研究。本文基于三維勢流理論，利用Ansys-aqwa 軟件對某大型滾裝船的水動力性能和碼頭系泊能力進行數(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，并對碼頭系泊系統(tǒng)的安全性能進行評判，給出各工況下該船的六自由度動力響應(yīng)。

1 坐標系的定義與水動力模型的建立

1.1 坐標系定義

船體坐標系及環(huán)境坐標系的定義，如圖1 所示。X 軸由船體中心線船艉指向船首，Y 軸由右舷指向左舷，環(huán)境載荷以逆時針方向為正，從船尾指向船首為0°，首搖以X 正軸向Y 正軸轉(zhuǎn)動的右手坐標系為正。

圖1 坐標系定義Fig. 1 Definition of coordinate system

1.2 水動力模型

某大型滾裝船舶主要主尺度為：垂線間長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696 m、寬30 m。水動力模型和碼頭系泊示意圖如圖2 所示。

圖2 水動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 頻域水動力分析

基于三維勢流理論，應(yīng)用面元積分法通過Aqwaline 模塊對該船進行頻域水動力性能分析，即研究該滾裝船在規(guī)則波中的基本水動力性能，包括運動響應(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。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)盡量避開該浪向角，采取頂浪方式航行可有效減少船體橫搖對人員、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 個自由度1 階波激力的最大值對應(yīng)的浪向與6 個自由度RAO 最大值對應(yīng)的浪向基本一致，說明本船1 階波激力對船舶運動起主導作用，而且浪向角對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 時域耦合計算

在風、浪、流載荷聯(lián)合作用下利用Aqwa-drift 模塊，研究該船6 個自由度的運動響應(yīng)和各系泊纜張力的變化情況，同時對系泊系統(tǒng)各纜繩的安全性進行評估。

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、碼頭相互對應(yīng)的8 組系泊點坐標如表1 所示。

表1 大型滾裝船碼頭系泊系統(tǒng)對應(yīng)的8 組系泊點坐標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浪流統(tǒng)計數(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

在船舶達到平衡位置后，求解此時系泊纜繩張力隨時間的變化情況，統(tǒng)計出纜繩張力的最大值，并對纜繩的安全性進行校核，當纜繩最大張力小于纜繩破斷載荷時，滿足安全性能要求。各纜繩最大張力計算結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出：

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

2）通過不同工況的對比分析得出：浪、流載荷不變時，風向?qū)Ω骼|繩的張力影響非常大，與隴風相比開風可直接導致所有纜繩張力大幅增加，而且在開風情況下風速增加也可直接導致各纜繩張力增加，在隴風情況下風速增加對各纜繩張力影響不大；流、風載荷不變時，波浪周期固定時浪高增加可導致各纜繩張力增加，波浪周期增加可導致各纜繩張力減??；浪、風載荷不變時，流向?qū)Ω骼|繩的張力會產(chǎn)生影響，船尾迎流時各纜繩中最大張力小于船首迎流時各纜繩中最大張力，而且船尾迎流時除4 號、7 號、8 號纜繩外其余纜繩的張力載荷均小于船首迎流時，4 號、7 號、8 號纜繩因為是倒纜，在船首迎流時由于船體向后的運動趨勢導致張力有所減小。

表2 大型滾裝船舶碼頭系泊能力考核計算工況組合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、風速、風向等變化因素中，碼頭系泊時風向?qū)Ω骼|繩張力的影響程度遠超其他因素的影響程度。因為當風向為隴風時，滾裝船存在向碼頭靠近的運動趨勢，擠壓碼頭護舷，對各纜繩在張力方向不會產(chǎn)生影響，因此所有隴風工況下各纜繩張力均較小。但當風向為開風時，各纜繩除了承受在浪、流載荷作用下滾裝船X 方向運動產(chǎn)生的縱向力，而且還需承受開風作用下滾裝船Y 方向運動（離開碼頭趨勢）產(chǎn)生的橫向張力，導致各纜繩張力大幅增加；特別是3 號、6 號纜繩的張力載荷增加更為明顯，因為3 號、6 號纜繩都比較短，特別是6 號纜繩最短，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)中間各纜繩長度差異過大的情況，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 大型滾裝船運動響應(yīng)分析

當船體達到平衡位置后，在1 階波浪力的作用下進行往復運動。不同工況對應(yīng)的風浪流載荷聯(lián)合作用下，該滾裝船的六自由度運動響應(yīng)結(jié)果如表4 和表5 所示。

通過不同工況的對比分析可以看出：

1）風浪流載荷中各變量因素對船體六自由度運動響應(yīng)影響最大的就是風向，其中風向?qū)Υw運動中橫蕩、橫搖、首搖的影響最大，對縱蕩的影響次之，對垂蕩、縱搖基本沒有影響。

