船舶系泊问题的试验研究技术

高 峰，孟祥玮，郑宝友，李 焱

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

随着我国经济的快速发展，综合国力得到很大增强，而经济发展对能源和原材料的需求越来越大，水上运输由于运量大、成本低的特点日益得到重视，对运载工具也提出了较高的要求。世界船型的趋向是“一大（吨位大）、二高（高技术含量、高附加值）、三新（新技术、新工艺、新船型）”［1］，为满足我国能源、原材料、国际间贸易对船舶运输的需求，也顺应了上述潮流。在此背景下，船舶大型化对港口布局和水深要求就越来越高，因此港口往往有向外海发展的趋势，并较多地采取开敞式布置形式，码头也向大型化、深水化发展。此时由于停泊水域的风、浪、流等自然环境条件呈现大小、方向随机性较强的复杂现象，在外界环境动力的综合荷载作用下，系泊船舶的运动响应及受力情况也更为复杂［2］。码头前系泊的船舶与缆绳、护舷共同组成的系泊系统中，系泊的船只没有完全被固定，它可以随着潮汐、货物的装载、卸载等做升沉运动，同时由于风、水流、波浪等外在动力环境因素作用而产生震荡，其中包括6个自由度的运动量（即纵移、横移、升沉、横摇、纵摇、回转）。图1为一个典型的系泊系统，由船艏缆绳（Head Lines）、船艉缆绳（Stern Lines）、横缆及倒缆（Breast&Spring Lines）以及护舷（Fender）等组成，该示例中有12条系泊缆绳和4个护舷，如果求解的话包括16个未知量，即缆绳的内力和护舷反作用力，加之随波流运动的随机性，因而找出这个系统未知量的规律是较为复杂的，其中舷缆提供大部分的横向、纵向抑制以抵抗离岸力和均衡力，艏缆和艉缆则提供抵抗纵向和横向抑制力的一部分。当系泊船舶运动幅度过大就会影响码头正常作业，缆绳布局不合理会造成缆绳受力不均甚至断裂破坏，致使发生安全事故。所以如何减小系泊状态下的船舶运动量和系统荷载，优化系泊布置显得尤为重要，这就需要在设计阶段进行科研评估，其手段主要为物理模型试验、数值模拟以及经验公式的计算等，大连理工大学、中交天津港湾工程研究院有限公司和上海交通大学均进行过大量的船舶系泊荷载的试验研究，取得了许多有价值的研究成果，交通运输部天津水科院和水利部南京水科院等近年来也针对大型船舶开展了相关物理模型试验研究与数据分析，从测试技术和研究方法上取得一些突破，并积累了宝贵的经验。本文即对目前港工领域的船舶系靠泊试验的相关技术问题作一探讨，以期抛砖引玉，为相关研究提供信息参考和使用借鉴。

图1 典型的系泊模式示意图Fig.1 Typical ship mooring model

1 试验内容及发展现状

1.1 主要研究内容与要求

系泊船舶中对码头设施的碰撞将影响结构强度和码头稳定性，对于正在装卸的船舶，超过允许范围的船体运动会使装卸作业难以进行，且延长船舶在港内停泊时间，使相应的费用增加。有时过大的船体运动足以造成断缆而导致更大的损失。目前在设计规范中，港口的泊稳条件还仅通过限定港内容许波高来保证，事实上，系泊船舶的运动不仅依赖于波高的大小，而且也依赖于波浪频率、传播方向和系泊船舶频率响应特性。因此，对系泊船舶泊稳条件的判断，通过系泊船舶的运动量、系缆力/撞击力来衡量更为直观。其中，护舷撞击力可根据设计选型护舷的允许吸收能量的荷载范围来估算分析（一般包括设计反力和最大反力），这在制造商提供的性能参数表中都有明确设计指标可供参考；对于船舶6个自由度的运动量，英国、日本等国的港工规范中均有相关条文规定，国际航运协会（PIANC）在1995年基于不同船型系泊作业安全的要求总结出允许范围的参考值，如表1所示［3］，为行业内所认可；对于船舶系缆力，实际上受制于绞缆机刹车力与缆绳性能，埃克森（Exxon）石油公司系泊能力标准（BHC）确定绞缆机刹车力小于缆绳破断负荷的60%［4］，石油公司国际海运论坛组织（OCIMF）指导文件规定，即任一缆绳上的荷载不得超过其最大破断载荷（MBL）的55%［5］。

