大型浮船坞牵引力计算分析

陈晓华 张 莹

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

大型浮船坞牵引力计算分析

陈晓华 张 莹

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

为分析浮船坞牵引船舶入坞时的牵引力，以指导牵引设备的选型或入坞操作，介绍一种浮船坞牵引船舶入坞所需牵引力的计算方法，并根据船型资料，计算牵引力的大小，并对浮船坞牵引设备的选型进行分析。牵引力的计算方法为类似浮船坞设计或实际入坞工程的操作提供了重要的理论支持。

浮船坞；牵引方式；牵引力计算；牵引设备

引 言

浮船坞是一种在海上对船舶或海上浮式结构物进行维修和建造的大型浮动平台。对船舶进行维修和改装之前，需要依靠浮船坞上的牵引设备将船舶牵引入坞。维修完成后再利用牵引设备将承修船舶牵引出坞。每一型浮船坞能否对目标船型顺利地进行进出坞操作，主要取决于浮船坞上牵引设备的能力。

在浮船坞的设计过程中，需要根据所承修的最大船型，对牵引力进行合理分析，并对牵引设备进行适当的选型。特别是对大型浮船坞而言，通常其承修船舶的尺度较大，在进出坞时受到环境力的影响很大。因此，更需要在一定的环境条件下，对船舶进出坞的牵引力进行合理分析，来指导牵引设备的选型。

本文以某大型浮船坞为例，提出合理的环境条件，对牵引最大船型时的牵引力进行计算，并对牵引设备的选型进行分析。

1 牵引系统及牵引方式

牵引系统包括牵引设备和牵引的目标船型。对牵引力进行计算，首先应明确牵引系统的布置以及对进坞船舶的牵引方式。

1.1 牵引设备布置

该船坞牵引设备主要包括牵引定位绞车、导轨、导向滑轮、引船小车和牵引缆绳等。牵引设备布置于浮船坞顶甲板，具体布置见图1。

1.2 牵引目标船型

考虑该型浮船坞承载的最大船型，牵引目标为大型FPSO（浮式生产储油装置），其主要尺度见表1。

表1 牵引目标船型尺度m

1.3 牵引方式

浮船坞牵引FPSO入坞，从浮船坞尾部附近开始牵引。绞车缆绳通过导向滑轮连接引船小车，将牵引缆一端连接小车，另一端连接FPSO首部拖带缆桩。通过绞车收放缆绳拉动引船小车，将FPSO缓缓牵引入坞。FPSO入坞方式见图3。

2 环境力分析

2.1 环境条件

浮船坞牵引设备的牵引力主要取决于最大进出坞船舶所受的环境力。因此，牵引力的计算需要确定合适的环境条件，才能得到合理的计算结果。

入坞船舶受到的环境力与浮船坞牵引船舶时所处的环境有关，本文所述浮船坞所处位置如图4所示。浮船坞右侧受防波堤保护，前方是码头，主要受到船尾部和左侧的海流及各个方向的风力影响。

对海流的影响而言，进出坞时，考虑到船舶都是顶流；对于平潮进出坞的，水流速度可以取值很低［1］。风力的影响主要随风速和风向的变化而变化，通常浮船坞进出坞作业时，风级应不大于5级［2］，从安全性考虑，应尽量选择顶风时进坞。牵引力的计算，需要确定流速、风速和环境力方向。

根据顶风、顶流的原则，同时结合入坞时所处的位置，牵引过程中受到的环境条件如图5所示。

此外，风速和流速的确定，一方面要考虑船东对浮船坞使用条件的要求；另一方面，考虑到最大船型的船舶入坞并非浮船坞坞修的常态，过高的环境要求也并非必要。综合考虑，本文计算取用风速VW= 21 kn（约10.8 m/s，5级风）， 流速VC= 1 kn。