2）就縱蕩運動響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時，風向?qū)ζ溆绊戄^大，開風時縱蕩幅值大于隴風時，風速對縱蕩的影響很小；流、風載荷不變時，波浪周期固定時浪高對縱蕩的影響較小，波浪周期增加會引起縱蕩幅值增加；浪、風載荷不變時，流向?qū)v蕩幅值會產(chǎn)生影響，船尾迎流時縱蕩幅值小于船首迎流時。

3）就橫蕩運動響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時，風向?qū)ζ溆绊懞艽?，開風時船體遠離碼頭，橫蕩幅值為正值且很大，隴風時船體擠壓碼頭，橫蕩幅值很??；而且風速增加必然導致橫蕩幅值增加；流、風載荷不變時，波浪周期、浪高對橫蕩的影響不大；浪、風載荷不變時，流向?qū)M蕩幅值的影響不大。

4）就垂蕩運動響應(yīng)而言，風向、風速、波浪周期、浪高、流向?qū)ζ溆绊懢苄　?/p>

5）就橫搖運動響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時，風向?qū)ζ溆绊懞艽?，開風時橫搖幅值遠大于隴風時，風速增加也會引起橫搖幅值增加；流、風載荷不變時，波浪周期固定時浪高增加會引起橫搖幅值增加，波浪周期增加會引起橫搖幅值減小，但是影響程度都很小，可忽略不計；浪、風載荷不變時，流向?qū)M搖幅值的影響不大。

6）就縱搖運動響應(yīng)而言，浪、流載荷不變時，風向、風速對縱搖幅值的影響很?。涣?、風載荷不變時，波浪周期固定時浪高增加會引起縱搖幅值增加，波浪周期增加會引起縱搖幅值大幅增加；浪、風載荷不變時，流向?qū)v搖幅值會產(chǎn)生影響，船尾迎流時縱搖幅值大于船首迎流時。

7）就首搖運動響應(yīng)而言，風向?qū)ζ溆绊懞艽?。波浪周期較短時，吹開風艏搖幅值遠大于吹隴風，而且開風時艏搖幅值均為負值，表明開風時船首擠壓碼頭，使得尾部纜繩張力大于首部纜繩張力，因此開風工況中均是6 號纜繩張力最大。波浪周期較長時，隴風時艏搖幅值接近于開風時，但吹開風首搖幅值仍大于吹隴風。吹開風時，風速或浪高增加均會引起首搖幅值減?。淮惦]風時，風速或浪高增加均會引起首搖幅值增加。

4 結(jié) 語

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

表4 各工況縱蕩、橫蕩、垂蕩的運動響應(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、艏搖的運動響應(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，橫搖RAO、縱搖RAO、首搖RAO 呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；淺水效應(yīng)對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船舶運動起主導作用，而且浪向角對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)計方案能夠滿足安全系泊的要求；風向?qū)ο挡聪到y(tǒng)中各纜繩張力的影響程度遠超其他因素，流向?qū)Ω骼|繩張力的影響也較為明顯。開風時各纜繩張力較隴風時大幅增加，特別是3 號、6 號短橫纜的張力載荷增加最為明顯；在系泊系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)關(guān)注短纜的張力載荷，盡量避免出現(xiàn)中間各纜繩長度差異過大的情況。

3）風向?qū)υ摯笮蜐L裝船六自由度運動響應(yīng)影響最大，特別是橫蕩、橫搖、首搖運動響應(yīng)，開風時橫蕩、橫搖、縱蕩、首搖運動響應(yīng)幅值均大于隴風時；對縱蕩運動響應(yīng)的影響次之，對垂蕩、縱搖基本沒有影響。風速增加導致橫蕩、橫搖幅值增加；開風時風速增加引起首搖幅值減小，隴風時風速增加引起首搖幅值增加；風速對縱蕩、垂蕩、縱搖基本沒有影響。

4）浪高增加會引起橫搖、縱搖幅值增加；開風時浪高增加引起首搖幅值減小，隴風時浪高增加引起首搖幅值增加；浪高對縱蕩、橫蕩、垂蕩的影響較小。波浪周期增加會引起縱蕩、縱搖幅值增加，對橫蕩、垂蕩、橫搖幅值的影響較小。船尾迎流時縱蕩幅值小于船首迎流時，但船尾迎流時縱搖幅值大于船首迎流時；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)雖然能夠滿足安全系泊的要求，但是3 號、6 號纜繩張力相對比較大，各纜繩受力不均衡，極易導致這2 根纜繩破斷。因此該滾裝船碼頭系泊設(shè)計方案提出建議優(yōu)化改進：3 號纜繩的碼頭系泊點改到4 號纜繩的碼頭系泊點，6 號纜繩的碼頭系泊點改到5 號纜繩的碼頭系泊點，1 號纜繩的碼頭系泊點X 坐標減小25 m，8 號纜繩的碼頭系泊點X 坐標增大25 m。使得船舶六自由度運動時4 號、5 號、7 號、8 號纜繩也可抵抗更多的橫向載荷，從而減小3 號、6 號纜繩的受力，提高碼頭系泊系統(tǒng)的安全性。