综上所述，船舶系泊试验研究和相关计算分析也将主要围绕上述问题进行，研究内容包括以下几方面：

（1）船舶六自由度运动量：不同工况组合下（风、浪、流及水位和配载条件），船舶的纵摇、横摇、纵荡、横荡、升沉及回旋6个运动量，并根据结果优化系泊条件；

（2）缆绳拉力及布置：不同工况组合情况下，各系船缆绳的受力，确定合理的布缆形式，遵循各缆绳荷载分配均匀的原则，优化缆绳系泊方案；

（3）撞击力与撞击能：不同工况组合情况下，船舶对码头护舷的撞击力、能量及其分布，确定护舷选型的合理性；

（4）靠泊试验：不同靠泊角度和速度组合下，船舶在靠泊过程中对码头结构的撞击力，确定护舷选型以及优化靠泊方式。

表1 PIANC建议最大允许船舶运动量（1995）Tab.1 Suggested maximum allowable vessel motions PIANC（1995）

1.2 技术现状

对于船舶的系泊条件问题，目前情况下主要采用物理模型和数值计算2种试验手段对实际情况进行模拟，得到所需参数，为实际工程提供允许系泊及装卸作业的条件，国内各研究单位主要以物理模型试验为主，中交集团旗下的五大水运工程设计院也相继采购系泊分析软件（Optimoor）作为前期评估，而在国外则常用数模进行分析。目前，对于系泊条件的分析研究可供参考的主要规范和标准是：《开敞式码头设计与施工技术规程》、《液化天然气码头设计规程》、《海港总平面设计规范》和《波浪模型试验规程》以及英国标准BS6349《护舷和系泊装置设计》（海工建筑物第四分册）和石油公司国际海事论坛（OCIMF）《系泊设备指南》等。

模型试验是检验解析理论和数值方法正确性的主要依据，按照一定比例关系将船舶、缆绳、护舷、码头、水下地形以及风浪流动力条件集中于一个试验环境中，可以直观地模拟不同工况组合下的系泊条件，但是在物理模型试验中有一些因素是不可模拟和不可控制的，而且具有不确定因素多、费用高、周期长等缺点，只宜在设计最后阶段使用。克服这一不足的主要途径是采用数值模拟手段，这类方法在国外较为普及，但在国内还应用有限，由于数值模拟需要时间短、经济效益好，可以随时增加分析功能，并且通用性好。对于此方面的数值模拟国外起步较早，取得了一些成果，且已开发出有实用意义的应用软件，如美国TTI公司的Optimoor、荷兰Alkyon公司的Ship-mooring、法国BV船级社的Ariane和美国ANSYS公司的AQWA等，这些软件都已进入商业化运营阶段，为实际工程提供技术服务，并在不断完善中。不论采用哪种研究手段，系泊系统分析的模拟研究对于码头设计方案中系泊缆绳的选取、系泊设备的选型、码头轴线的走向乃至结构形式等的设计以及系泊方式的确定都有着重要的指导意义，也是工程界目前主要采用的技术手段。

2 物理模型试验技术

2.1 理论及规范

2.1.1 相似性

对于船舶系泊试验，除了满足一般物理试验中规定的几何相似、重力相似和阻力相似等条件外，还应满足船舶运动相似和动力相似，包括缆绳的伸长-弹力相似和护舷的受力-变形曲线相似等要求。船舶的运动相似是指基于几何相似条件下处于定常流动中的船模，其与实船对应点速度值成同一比例。而动力相似是指受力比值相同，而这其中并非所有相似都有意义，如摩擦力在船模摇荡运动的某些问题中只起到次要作用，因此对该相似不作要求，对于船模摇荡运动最有意义的是重力和惯性力之间的部分相似条件，即弗汝德数相等。由于船舶摇荡是非定常运动，所以满足非定常流动的相似条件（斯特洛哈尔数相等）。

船模的质量分布相似是系泊条件研究试验中船舶模拟最关键的一环，其要求满足不同载重时的船模重量分布、重心及浮心坐标和吃水等相似要求，并且船舶自身固有横摇和纵摇周期也必须相似条件，为此船模必须经过静力校准和动力校准［6］，以分别确定船模重量、重心位置和纵横轴质量惯性矩，这也是船模模拟的关键和难点，目前主要依赖于综合校准平台和一些经验的传统方式。实船的质量惯性矩数据是已知的，可以通过比较来进一步提高相似程度，倘若缺乏该资料，也可通过近似公式计算其质量惯性矩，其公式可以在船舶耐波性相关书籍中查到，此处不再详述。进行船模动力校准应特别仔细，任何不精确之处都可能是以后船模试验中系统误差的根源。而且若干摇荡参数是作为大数量之差而确定的，因此动力校准时产生的较小误差都可能在确定这些摇荡参数时引起更大的误差［7］。