2.2 环境力计算

根据经验公式对环境力的计算通常只有首向和侧向环境力，对于其他方向的环境力，可按式（1）进行转换［3］：

式中：Fφ为斜向环境力， N；Fx为首向环境力， N；Fy为侧向环境力， N；φ为环境力方向（相对于船首的角度，文中 φ为 0°和15°）。

2.2.1 风力计算

作用在FPSO上的稳定风力可按式（2）计算：

式中：FW为风力，N； CW为风力系数，取0.615 N·s/m；Cs为形状系数；Ch为高度系数；A为每个受风面的投影面积，m2；VW为设计风速，m/s。

2.2.2 海流力计算

对FPSO来说，海流力可按下式（3）计算［3-4］：

式中：Fcx为首向流力，N；Cc为流力系数，首向或尾向取2.89 N·s2/m4，侧向海流力取72.37 N·s2/m4；S为包括附体的船体湿表面积，m2；VC为设计流速，m/s。

根据以上风力和海流力的计算公式，将FPSO的实船参数代入，得到在所要求环境条件下的环境力，如表2所示。

表2 环境力计算结果

3 牵引力计算

浮船坞对入坞船舶的牵引力即是与入坞船相连的牵引缆绳的受力。因此，数学计算模型围绕牵引缆绳的受力情况和布置进行分析。

3.1 参数及坐标定义

根据FPSO的牵引方式，建立如图6所示的坐标系统，并定义牵引缆绳的布置角度。其中X轴沿浮船坞中心线，Y轴指向浮船坞左舷，Z轴向上。α角为牵引缆绳在X-Y平面上的投影与X轴的夹角，β角为牵引缆绳在Y-Z平面上的投影与Y轴的夹角。d为入坞船船首距浮船坞尾部的距离，φ为环境力合力的方向角。

3.2 数学模型建立

牵引力的计算主要是根据环境力求解牵引缆绳上所受的拉力，即牵引力FR。根据图6中牵引缆绳的布置，可将牵引力FR分解到X、Y和Z三个方向上，即：FX、FY、FZ，如图7所示。图中角度α和β与3.1中的定义一致。

三个方向上的分力之间关系如下：

考虑到牵引船舶仅受环境力影响， FX为X方向上的环境分力，FY为Y方向上的环境分力。则确定牵引船舶在X、Y方向上受到的环境分力即可求得牵引缆的牵引力。

3.3 牵引FPSO计算分析

大型FPSO的入坞，主要受到的环境力方向是朝船首向的。计算牵引力时，只考虑牵引缆绳克服沿X轴方向的环境受力。Y方向上的分力由实际入坞时船侧的拖轮顶推抵消。

考虑两根缆绳的受力，单根缆绳上X轴方向的受力Fx按式（8）计算：

式中：φ为环境力合力方向（相对于入坞船首的角度）；F为 环境合力。

因此，单根缆绳上的牵引力为：

在第3部分中，已确定了环境力F和环境力方向，α和β角取决于牵引缆绳的布置。根据图6，在牵引FPSO时，缆绳从引船小车连接到FPSO船首的拖带设备上绑扎，固定好后小车牵引船舶入坞。在入坞过程中，牵引缆绳的长度保持不变。因此，缆绳的α和β角可根据初始状态确定。一般入坞时，入坞船与浮船坞之间的间距d一般为20 ～ 50 m，间距越大，缆绳与X方向的角度越小，受力情况越好。本文按最不利情况考虑，d取20 m。缆绳与FPSO的连接位置取决于船首部拖带设备的布置。按图6所示，可确定α角度：

β角也可根据图6的布置确定：

将表2中环境力的计算结果代入，可得到牵引FPSO时单根缆绳的牵引力FR，见表3。

表3 牵引力计算结果(FPSO)kN

3.4 计算结果分析

根据表3中的计算结果，可以得到21 kn风速和1 kn流速，不同环境力方向作用下牵引缆绳上的最大牵引力，见下页表4。

表4 最大牵引力kN

在表4中，单根牵引缆所需最大牵引力为427.2 kN，出现在牵引FPSO入坞，受到相对船首15°侧向风和流的环境力作用时。这主要是由于大型FPSO侧向受风面积较大，同时考虑了侧向海流的原因。

