系泊索对系缆力及船体运动量的影响研究

刘 爽，冯司宇

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

系泊系统包含六自由度（横移、纵移、升沉、横摇、纵摇、回转）运动量及多自由度系缆力。在风浪流等环境因素及装、卸载货物等动力因素作用下，系泊船将发生复杂的震荡及升沉运动。系泊船体运动量若超过允许范围[1,2]，将会导致正在进行装卸船作业的船舶难以继续作业，继而导致船舶在港停泊时间延长，增加作业成本；若系泊索布置不理想，将会导致系缆力不均衡甚至系泊索破断，致使发生安全事故。系泊索作为系泊系统的重要组成部分，其属性与系缆状态息息相关。本文为探究系泊索对系缆力及船体运动量的影响，开展相应的数值模拟研究。

1 国内外研究背景

通过物理模型试验，可对不同工况组合下的系泊条件进行模拟，但试验过程中却存在着一些不可模拟及控制的因素，而其费用高、周期长，故多用于设计后期。相较之下，数值模拟方法费用低、周期短，可适时增加分析功能，且通用性好，故应用前景更加广阔。

国外对于船舶系泊的数值模拟起步较早，已开发出一些较为实用的软件，如美国TTI 公司的Optimoor、荷兰Alkyon 公司的Ship-mooring、法国BV 船级社的Arianne 和美国ANSYS 公司的AQWA等，这些应用软件的开发极大的便利了船舶作业及码头运营。

相较于国外，我国在数值模拟方面的起步较晚。马小剑等[3]基于力的平衡关系建立了系泊船舶在风和潮流作用下缆绳张力和运动的计算模型并将计算结果与Optimoor 软件的计算结果进行了对比；于洋等[4]在忽略缆绳拉伸变形的前提条件下，从二维静力学角度对缆绳张力进行了分析研究；向溢等[5]采用混沌解法、蒙特卡洛算法对码头系泊船舶缆绳张力进行了数值模拟，并与试验结果进行了一致性对比。

2 研究方法

本文依托工程为某LNG 泊位，其码头顶面高程为7.0 m，码头前沿底高程为-14.0 m，码头总长度为420 m。系泊索采用3/3/2 对称布缆。

系缆方式及码头平面布置如图1 所示。

图1 系缆方式及码头平面布置

依托工程LNG 船舶基本参数如下：

1）载重13.8 万m3；

2）总长284 m；

3）系船柱间距270 m；

4）型宽43.4 m；

5）型深26.0 m；

6）压载吃水9.2 m；

7）稳心高18.0 m。

本工程所处区域波高H13%=1.5 m，周期T=6 s，风速按照24.4 m/s 考虑，全风向，本次数值模拟计算暂不计水流作用。

本研究运用Optimoor 软件进行数值模拟。TTI公司开发的Optimoor 是较早为国内采用的船舶系泊分析软件，其应用的是静力模型，在计算外部荷载时，将其按照静力考虑[4]。Optimoor 采用的是一种基于振幅响应因子（response amplitude operator，简称RAO）的方法模拟计算船舶在波浪作用下所产生的运动量，但给出船舶RAO 数据非常有限且只给出6 个自由度中的4 个指标，即横移、纵移、升沉、横摇。

采用控制变量法，通过调整主缆材质或直径、预张力施加、绞盘至导缆孔距离及批芭结等参数，进行六组设计方案的数值模拟，主缆材质分别选用钢缆/钢缆/钢缆/尼龙缆/尼龙缆/钢缆，对应主缆直径分别为 40 mm/40 mm/30 mm/60 mm/60 mm/ 40 mm，各方案系泊索属性如表1 所示。

表1 各方案系泊索属性

3 结果分析

本文数值模拟的六组设计方案，目的为研究系泊索对系缆力及船体运动量的影响，故并未严格遵循经验设定。在实际系泊作业中，应根据强度、弹性、耐用性和操作特性选择最合适的材料（系泊索的材料类型会影响到系泊绞车卷筒的尺寸、导缆器的形式、导缆器弯曲半径及需占用的甲板空间等要素），建议在大型船舶上采用钢缆，在小型船舶上优先采用合成纤维；用于某一船舶的每根系泊索尽可能选用相同的尺寸和材料（某些船舶采用钢缆倒缆和合成纤维缆横缆的组合系统，其初衷是减少船舶的前后漂移，从而有效地限制船舶相对于刚性输油臂或输油软管的移动）。

