符合OCIMF导则的系泊力计算软件开发

赵振华，卫 涛，王树彪，贾成军

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

系泊系统对于保证船舶、船员和码头的安全性而言至关重要，国内外针对系泊系统所建的物理模型和所做数值研究较多。物理模型试验成本高、通用性差；计算机数值仿真方法可弥补该不足，但需在计算前定义船舶水动力性能特征等较多的参数，不仅费时费力，而且会耗费较多计算资源，计算时间较长[1]。利用相关船级社和国际组织颁布的规范来计算船舶系泊力可较为合理地解决船舶系泊力计算的经济性、科学性和安全性问题。

石油公司国际海事论坛（OCIMF）已通过大量的试验和模拟总结出相应的系泊力计算经验公式，通过给出船型、球艏形状、液罐形状、装载工况和深度吃水比等综合因素来确定船舶的安全系泊方案，可较为合理地描述环境载荷，相对于舾装数计算，该方法能对系泊力进行较为准确的估算，模拟船舶的真实受力情况，准确性和合理性要高[2]。本文简要介绍 OCIMF系泊力计算的方法和原理，并通过软件编程实现计算机辅助系泊力计算，供国内同行参考和借鉴。

1 系泊力计算原理

1.1 标准系泊模型

码头系泊的模式需根据船舶和码头的具体情况来确定。船舶行业针对码头系泊设定了一个标准的系泊模型，并考虑标准的环境载荷工况[3]。通常，艏部和艉部布置有数根横缆（主要用来限制船舶的横向运动），舯部靠艏艉附近布置有数根倒缆（主要用来限制船舶的纵向运动）。图1为码头标准系泊模式示意。

图1 码头标准系泊模式示意

1.2 标准环境载荷

作用在系泊状态的船舶上的环境载荷主要有风、海流、潮汐、过往船舶的船行波、波浪及冰载荷等。通常情况下，系缆若能抵抗最大的风和海流作用力，则其他较缓和的外界作用力也被认为是可承受的[4]。因此，规范对环境载荷的考虑主要涉及风和流作用力。

考虑任意方向60kn的风，同时考虑：0°或180°方向3kn的海流；10°或170°方向2kn的海流；90°方向0.75kn的海流。

风速选取海平面以上10m高度处30s的平均风速。若所给的风速不是10m高度处的平均风速，则需根据规范给出的公式换算成10m高度处的平均风速。若计算过程中给出的海流流速不是平均流速，则需根据规范给出的公式换算成等效平均流速。

1.3 系泊力计算方法

1.3.1 力学模型

OCIMF系泊力计算所考虑的相关环境载荷主要是风载荷和流载荷。在力和力矩的全局坐标系下，船舶受到的环境载荷可分解成x轴的纵向力Fx和y轴的横向力Fy，并外加一个分解到z轴的艏摇力矩Mxy。通常情况下，为方便计算，将全局坐标系下y轴的横向力Fy和z轴的艏摇力矩Mxy分解成艏柱处的横向力FyF及艉柱处的横向力FyA（见图2）。

图2 系泊力计算力学模型示意

1.3.2 风载荷计算

影响风载荷计算的主要因素有船舶纵向受风面积、横向受风面积、船长、吃水、风向角及球艏形状等，风载荷具体计算过程为

1) 求解出纵向风载荷Fxw，横向风载荷Fyw及艏摇风载荷Mxyw，即

式(1)～式(3)中：Cxw为纵向风载荷曳力系数；Cyw为横向风载荷曳力系数；Cxyw为艏摇风载荷曳力系数；wρ为空气密度；Vw为风速；AL为纵向受风面积；AT为横向受风面积；LBP为垂线间长。

2) 将横向风载荷和艏摇风载荷分解成艏柱处的横向风载荷FyFw及艉柱处的横向风载荷FyAw，即

1.3.3 海流载荷计算

影响海流载荷计算的主要因素有船舶深度吃水比、船长、吃水、流向角及球艏形状等，海流载荷具体计算过程与风载荷计算过程类似，这里不再赘述。

2 系泊力计算软件开发

2.1 编程语言介绍

Visual Basic.Net即VB.Net，属于Basic系语言，其以极具亲和力的英文单词为基础标识，与自然语言有极为相近的逻辑表达，是Basic系语言中最强大的编程语言之一[5]。

2.2 软件主要组成

根据OCIMF系泊力计算原理和流程，使用Visual Basic.Net在Visual Studio 2008平台上开发OCIMF系泊力计算软件，软件程序计算流程见图3。软件分为曲线数据模块、环境参数模块、船型参数模块、系泊模型模块、计算应用模块、系统设置模块和软件帮助模块等7个模块，各模块的功能结构见图4。

