OCIMF规范中环境载荷系数图谱的编程实现

(大连理工大学 船舶工程学院, 辽宁 大连116024)

0 引 言

石油公司国际海事论坛(Oil Companies International Marine Forum, OCIMF)，是由在石油产品船运和港口装卸领域分享共同利益的石油公司组成的自愿性协会[1-2]。20世纪70年代，各国政府及国际组织对防止海洋污染、保障海上作业安全的迫切需求，催生了OCIMF的成立[3-4]。

作为石油工业安全与质量标准公认的代言人，OCIMF旨在向业内及成员提供海洋安全与环保方面的专业技术、操作指南与标准，其制定的保障船舶航运、码头港口设施安全作业的指导性原则深受业界认可，为推进国际船舶规范建设起到了积极有效的作用。

20世纪90年代，世界各国对原油船进行了大量试验，总结形成了丰富的经验公式和计算曲线，在此基础上，OCIMF编写了海洋结构物风浪流载荷预报标准规范，该规范得到业界广泛的认可和应用[5]。DAS等[6]在OCIMF规定计算超大型油船(Very Large Crude Carrier， VLCC)设备系泊力标准环境条件下，利用准静态方法对印度港口靠泊20万吨级VLCC的原油码头装置系泊力进行分析研究，计算得出设备操作的最大许可限度。易丛等[7]和王忠畅等[8]基于FPSO风洞模型试验，对比分析试验结果、OCIMF规范结果和API规范结果，给出FPSO深浅水流载荷、风载荷计算方法的建议。赵九龙等[9]结合OCIMF与ISO规范要求，提出载重量38 000 t化学品船兼油船导缆孔与软管托架的集成结构设计，提高了作业安全性和可靠性。赵振华等[10]根据OCIMF规范对系泊力计算的要求，编程实现系泊力的评估计算。张明霞等[11]基于OCIMF规范对某海域作业的FPSO串靠提油作业中拖船拖力进行计算分析，得到允许作业环境条件下所需拖船拖力的分布曲线，为安全作业提供评估依据和理论依据。

图1 符号约定及随船坐标系

OCIMF规范具有广泛的实用性，能够对船舶发生不同程度的漂移碰撞时受到的环境载荷进行有效预报[12-13]，对于保证人员、船舶和港口码头的安全至关重要。在目前的研究及工程中，环境载荷系数采用OCIMF规范中的图谱曲线手动插值得到，图谱曲线数量多、插值过程繁琐易导致作业效率低且结果精度差。本文通过软件编程，实现图谱曲线环境载荷系数的程序化计算，提高了计算的准确度和效率，具有一定的工程实用价值。

1 OCIMF环境载荷计算方法

1.1 坐标系定义

OCIMF规范中船体符号约定及随船坐标系如图1所示，其中：风、流与船舶的夹角为θ，自船首方向随浪为0°，迎浪为180°，沿逆时针方向旋转。

1.2 风载荷、流载荷计算模型

OCIMF中风载荷的计算方法如下：

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：Fx，w为纵向风载荷；Fy，w为横向风载荷；Mxy，w为风载荷偏航力矩；ρw为空气密度，1.29 kg/m3；Vw为设计风速，m/s；Ax为船体水面以上纵向受风面积，m2；Ay为船体水面以上横向受风面积，m2;风载荷系数Cx，w、Cy，w和Cz，w可根据风向角、载荷工况及船首形状等参数从OCIMF的风载荷系数图谱插值求得。

OCIMF中流载荷计算方法如下：

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：Fx，f为纵向流载荷；Fy，f为横向流载荷；Mxy，f为流载荷偏航力矩；ρc为海水密度，1.025×103kg/m3；Vc为流速，m/s；Lpp为垂线间长，m；T为平均吃水，m；流载荷阻尼系数Cx，c、Cy，c和Cz，c根据流向角、水深吃水比Wd/T(Wd为水深，m)及船首形状从OCIMF的流载荷阻尼系数图谱插值求得。

图2 系统环境载荷系数分类模块

2 OCIMF风载荷和流载荷系数图谱程序化设计

2.1 程序模块框架

OCIMF中环境载荷系数分为：风载荷系数和流载荷系数。风载荷系数和流载荷系数又分别细分为满载风/流载荷系数和压载风/流载荷系数，每种载荷工况(满载、压载)又包含3种情况：纵向风/流载荷系数、横向风/流载荷系数和风/流偏航力矩系数。系统环境载荷系数分类模块如图2所示。