2.1.2 其他说明

船舶型线图、总布置图、主尺寸参数等是船模模拟的基础，另外还需要船舶空载、满载排水量和相应吃水深度以及稳性、操纵性资料等。船模尺度的大小，应根据试验要求、模型整体尺度、池壁效应、生波机造波范围和水池条件等多方面条件决定，过大的船模会出现严重的池壁干扰现象和堵塞现象，而过小的船模会带来严重的尺度效应［8］。必须说明，试验船模只有与水接触的部分（包括各种附体），才要求与实船的相应部分几何相似，而随着对风浪流共同作用的日益关注，考虑船舶上层建筑受风力的影响也必须满足风荷载的作用面积相似。

在研究实船运动频率响应函数的大量统计结果表明，一般船模的纵横摇和升沉幅值在波长λ与船模长Lm之比为1.50～1.75时达到最大值。对于关注船模六自由度运动量的试验，则必须在试验前进行船模静水自由摇荡试验来确定船模的摇荡固有周期，来进一步检验试验船模与实船相似性，一般货船横摇固有周期为7～12 s，垂荡和纵摇为4～6 s，随着船舶的大型化，其固有周期也逐渐增大，如26.6万m3LNG船的满载横摇周期为15.6 s、纵摇周期约11.3 s，而40万t矿石船的满载横摇周期可以达到19 s，纵摇接近13.5 s。另外，试验中还必须考虑系泊船舶的缆绳初始张力，其数值与不同船型和停泊条件密切相关，并直接影响系泊条件的试验结果，特别是系缆力与运动量。

2.1.3 模型制作

（1）船模：按重力相似设计，根据给定线型尺寸由木质或玻璃钢制作而成，船模的排水量、重心位置及纵横向惯性半径等，在试验室的校验架上依靠调节模型内的配载重量及位置达到所规定的数值。

（2）缆绳：确保原型、模型船舶上的系缆点和码头上的系缆点间距离的相似，并使单位长度原型、模型缆绳的重量满足相似要求，同时原型、模型缆绳的受力-伸长曲线满足弹性相似要求。

（3）护舷：按照几何相似在码头平台下方沿长度进行安装，使防碰垫在系泊船模沿码头长度范围内都能起到护舷作用。

（4）码头：相对护舷的变形系数而言，码头的变形要小很多，可按照刚性处理，并遵循原型结构型式复演对波浪传播和水流流动所产生的影响。

2.1.4 动力环境的模拟

（1）风速的模拟是靠调节造风系统，如鼓风机的转速来实现的，并以风速仪测量模拟区的平均风速，同时采集风压力予以校核。

（2）流速的模拟是靠调节造流系统水泵的转速来实现的，并以流速仪测量平均流速。

（3）波浪的模拟是靠调节造波机推板的运动振幅及周期来实现的，并以浪高仪测量波高及周期并进行实时记录。

（4）风浪流方向的模拟，是靠变动模型在水池中的布置或者移动局部造流、造风系统的位置来实现的，波浪的方向改变现在已经非常方便，如可移动式不规则造波机的普及和L型多方向造波系统的应用。

（5）风浪流共同作用的模拟，目前各试验室大多采取独立率定再叠加的方式进行，而各动力因素间的相互影响也在摸索中，这也是今后需要解决的问题。

2.2 仪器设备的依赖

系泊条件物理模型试验需要的仪器设备较多，安装与调试过程也较复杂，涉及风、浪、流及船模本身运动等多个要素的采集与控制。首先是能够同时模拟风、浪、流的试验水池，而船模靠泊时的撞击力和系缆力通过动态电阻应变仪采集。过去测量运动量中，角位移一般用陀螺仪或电位计来测量，线位移用加速度计测量，目前比较先进的是采用非接触式船模运动量测试系统来测量船模6个自由度的运动，自2003年以来，交通运输部天津水科院和大连理工大学试验室相继采用的非接触式船模运动测试系统既可以对船模航迹线、漂角、舵角等参数实现自动采集，还可以对靠泊船模，甚至对航行中的船模进行6个自由度运动量的测量，该试验技术的进步对今后船模试验的完善和发展提供了保证，目前应用广泛。南科院近年来利用实时空间虚拟现实（VR）运动跟踪定位系统技术开发的FL-NH船模运动采集系统，可进一步实现测试系统小型化、轻型化的要求，使用更为灵活。仪器设备的升级和不断完善，为船模试验创造了更好的条件，也为数据分析提供了更可靠的保证。

