基于AQWA的大型LNG船码头系泊分析

胡毅，胡紫剑，刘元丹，刘敬喜

（1．华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074; 2．中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

0 引言

港口内系泊船舶的运动对于码头的设计和使用非常重要。系泊船舶对码头的撞击既有可能造成船舶结构的损伤，也有可能危及码头的安全。尤其是大型船舶的系泊，一旦遇到强烈的风浪载荷作用，船舶运动响应过大，系缆绳就会承受极大的张力，因此经常会出现因系缆绳强度不够而导致缆绳的断裂，对船舶和码头造成极大地损伤［1］。对于正在进行装卸的船舶来说，船体运动响应幅值过大，会使装卸作业难以进行，更严重的还可能造成系缆因受力过大而绷断，以至于造成难以弥补的损失。

大型船舶系泊于码头时，其运动响应和系缆绳的受力是一个非常复杂的问题。目前研究船舶靠码头系泊问题的主要方法是模型试验和数值计算。邹志利［2］引入了船体阻尼系数在低频时的迭代算法，在时域内求解船体的运动响应，并与试验结果进行比较。邹志利，张日向等［3］采用数值模拟的方法计算得到码头系泊船舶的总体运动响应，系缆绳的张力以及护舷所受压力值。

向溢，杨建民等［4］在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的风浪流水池中以1:35.46的比例对1艘50 kDWT散货船进行码头系泊模型试验，得到不同风浪流载荷下的系缆绳的受力情况。

刘必劲，张亦飞等［5］通过模型试验，研究码头靠泊船舶系缆绳张力随浪向角，波高，峰值周期等因素的变化规律，得出船舶各系缆绳张力的经验公式。

本文针对16万立方LNG船码头系泊的运动响应及系缆绳的张力进行分析，应用多体水动力学软件AQWA，建立了LNG船码头系泊的仿真分析模型，得到了LNG船的总体运动响应曲线及各系缆绳的张力随时间变化的情况。分析结果可为同类船舶码头系泊提供参考。

1 计算流程及理论基础

1.1 计算流程

本文采用多体水动力学软件AQWA建立大型船舶的仿真分析模型，并进行水动力分析。AQWA软件主要应用于各种结构的水动力学特性评估，包括从桅、桁到FPSO，从停泊系统到救生系统，从TLP到半潜系统，从民船到大型军舰等。计算过程中需要用到AQWA-LINE，AQWA-DRIFT两个模块。

AQWA-LINE模块可以计算由波浪辐射衍射引起的任意形状的浮体结构周围的波浪力。AQWALINE使用典型的格林函数方法求解浮体结构的波浪力，AQWA中网格的每个单元给定1个脉动源。在计算波浪力的同时，AQWA-LINE也求得浮体的附加质量和辐射阻尼。

AQWA-DRIFT模块用于计算在随机波浪条件下，浮体结构包括多体的载荷及运动时间历程。AQWA-DRIFT调用AQWA-LINE结果文件的附加质量，辐射阻尼和衍射力数据以及每个波长每个波浪方向上的漂移力，计算在给定波浪谱条件下的运动响应。单个浮体可以以悬链线或是铰接的方式与其他浮体连接，可以定义任何方向的风浪载荷，可以模拟各种浮体的掉头过程。具体计算流程如图1所示。

图1 计算流程示意图Fig．1Flow chart of calculation

1.2 理论基础

对于不可压缩的理想流体，在无旋场中，速度势满足拉普拉斯方程

得到船体表面的压力分布。

一阶波浪力的速度势为

式中:ω为规则波频率;φI为入射波速度势;φd为绕射波速度势;φj为六自由度方向的速度势（j=1，2，3，4，5，6）。

入射波速度势为

式中:k为波数，由ω2=gkth（kd）求得;d为水深;ζ为入射波幅。

解得一阶波浪力速度势后，水压力的分布可由伯努利方程求得:

式中;Fj为第j个自由度的一阶波浪力;nj为第j个自由度的法向。

AQWA计算时，将系统所受的波浪力F分为2部分:入射力（或称FROUDE-KRYLOV力）和绕射力，并且都是简谐的。因此，入射力为

AQWA-LINE通过数值求解以下运动方程，计算LNG船在规则波作用下的响应，即RAOs。

式中:Ms为结构质量矩阵;Ma为水动力附加质量矩阵;C为系统线性阻尼矩阵;Ks为系统总刚度矩阵; F为系统所受的波浪力（单位波高）;X为幅值响应算子（RAOs）;ω为入射规则波频率。