2.2 OCIMF风载荷、流载荷系数分类

OCIMF共计7条风载荷系数曲线和36条流载荷系数曲线(同一类型曲线又分为不同水深吃水比值曲线，水深吃水比分别为1.05/1.10/1.20/1.50/3.00/4.40/6.00/min/mean/max)，具体如表1和表2所示。

表1 风载荷系数曲线分类

表2 流载荷系数曲线分类

2.3 程序模块流程图

对OCIMF风/流载荷系数图谱进行归类总结，根据实际水深吃水比值Wd/T，使用Visual Basic 6.0平台开发的环境载荷系数计算程序，可插值得到风载荷和流载荷系数。具体环境载荷系数计算流程如图3所示。

图3 环境载荷系数计算流程图

3 程序功能实现及结果分析

3.1 曲线程序化

曲线经离散化处理后，利用Maple 17数学软件将曲线进行拟合，在VB中利用多次B样条曲线绘制0°～180°区间内的风/流载荷系数曲线。以表1横向风载荷系数曲线、表2满载工况下流载荷系数曲线为例，如图4和图5所示。

图4 横向风载荷系数曲线 图5 满载时横向流载荷系数曲线

本文程序按OCIMF规范依次给出风载荷和流载荷阻尼系数图谱曲线，当实际水深吃水比与上述数值不同时，采用线性内插法求得。其余拟合曲线略去。

3.2 结果对比

以表1不同载况横向风载荷系数、表2满载工况6种水深吃水比值时横向流载荷系数为例，分别以本文程序及图谱手动插值求得相应环境载荷系数，对比分析数据结果，结果如表3～表10所示，对应的风/流载荷系数相对误差(|程序计算值-图谱插值|/图谱插值)对比如图6和图7所示。

表3 压载时横向风载荷系数Cy,w

表4 满载时横向风载荷系数Cy,w

表5 水深吃水比Wd/T =1.05横向流载荷系数Cy,c

表6 水深吃水比 Wd/T =1.10横向流载荷系数Cy,c

表7 水深吃水比 Wd/T =1.20横向流载荷系数Cy,c

表8 水深吃水比 Wd/T =1.50横向流载荷系数Cy,c

表9 水深吃水比Wd/T =3.00横向流载荷系数Cy,c

表10 水深吃水比 Wd/T ≥6.00横向流载荷系数Cy,c

图6 不同载况横向风载荷系数相对误差 图7 满载工况横向流载荷系数相对误差

对比分析程序计算结果与OCIMF图谱差值结果，可以发现：

(1) 不同载况横向风载荷系数对比表明，在压载工况下来风角度为170°时，程序计算结果与图谱插值的最大相对误差为6.86%。满载工况不同水深吃水比值下横向流载荷系数对比表明，当水深吃水比Wd/T=3.0，来流角度为170°时，最大误差为5.83%。

(2) 图6和图7中相对误差曲线呈现出两端高中间低的趋势，原因是针对OCIMF环境系数图谱曲线中间曲率变化较大的部分，程序进行加密处理，使计算误差较小。

(3) 横向风载荷系数曲线和满载时横向流载荷系数曲线在来风/流角度为90°时达到峰值。在0°～180°，曲线不存在关于90°角度对称，因此实际工程问题不能简化为角度对称载荷计算模型。

4 结 论

(1) 在以往研究中，尚无将OCIMF规范中海洋结构物环境载荷系数图谱进行曲线图形及系数计算的程序化处理，本文通过解读OCIMF规范中风/流环境载荷计算方法，实现了环境载荷系数曲线及系数计算的编程求解。

(2) 在程序开发和计算过程中，结合数学方法，利用高次样条曲线方程拟合系数曲线，提高系数结果的计算精度、速度和稳定性，解决以往手动插值图谱求解时的繁琐，有效地提高了求解效率。通过将该程序应用于某拖船辅助作业可行性分析[11]，取得较好结果，具体结果在文中不再赘述，证明该程序计算结果具有可靠性，对工程项目具有一定的实际应用价值。