船舶在固定护舷约束下的运动和动力响应

董航，张宁川，孙振祥，宋悦，潘文博，周卓炜，李超，田永进

（大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，大连116024）

船舶在固定护舷约束下的运动和动力响应

董航，张宁川，孙振祥，宋悦，潘文博，周卓炜，李超，田永进

（大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，大连116024）

边际油田开发过程中，有时将储（运）船舶停靠在导管架平台内，在导管架上布置横、纵护舷以约束储运船舶。采用物理模型试验方法，研究了随机波浪作用下，船体在固定护舷约束下的运动和动力响应问题。试验结果表明：原型3000t级储运船舶，当船侧与横向护舷间隙为500 mm、纵向护舷间隙为零时，船舶各运动分量较为自由，未见甲板上浪情况。单个横向护舷最大吸收能量为1465kJ，纵向护舷最大吸收能量为745 kJ。随着船侧与护舷间隙减小，船舶各运动分量运动受到限制，不同程度的出现甲板上浪现象，护舷吸收能量相比于间隙为500 mm情况有所减小。当考虑船舶运动及甲板上浪时，船体与护舷间应适当留有间隙；当考虑护舷及船体碰撞安全时，应适当减小间隙。

随机波浪；储运船；护舷约束；动力响应；运动响应

边际油田开发追求开发成本的最低化。采用船舶存储运输一体化被认为是一种可行的储运方案。该方案中，将储运船舶停靠在导管架内，通过固定在导管架上的护舷对其约束（省略系泊缆绳，参见图1）。为了保证储运船舶及导管架的安全，掌握该约束条件下，波浪作用时船舶运动规律及其对护舷的作用大小是必要的。该问题理论上可归结为多点非线性约束条件下船舶的动力响应问题。此类问题的研究多限于船舶在多根缆绳约束下的动力响应，而护舷约束条件下，船舶除受随机波浪作用外，还将受到横、纵护舷的双向反力作用；同时，船舶运动形态还将受到船舶与护舷之间的间隙影响。

影响船舶运动响应的重要因素包括船舶自身因素（如横摇阻尼、载重、舭龙骨设置等）、环境动力因素（如波浪、水流、风等）、系泊方式等几个方面。波浪作用下缆绳系泊船舶的动力响应问题研究几乎涉猎了上述的各个方面，成果也较为丰富。如Park等［1］Yuck等［2］从横摇阻尼的角度、秦耀良等［3］就不同载重情况及舭龙骨的影响问题、杨旭等［4-8］对不同类型的船舶、杨建民等［9-14］就不同动力环境下船体的运动响应进行的研究工作。但迄今为止，船舶在固定护舷约束条件下的运动和动力响应问题研究尚未见相关报导。鉴于问题的特殊性和复杂性，采用物理模型试验方法是解决该问题的有效的现实途径。

本文以中国海洋石油工程公司某实际工程背景为依托，采用物理模型试验方法，研究了随机波浪作用下，储运船舶在固定护舷约束下的运动和动力响应问题。试验测量船舶的运动量、护舷压缩（变位）量及护舷反力，通过计算得到护舷吸收能量，从而分析护舷与船体间隙变化对船舶运动和动力响应的影响；并从船舶运动和护舷吸收能量双重角度讨论了护舷与船体间的合理间隙问题。研究结果为工程应用提供参考依据。

图1 储运船舶在导管架中的护舷约束示意图Fig.1Sketch of storage vessel with fender constraints in the jacket

1 试验设备及测量仪器

1.1 试验设备（水池及造波系统）

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室港口与近海工程研究所波流多功能综合实验水池中进行。波流多功能综合实验水池长55 m、宽34 m、深1.5 m。水池前端配备总长28 m（70块造波板）的液压式多向不规则波造波机系统。水池的两侧安装有网箱式消能设备，有效减弱边界效应。水池尾部安装有架空斜坡式消能尼龙网，侧面布置消能网箱边界，以尽量避免波浪的反射所带来的误差。造波设备如图2。

1.2 测量仪器

波浪测量采用北京水科院研制生产的DS30型浪高测量系统。该系统可同步测量多点波面过程并进行数据分析，单点采样时间最小间隔为0.0015s（可根据试验要求设置）；浪高传感器标定线性度大于0.999。测量精度可达mm级。

船舶运动量的测量采用水利部交通运输部国家能源局和南京水利科学研究院研制生产的FL⁃NH08K漂浮体六分量运动测量系统，该系统采样频率可于0.2～120 Hz内设定，位移量绝对误差≤1 mm，角量绝对误差≤0.4°。

护舷反力、变位测量采用天津港湾研究院生产的NLS型护舷反力、压缩变位测量系统。该系统的力和位移传感器在机械上是连动的，当受到撞击时，可同步输出电压信号。传感器采样时间最小间隔均为0.003 s。反力测量范围为0.5～200 N，测试相对误差≤4%；变位测量范围为5 cm，测试相对误差≤5%。