表2 给出了包括艏艉缆、艏艉横缆以及艏艉倒缆在内的索力强度比的数值模拟结果。

表2 各方案索力强度比 /%

表3 给出了包括横移量、纵移量、升沉量以及横摇角在内的四种船体运动量的数值模拟结果。

表3 各方案船体运动量

对表2 和表3 中的结果分析如下：

1）通过对数值模拟方案一和数值模拟方案四中系泊索受力和船体运动量的对比分析，可知：因系泊索所受张力会随其刚度增大而增大，选用尼龙缆可显著减小系泊索受力，但由于尼龙缆的刚度较钢缆更大，系泊索的伸缩性更强，故系泊船体的纵移量大幅度增大，但对横移、升沉和横摇来说，其影响甚微。故虽可通过选用具有较大弹性材质系泊索的方式来减小系泊索受力，但会导致船体纵移量加大，进而可能会影响船舶的正常装卸作业。

2）通过对数值模拟方案一和数值模拟方案二中系泊索受力的对比分析，可知：当计入绞盘与导缆孔之间的距离时，索力强度比产生了一定幅度的减小。这是由于系泊索长度越大，弹性越大，受力越小。故在特定情况下，可通过增大系泊索弹性（减小系泊索直径，增大系泊索长度等途径）来保证系泊安全性。

3）通过对数值模拟方案二和数值模拟方案三中系泊索受力的对比分析，可知：虽然通过减小系泊索直径的方式增加弹性，可减小其受力，但系泊索直径过小时，该效果并不显著，受力强度维持在较大水平，码头系泊安全性较低。

4）通过对数值模拟方案四和数值模拟方案五中系泊索受力和船体运动量的对比分析，可知：当将10 t 的预张力施加到每根系泊索之后，船体纵移量将产生大幅度减小，满足规范允许范围。但同时，施加预张力后，系泊索受力也将产生大幅度增加。这是由于系泊索预张力越大，系泊索越紧，即系泊索的综合刚度越大，同等变形条件下系缆力越大。因此预张力并非越大越好，当遇到涌浪或者长周期波浪时，施加了过大预张力的系泊索极易发生断缆事故。

5）根据数值模拟方案六中系泊索受力和船体运动量，可知：钢缆主缆与尼龙缆批芭结组合形式的系泊索尾部弹性增大，在减小系泊索受力的同时保证了系泊索大部分区域的强度，在风、浪等荷载共同作用时，系泊索对外荷载的反应更迅速，船体运动量得以有效控制（为方便带缆，在实际系泊作业中一般在系泊索尾部设置一定长度的批芭结，对于钢缆等弹性较差的系泊索，批芭结往往是采用弹性较大的材料以适应船体运动量，通常批芭结长度为11 m，但也有最新研究认为11 m 太短）。此外，由于将10 t 的预张力施加到每根系泊索之上，致使产生了相对均匀的系泊索受力和相对可控的船体运动量，码头系泊安全性得到了保证。

4 结 语

本文针对系泊索属性应用Optimoor 软件进行数值模拟，结论如下：

1）高弹性系泊索将会产生较大的船体运动量，当外荷载较大时，系泊索难以将船体运动量控制于规范允许范围内，可能导致船舶不能进行正常的作业，但高弹性的系泊索可以大幅减小系泊索受力，故如遇实际系泊作业，需慎重选取系泊索的弹性。

2）增大系泊索刚度或施加预应力均可减小船体运动量；增大系泊索长度、减小系泊索直径或选用高弹性系泊索均可减小系泊索受力。通过施加预张力或设置批芭结等方式调整系泊索弹性，均衡并减小其受力，并控制船体在允许范围内运动，可保证码头系泊船舶作业时的安全性。

3）采用组合形式的系泊索（如钢缆组合尼龙缆）可有效控制船体运动量，减小系泊索受力。在实际系泊作业中，应综合考虑外荷载、系泊索属性，合理规划方便操作的系泊方案。