3 数值模拟

由于物理模型试验造价高，通用性差，而利用计算机程序对系泊系统进行数值模拟的应用软件弥补了这一不足。目前国际上已开发成熟的系泊系统分析计算软件通常都采用友好的用户界面形式，使软件的使用更简单、更准确，因此是未来解决船舶码头安全和作业效率问题的发展趋势。

目前已有的船舶及海洋工程分析计算软件不少，如Termsim、Ship-mooring，DREDSIM、LIFSIM、Optimoor等。其中，主要用于计算系泊船舶运动和内部应力的软件主要有TERMSIM（MARINE），Ship-mooring（Alyon），Optimoor（Tension Technology international：TTI）［9］。此外还有一些软件对于船舶运行过程以及靠泊运动中对船舶进行分析的软件，即通航条件分析软件，如SHIP-NAVIGATOR等，这些应用软件的开发为码头运营以及船舶作业提供了便利条件。

在这些数值模拟软件中，根据模型外荷载分析可分为静力模型分析软件和动力模型分析软件。由TTI公司开发的OPTIMOOR是较早为国内采用的船舶系泊分析软件，其应用的就是静力模型。该静力模型在计算外荷载时，将外荷载按照静力考虑，计算风和水流荷载时，采用OCIMF推荐的公式及风和水流系数。对于波浪则是通过用户给定的波高计算出波浪作用在船上的静力，然后把波浪力叠加到风荷载中。软件推出至今，在工程应用领域，已经被证明对于船舶及港口操作人员、设计工程师来说是基本分析工具。其软件中包含缆绳种类有钢丝、芳香尼龙纤维、HMPE、尼龙编成和搓、聚酯和聚丙烯。计算结果显示船运动量及系泊力，停泊缆索荷载显示为公吨（或千磅）以及破断力（RBS）的百分率，其中缆绳加载大于任何特殊破断力比率则用红色突出。同时，计算分析结果也可以平面布置图的形式显示，并且标注数字结果以便于直观的输出。

对于掩护较好的码头，作业环境良好，船舶产生的运动量很小，此时采用静力模型计算的结果能够满足使用者的要求。但对于深海码头，由于海洋环境恶劣，波浪等因素的动力作用不能被忽略，静力模型分析计算的结果与实际情况相差很大，因此还是应该选用以动力模型为基础的软件进行分析计算。Alkyon公司开发的SHIP-MOORING即是典型的动力模型分析软件，主要考虑的外界作用包括波浪、流、风、潮汐等。正是由于系泊船舶缆绳和护舷受力都是非线性的，风、水流、波浪的作用力也需要考虑其非线性，所以数值模拟需要采用时域方法，因此软件按照Cummins提出的方法在时域内求解船舶运动方程，而水动力荷载在频域内求解，然后采用Oortmerssen［10］提出的方法将频域内的水动力荷载转换到时域内。SHIP-MOORING可计算多种外界作用，包括波浪激振力、水动力、水静力、风荷载、水流力、缆绳力等等。波浪激振力可以计算不同形式的波，包括一阶不规则波、二阶长波、微幅波漂移力等。按照护舷三维的实际作用点进行计算，而不是象通常的做法那样把防护舷当作一维作用力处理；受力计算会随船舶位置变化而变化；同时软件可以计算船上任意一点的位移、速度、加速度；可以计算特殊的外界荷载如冰荷载、过往船舶等的作用。其中，波浪分为规则波和不规则波；流又分为潮流和非潮流；风场可分为稳定场和不规则场；潮汐可分为潮流和潮汐。因此，基于动力响应理论的系泊系统分析软件的计算就比较复杂且有一定难度，但这也是动力模型软件的优势和特点。SHIP-MOORING结果的输出提供专门后处理软件PostMoorings（图2），可分别输出数据表、变化曲线和图形化的动画格式船舶运动过程等。

图2 SHIP-MOORING专用的后处理软件界面PostMooringsFig.2 Post treatment tool of PostMoorings in SHIP-MOORING

值得一提的是，根据现有国内使用情况表明，Optimoor软件对泊位长度的变化很敏感，但对波周期的变化不敏感，这与物模的规律正相反。交通运输部天津水科院通过SHIP-MOORING对波周期、码头长度进行了尝试性的探索研究［11］，当波周期自4～30 s时，船舶运动量和系缆力均在与船舶自摇周期附近1倍左右时发生第一次峰值，而在接近2倍自摇周期（25～30 s）的时候，再次达到峰值，此时的峰值显著大于第一次峰值，缆力全部大幅度超标，表现为系缆力、运动量与波周期关系曲线呈现双峰趋势。对于码头长度对缆力、运动量的影响敏感度不如波周期那么明显，表现为短码头的运动量略有减小。