图2 造波设备Fig.2Wave⁃making equipment

表1 船舶特征尺度数据Tab.1Vessel′s characteristic data

图3 储运船及导管架模型Fig.3Storage vessel model and jacket model

图4 护舷模拟曲线Fig.4Simulation curve of fenders

2 模型相似、试验组别及试验方法

依据水池条件和波浪模型试验规程要求选取试验模型比尺为1：33。试验对象为具有3000t级运输能力的储运船。船舶的特征尺度数据如表1所示。模型船完全依照模型比尺由原型船线性缩小得来，可以保证线性尺度相似。同时通过合理的配重布局，使模型船的重心、横倾及纵倾周期等特征尺度数据符合动力相似条件。导管架模型由钢管焊接而成，包括钢管尺寸在内完全由原型按1：33的比例缩小，在结构上满足几何相似的前提下，同时保证钢管架模型的刚度不低于实际结构的刚度。储运船和导管架模型如图3所示。

护舷传感器可以测量反力和压缩变位，通过软件计算得到护舷吸收能量。依据工程实际情况选用横向护舷类型为SCK2000H,E1.7（最大反力为2007kN，最大吸收能量为1764kJ，允许压缩量200 cm），纵向护舷类型为SCK1600H,E1.7（最大反力为1286kN，最大吸收能量为903 kJ，允许压缩量160 cm），安装均采用一板两鼓形式。横向护舷与纵向护舷的标定曲线与目标曲线的比较示例如图4所示，可见拟合情况较好。

试验时，水池水深为0.67 m，波浪方向为对船舶稳定最为不利的横向波浪，试验未考虑流、风等因素的影响。对于不规则波浪的模拟采用JONSWAP谱。首先在软件输入目标波浪的特征参数，经软件计算转化为造波信号驱动造波机工作，同时实时采集实际制造波浪的特征参数，经过数次较准、复核，最终得到的波浪误差≤2%，波浪场中布置的浪高仪阵列保证了波浪场的均匀性。

试验波高选用有效波高1.5 m，谱峰周期选用与船舶横摇周期相同的7.5 s，通过改变护舷与船体之间的间隙，采集不同护舷间隙下，船体的运动和动力响应相关数据。间隙绝对误差可保证在±1 mm范围内，换算到原型误差为±33 mm。对目标间隙为0 mm的工况，可以保证间隙为0，但护舷有微压缩，模型中测量得到的各个横向护舷初始反力在0.1～0.2 N范围内变化，换算到原型约为3.6～7.2 kN。运动响应由六个运动分量（横荡、纵荡、横倾、纵倾、垂荡、回转）来体现，动力响应通过护舷吸收能量来体现。试验组次汇总如表2所示。

表2 不同间隙试验工况汇总（纵向护舷间隙为0 mm）Tab.2Summary of gap⁃series test(surge gap∶0 mm)

图5 运动过程示例（有间隙）Fig.5Hydrograph of motion(some gap）

图6 船舶轻微上水（横向间隙100～500 mm）Fig.6Little green water(sway gap∶100～500 mm)

3 船舶与固定护舷的间隙对船舶运动的影响

当横向护舷间隙500～300 mm、纵向护舷间隙0 mm时，船舶运动除纵荡方向受到限制外，其他5个自由度依然呈无约束自由状态。横荡及横摇运动的时间过程线跨0对称性较好，参见图5-a。

当横向护舷间隙100 mm、纵向护舷间隙0 mm时，船舶运动除纵荡方向受到限制外，其他5个自由度运动也受到不同程度的影响。表现为横荡运动时间过程线跨0对称性不好，参见图5-b；但横摇运动时间过程线跨0对称性依然较好，参见图5-c。

当横向护舷间隙500～100 mm、纵向护舷间隙0 mm时，船舶升沉运动未见受到横向护舷的干扰。周期7.5 s、有效波高1.5 m的横向不规则波作用时，大浪作用时船舶轻微上水。

当横向和纵向间隙均为0 mm、横向护舷无初始压力（实际压力约3～7 kN）时，船舶运动除纵荡方向受到限制外，其他5个自由度均受到不同程度的干扰。表现为所有6个运动分量的时间过程线跨0对称性均不太好（升沉运动分量略好）。船舶姿态在波浪作用过程中回归到0位置（初始位置）较为困难（见图7）。

当横向和纵向间隙均为0 mm时，不规则波序列中的大波作用时船舶升沉运动有时有所增大。周期7.5 s、有效波高1.5 m的横向不规则波作用下，大浪作用时船舶上水较横向护舷有间隙时显著（见图8）。

图7 运动过程示例（无间隙）Fig.7Hydrograph of motion(sway gap∶0）

图8 船舶中度上水(横向无间隙，无初压力)Fig.8Some green water(sway gap∶0,initial pressure∶0)