2 LNG船码头系泊系统模型

2.1 LNG船主尺度参数

表1为码头系泊LNG船的主尺度。根据LNG船型值建立船体和码头模型并划分网格，模型及坐标系统示意图如图2所示。

表1 LNG主尺度参数表Tab．1LNG main scale parameter table

图2 LNG船和码头模型示意图Fig．2Schematic model of LNG ships and terminals

2.2 LNG船码头系泊系缆及护舷布置

本文研究的对象LNG船码头系泊共有6根系缆绳，其中船首，中部和船尾各2根。缆绳为尼龙材料制成，系缆绳直径为120 mm，断裂强度为3 453 kN。码头上布置7个护舷，均匀分布在船长范围内。

护舷采用漂浮型橡胶护舷，尺寸规格为Ф4 500 ×9 000 L，即直径为4 500 mm，总长9 000 mm。系缆绳和护舷的分布情况如图3所示。

图3 系缆绳和护舷布置示意图Fig．3Schematic layout of cables and fender system

2.3 环境载荷

表2给出了对LNG加载的风浪流具体参数。

表2 主要环境参数Tab．2The main environmental parameters

3 LNG船码头系泊时域分析

AQWA-DRIFT模块模拟计算在给定的环境载荷下码头系泊系统3个小时（步长0.1 s，共99 999步）的运动情况。最终得到码头系泊下LNG船的总体运动响应，系缆绳张力以及护舷压力的时历变化曲线。

3.1 LNG船总体运动响应

图4和图5给出了在风向角为30°时，LNG船在六自由度方向上的运动响应。

从图4可以看出，在风、浪载荷作用下，LNG船3个方向上的运动响应周期差别较大，其中，船舶垂向运动响应频率最高，但运动响应幅值并不大;纵向运动由于受到系泊绳的作用，响应频率降低，响应周期增大，在迎浪状态下，运动响应最大;横向运动受到系泊绳及码头护舷的作用，响应周期最大，运动响应幅值仅次于纵向运动。

从图5可以看出，由于系泊绳的作用，LNG船的横摇运动响应幅值最小，响应频率较高，且出现拍频现象;纵摇运动响应幅值较大，响应频率也较高，这是由于波浪沿着船长方向传播造成的;首摇运动响应幅值最大，响应周期也最大。

3.2 系缆绳系泊张力

图6～图11给出了6根系泊缆绳的系泊张力随时间变化曲线。从图中可以看出，所有系泊绳张力在2 000～4 000 s时间段内都达到最大值。由于系泊位置非常接近，1#和2#系泊力时域曲线基本接近;5#和6 #系泊力时域曲线也一致。由于船舶处于迎浪状态（浪向X负向），从而造成了1#～3#系泊绳的张力要小于4 #和5#系泊绳张力。6#系泊绳由于长度较大，因此其系泊力也较小。4#系缆绳所受张力极值最大，为1 279 kN。2#系缆绳所受张力极值最小，为717.6 kN。

3.3 护舷压力

表3给出了在风、浪环境载荷作用下码头护舷压力值。从表中可以看出，首尾两端的护舷所受压力最大。这可以从LNG船6个方向上的时域运动响应结果给以解释。从图4和图5可以看出，LNG船3个方向上的平动响应幅值较小，且只有横向运动时对码头护舷才有挤压作用，而此时有多个护舷共同抵御船舶的撞击，每个护舷所受的压力并不大。但是LNG船的首摇运动响应幅值最大达到5.77°，从而造成船舶首、尾部向码头方向的运动幅值达到14.6 m，导致了码头首尾两端护舷所承受的撞击载荷过大，压力也达到最大值。因此对首尾两端的护舷应采取有效措施，避免损坏。

表3 护舷压力值Tab．3Fender pressure

4 结语

本文以某型LNG船为例，应用多体水动力学软件AQWA，模拟船舶系泊于码头时的运动情况，得到在给定的环境载荷下LNG船的总体响应，各系缆绳和护舷所受张力的时历曲线。从中可以得到以下结论:

1）在风、浪载荷作用下，LNG船的垂向运动响应频率最高，但运动响应幅值并不大;纵向运动响应频率低，响应周期大，在迎浪状态下，运动响应最大;横向运动响应周期最大，运动响应幅值仅次于纵向运动。LNG船的横摇运动响应幅值最小，响应频率较高;纵摇运动响应幅值较大，响应频率也较高;首摇运动响应幅值最大，响应周期也最大。

2）1 #、2#、3#、6#系泊绳的张力要小于4#、5#系泊绳张力;4#系缆绳所受张力极值最大;2#系缆绳所受张力极值最小。

3）码头首尾端护舷所承受的撞击载荷相对较大，压力也达到最大值。

4）该方法可以为同类船舶码头系泊提供参考。

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