另外，目前还有一些系泊系统的分析计算软件也得到了广泛应用，例如TermSimⅡ、TermSim也是基于动力分析的软件，采用动力分析在时域内求解的模型，可计算单点系泊系统、多点浮体系统、岸壁码头等多种系泊系统。法国Bureau Veritas船级社的Ariane软件，也是一款高效的静态及动态时域系泊分析软件，该软件通过了MDN的批准，并经过了SHELL和ELF系泊标准的认证。已开发近30 a的AQWA软件，其中Modelling Software Package已为美国国防部2005年规范UFC（美国海陆空三军基础设施统一标准）所荐用采用。

与国外研究相比，我国数值模拟方面起步较晚，始于20世纪90年代后期，邹志利等的系泊船运动方程和相关的国际通用公式研究了风、浪、流作用下系泊船的系缆力，讨论了不同水位和不同风浪流夹角对系缆力的影响；于洋等从静力学二维角度在不考虑缆绳拉伸变形时对缆绳张力进行了分析；向溢等采用了蒙特卡洛算法、混沌解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对比，得到较好的一致性；信书等对烟大轮渡系泊船舶在波浪作用下的动力响应进行了研究；周丰等则考虑缆绳、护舷非线性关系对系泊船舶运动量和系缆力进行了计算研究。

4 存在问题和发展趋势

虽然针对船舶的安全系泊问题，已有不少试验成果可供参考借鉴，但目前的研究水平仍有较大的发展空间，且最为关键的是对于系泊稳定判断，也无国际统一的技术标准，不同国家和行业协会等依据的参考标准也不同，我国的港口标准中未明确指出船舶系泊安全的建议值，如运动量值和缆绳破断指标（MBL百分比）等。目前已开展的西部交通科技项目《离岸深水码头泊稳条件》专题研究中提出了以船舶运动量表示的作业标准，这次探索性研究为制定我国未来的船舶安全停泊条件的规范规程奠定了基础，也从一方面为船舶泊稳条件的判断提供了参考依据。因此，进一步完善系泊条件标准，制定我国的行业统一规范是接下来系泊问题研究的发展方向和要求。

到目前为止，国内外港口工程设计规范对港内泊稳标准仍主要沿用2种表达形式：一种是按船舶类型和吨位，以码头前允许波高作为标准；另一种是按船舶类型，以船舶运动量作为标准。但由于波浪引起的船舶运动与波向、波周期、波高及船舶频率响应特性等因素密切相关，运动量与波浪条件的相互作用的关系较为复杂，当前研究这一问题的主要方法还是模型试验，通过船舶系泊条件的模拟可以直观有效地判断港口布局的合理性、不同条件下的码头安全停泊条件，甚至评估极限停泊条件，是辅助设计的重要参考依据，也日益受到重视和普及。但是受限于该类型试验的投入大、研究周期长、技术设备要求高以及分析研究的复杂性，投资方愿意在设计阶段考虑进行这方面科研试验的要求还相对有限。另一方面，也正是由于船舶物理模型试验费用高、周期长，只宜在设计的最后阶段使用。克服这些不足的途径是在设计初期利用计算机数值模拟技术，为港口设计方案的选择提供必要的比较数据，数值模拟基础理论的完善和计算程序的普及，是未来发展的方向，也是船模物理模型试验的有效补充，具有独特的应用优势。

从研究分析所关注的问题出发，针对开敞式码头应对长周期波浪作用时，极易出现断缆情况，故研究波浪周期对开敞式码头系泊安全是十分必要的，特别是近年来除国内面向深水的大型、开敞式泊位遇到类似问题外，我国涉足海外港口项目也普遍面临长周期涌浪控制下的建港问题，系泊条件也成为关注的重要问题之一。

最后，开展原型观测和系统归类研究是试验室船模试验模拟方法和理论依据进一步完善的必经之路，如结合已安装缆绳荷载监测系统的码头，进行实际系泊和作业条件下的缆绳及运动量测试，以了解不同工况下实船的泊稳情况，为试验研究中一些模拟问题的合理概化提供参考借鉴。而随着国内外超大型、专业型、特殊船舶的相继出现，也对现有经验和相关规定提出了新的挑战，进行现场观测和原型数据采集不但可以获得宝贵的现场资料，也为系泊试验研究提供了更准确、更科学的参考依据。

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