当横向和纵向均为0 mm、横向护舷初始压力100 t时（实际压力约100±1 t）时，船舶运动全方位受到限制。表现为所有6个运动分量的时间过程线跨0对称性均不好。船舶姿态在波浪作用过程中回归到0位置（初始位置）很困难（见图9）。

当横向、纵向间隙均为0 mm、横向护舷初始压力100 t时（实际压力约100±1 t）时，不规则波序列中的大波作用于船舶时，升沉运动较此前横向护舷有间隙和初始压力小时两种情况有所减小，如图9所示。周期7.5 s、有效波高1.5 m的横向不规则波作用时，大浪作用时船舶上水较横向护舷无初始压力时显著（见图10）。

4 船舶与固定护舷的间隙对护舷吸收能量的影响

实验中在测量观察船体运动同时，也记录了护舷吸收的能量并整理如下。表3给出了不同间隙试验横向、纵向护舷的压缩量和吸收能量试验结果的汇总。图11分别给出了横向、纵向护舷的吸收能量与横向护舷间隙的关系试验曲线。

图11和表3可以看出，横向护舷间隙在100～300 mm范围内变化时，横向、纵向护舷的吸收能量基本无变化。

横向护舷间隙为500 mm时，横向护舷的吸收能量比在100～300 mm范围内变化时大约9%；纵向护舷的吸收能量比在100～300 mm范围内变化时大约3.5%。

图9 运动过程示例（横向无间隙且施加100 t初压力）Fig.9Hydrograph of motion(sway gap∶0,initial pressure∶100 t）

图10 船舶上水严重(横向护舷无间隙，初压力100 t)Fig.10Heavy green water(sway gap∶0;initial pressure∶100 t)

表3 不同间隙试验横向、纵向护舷的压缩量和吸收能量试验结果汇总Tab.3Summary of fenders′energy absorbing results of the gap⁃series test

横向护舷间隙为0（无初始压力）时，横向护舷的吸收能量比在100～300 mm范围内变化时小约18.7%；纵向护舷的吸收能量比在100～300 mm范围内变化时小约33%。

横向护舷间隙为0（且初始压力100 t）时，横向、纵向护舷的吸收能量最小。横向护舷吸收的能量比间隙在100～300 mm范围内变化时小约28%左右。纵向护舷吸收的能量比间隙在100～300 mm范围内变化时小约一半左右。

图11 护舷吸收能量随间隙变化曲线图Fig.11Fenders′energy absorbing changes with gap

5 结语

基于本试验研究，可得以下观点：

（1）仅就船舶对护舷作用而言，如果能在横向护舷上施加初始压力最好（在横向护舷上施加初始压力可以减小船舶对护舷撞击时的撞击能量，特别是对减小纵向护舷的撞击能量效果特别显著）。

（2）就船舶运动自由度而言，护舷与船舶之间留有间隙较好。其优点在于减小船舶对护舷的拖曳力（从而减小护舷受剪力破坏的可能）；另一方面可保证船舶在垂荡方向运动的自由性，从而减小船舶在极限环境作用下甲板上水的可能。实验结果显示100～500 mm范围内间隙变化对护舷吸收能量的影响不大，故建议横向护舷与船舶之间留有间隙，且如果考虑实际海况条件下船舶进出的方便，可适当加大间隙。

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Motion and dynamic response of vessel with fixed fender constraints

DONG Hang,ZHANG Ning⁃chuan,SUN Zhen⁃xiang,SONG Yue,PAN Wen⁃bo,ZHOU Zhuo⁃wei, LI Chao,TIAN Yong⁃jin
（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

In the process of marginal oil field development,sometimes the vessels are docked in a jacket plat⁃form and horizontal and vertical fenders are installed in the jacket in order to restrict the vessels.The vessels′re⁃sponse of motion and power in restraint of fixed fenders was researched in the function of random waves in the way of physical model test.The model test result shows that each component motion of the prototype vessel with 3 000⁃ton storage capacity was unrestrained and the green water was not found when the gap between the vessel and hori⁃zontal fenders was 500 mm and the gap between the vessel and vertical fenders was 0.The maximum energy absorp⁃tion of single horizontal fender was 1465kJ and 745 kJ for single vertical fender.The motion component of vessel was limited and there was some green water on deck to various degrees when the gap between fenders and the vessel was reduced.Fenders absorbed less energy compared with the case where gap between fenders and vessel was 500 mm.when the ship motion and green water are considered,it is suggested to keep appropriate gap between fenders and the vessel;when the safety of collision between fenders and the vessel are considered,it is suggested to reduce the gap appropriately.

random wave;storage vessels;fender constraints;dynamic response;motion response

U 656.3；TV 142

A

1005-8443（2015）05-0378-07

2015-05-05；

2015-05-27

董航(1989-)，男，辽宁省朝阳县人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海工程方面工作。

Biography：DONG Hang（1989-）,male,master student.