浮船坞牵引船舶入坞的牵引力主要是由牵引绞车提供的，绞车工作负荷的选取以表4中的结果为基础，但参考计算结果的同时，还应结合实际情况确定。在实际牵引过程中，特别是大型船舶入坞的情况，在船侧和船尾会有拖船顶推或协助牵引，以弥补绞车牵引能力的不足，并防止环境条件突然变化造成的影响。此外，选择多大工作负荷的绞车还应综合考虑大型船舶入坞的频率、绞车成本、辅助拖船的使用情况等。一般情况下，选取工作负荷接近最大牵引力的工作绞车即可，不必过分要求绞车能力。

4 结 论

本文通过合理分析入坞船舶所受的环境力，并结合浮船坞牵引船舶入坞的方式，提出了一种浮船坞牵引船舶入坞时牵引力的计算方法。通过计算结果，可以对浮船坞牵引设备的设计和选型提供理性的指导。同时，本文的计算方法还可拓展延伸至对浮船坞牵引一般船舶入坞的实际工程项目分析中，对牵引船舶入坞操作和入坞程序有一定的指导意义。

［1］邱崚. 浮船坞的设备［J］. 船舶设计通讯， 1993（2，3）：40.

［2］CB/T 3673-1995， 船舶进出浮船坞技术要求［S］. 1995.

［3］Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures［M］. Washington D C： American Petroleum Institute， 2005：66-67.

［4］叶邦全. 船舶设计实用手册（舾装分册）［M］. 第3版.北京： 国防工业出版社， 2013： 114.

［5］邱崚， 施正礼， 王延珍. 30万吨级浮船坞开发设计综述［J］. 船舶设计通讯， 2007（2）： 24-27.

信息动态

MARIC作为主席单位主持ITTC“船舶营运性能委员会”日本会议

2017年1月18～20日，ITTC“船舶营运性能委员会”第五次会议在日本召开，来自10个国家的12位委员参加了会议。作为本届委员会的主席，中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）基础研究部主任王金宝研究员主持了本次会议。

会议在经过了激烈的争论与讨论之后，最终在浅水修正、剪切弹性模量的取值以及风阻力修正等多个主要方面形成共识。对于中国提出的“基于三大主流船型开展实船不同吃水试航”的建议，会议给予了极大关注，并同意将该建议纳入下一届委员会的研究内容。

此次会议围绕实船测试等规程开展了最后一次深入讨论并达成共识，为即将向ITTC提交最后的版本创造了条件；主导了推荐给下一届委员会的工作，为中国在下一届委员会争取主动打下了基础。此次会议的“人数之多、任期内共召开的会议之多（5次，每次会议用足3天）、讨论争论之激烈”也堪称ITTC所有委员会之最。中国人首次担任“最艰难”委员会的主席，机遇和挑战并存，但中国人的敬业和协调能力也受到了委员们的一致肯定。

Analysis and calculation of warping force for large fl oating dock

CHEN Xiao-hua ZHANG Ying
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper introduces a method for the calculation of the required warping force while the fl oating dock is docking the ship to guide the selection or docking operation by analysis of the warping force. Based on the ship data, the warping force is calculated for the selection of the warping equipment on the fl oating dock. The calculation method of the warping force can provide important theoretical basis for the design of the similar floating docks and the practical docking operation.

fl oating dock; warping operation; calculation of warping force; warping equipment

U673.332

A

1001-9855（2017）01-0068-06

2016-07-19；

2016-08-08

陈晓华（1987-），男，工程师。研究方向：船舶与海洋工程舾装设计与研究。张 莹（1982-），女，高级工程师。研究方向：船舶与海洋工程舾装设计与研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.068