图3 OCIMF系泊力计算软件程序计算流程

图4 OCIMF系泊力计算软件各模块功能结构

2.2.1 曲线数据模块

曲线数据模块包含曲线数据查看、数据采集和数据维护等 3个子模块。提供全面的最新版《OCIMF系泊设备指南》（3rd Edition 2008）相关曳力系数的数据库，根据规范提供的风载荷和流载荷曳力系数图表提取数据点保存在数据库中。软件根据曲线颜色的“RGB值”取点归类；对曲线上曲率较大的位置加密取点。以风载荷曳力系数为例，OCIMF给出不同球艏类型下的风载荷曳力系数（见图5～图7）。

图5 纵向风载荷曳力系数

图6 横向风载荷曳力系数

2.2.2 环境参数模块

环境参数模块提供风向力参数设置和流向力参数设置2个子模块，其中：风向力模块可设置风向起始角、终止角、步长、风速和空气密度等数据；流向力模块的设置与风向力模块的设置类似。设置好相关参数之后，点击计算系数按钮即可计算风向力和流向力相关系数，相关系数根据曲线数据模块数据库中存储的曲线数据，利用三次样条插值算法得到，从而为计算风向力和流向力做数据准备。环境参数风向力模块界面见图8。

2.2.3 船型参数模块

船型参数模块提供液化气船、油船和其他船型等3个子模块，可根据不同船型设置球艏形状、深度吃水比、船长、吃水和不同工况下的受风面积等船型参数。软件能自动给出相关参数的缺省值，判别输入参数的合理性，同时对输入的参数进行存储。图9为船型参数液化气船模块界面。

图7 艏摇风载荷曳力系数

图8 环境参数风向力模块界面

图9 船型参数液化气船模块界面

2.2.4 系泊模型模块

系泊模型模块提供标准系泊模式定义、缆绳特性定义和系泊属具特性定义等3个子模块，可设置系泊缆绳的布置位置、数量及夹角，缆绳的长度、直径、破断力及安全系数，系泊属具的外形尺寸及作用力特征等信息。该模块可实现标准系泊模型建立和个性化系泊方案配置的功能。图10为系泊模型系泊模式定义模块界面。

2.2.5 计算应用模块

计算应用模块提供系泊力计算和系泊属具强度校核2个子模块，可根据已设置好的参数（如风向、海流方向和步长）并行输出多种方案的系泊力计算结果，自动判别并输出复合工况下的最大系泊力数据；根据计算出的系泊力和定义的系泊属具参数校核属具强度。图11为计算应用模块界面。

图10 系泊模型系泊模式定义模块界面

图11 计算应用模块界面

检查计算结果，确认无误之后点击生成报告按钮，程序可自动生成一份Word版《OCIMF系泊力计算报告》，并能自动绘制计算用的工况示意图。

2.2.6 系统设置模块

系统设置模块提供软件主界面背景图修改、曲线颜色设置、软件分辨率调整、输出报告字体格式及报告模板和报告保存路径修改等人性化设置功能。

2.2.7 软件帮助模块

软件帮助模块提供系泊力计算相关规范的链接查看、软件计算原理文档和常用软件操作设置说明等功能。

3 结 语

本文主要介绍OCIMF系泊力计算软件的计算原理，包括系泊力计算标准系泊模型、标准环境载荷、风载荷和流载荷的计算方法；介绍系泊力计算软件的开发过程，包括编程语言和软件主要功能模块。在采用OCIMF系泊力计算软件计算系泊力时，相关系数通过精度较高的三次样条插值算法得到，可提高系数选取的精确性；准备好相关数据之后，通过程序自动完成系泊力计算，保证计算的准确性。通过以上计算机辅助的自动化手段，不仅能节省人工计算时间，而且可方便地进行多方案对比，从而做出最优选择。同时，该软件可根据模板自动生成可编辑版计算报告，并最终形成一份正式送审文件。

综上所述，OCIMF系泊力计算软件的计算精度高、计算速度快，能有效避免因计算失误造成的系泊件选型错误等问题，该软件的开发对节省造船成本和提高工作效率具有一定意义。

【 参 考 文 献 】

[1] 夏贤斌. 大型船舶安全系泊断缆原因分析与预防[J]. 中国水运，2016, 16 (10)： 15-18.

[2] OCIMF. Prediction of wind loads and current loads on VLCCs[S]. 1994.

[3] FLORY J F, BANFIELD S P, RACTLIFFE A. Computer mooring load analysis to improve port operations and safety[J]. Ports,2014, 8 (6)： 20-22.

[4] OCIMF. Mooring equipment guidelines [S]. 2008.

[5] 邵鹏鸣.Visual Basic. Net面向对象程序设计[M]. 北京：机械工业出版社，2006.