大型滚装船码头系泊能力数值仿真研究

王 果，张 雯，何沁园，郭建廷，翁欢英，刘靖峤，嵇春艳

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

0 引 言

随着全球航运业的发展，船舶越来越趋于大型化，码头系泊系统的能力愈发受到重视，特别是滚装船舶在码头的转运装卸载作业时间长，对码头系泊能力的需求更为明显。不可否认安全性是评判码头系泊系统的关键所在[1-2]。雷林等[3]基于三维势流理论，运用Ansys-aqwa 模块对大型游船码头系泊系统进行频域、时域分析，得到一系列参数和运动规律。王金光等[4]对半潜平台码头系泊系统进行了设计研究。胡毅等[5]应用多体水动力学软件Aqwa，研究了在风、浪、流联合作用下大型LNG 船码头系泊时的运动响应。王建华等[6]基于开源平台Open FOAM 开发的船舶与海洋工程CFD 求解器，对一座浮式码头的分布式系泊系统在入射波浪作用下的运动响应进行了数值模拟。邹志利[7]对港口内靠码头系泊船的运动进行了数值计算研究。马小剑等[8]对风流作用下船舶码头系泊时缆绳张力及运动量进行了研究。本文基于三维势流理论，利用Ansys-aqwa 软件对某大型滚装船的水动力性能和码头系泊能力进行数值仿真，分析研究该船在规则波中的基本性能，考核给定工况下该船的码头系泊能力，并对码头系泊系统的安全性能进行评判，给出各工况下该船的六自由度动力响应。

1 坐标系的定义与水动力模型的建立

1.1 坐标系定义

船体坐标系及环境坐标系的定义，如图1 所示。X 轴由船体中心线船艉指向船首，Y 轴由右舷指向左舷，环境载荷以逆时针方向为正，从船尾指向船首为0°，首摇以X 正轴向Y 正轴转动的右手坐标系为正。

图1 坐标系定义Fig. 1 Definition of coordinate system

1.2 水动力模型

某大型滚装船舶主要主尺度为：垂线间长Lpp=220.3 m、型宽B=32.3 m、型深D=27.3 m、吃水T=～7.0 m、排水量△=～31 000 t，属于大型浅吃水、高干舷船舶。该船停靠码头水深为15 m，码头长696 m、宽30 m。水动力模型和码头系泊示意图如图2 所示。

图2 水动力模型和码头系泊示意图Fig. 2 Hydrodynamic calculation model and wharf mooring scheme for a large ro-ro ship

2 频域水动力分析

基于三维势流理论，应用面元积分法通过Aqwaline 模块对该船进行频域水动力性能分析，即研究该滚装船在规则波中的基本水动力性能，包括运动响应幅值算子、附加质量、辐射阻尼、1 阶波激力和定常漂移力等水动力基本参数。频域分析的频率范围为0.1～1.7 rad/s，船体在各浪向下的六自由度幅值响应算子如图3～图8 所示。

图3 纵荡RAOFig. 3 RAO of surging

图4 横荡RAOFig. 4 RAO of swaying

图5 垂荡RAOFig. 5 RAO of heaving

图6 横摇RAOFig. 6 RAO of rolling

图7 纵摇RAOFig. 7 RAO of pitching

图8 首摇RAO Fig. 8 RAO of yawing

根据计算结果可以看出：纵荡RAO、横荡RAO、垂荡RAO 随着波浪频率的增加而逐渐减小；随着波浪频率的增加横摇RAO、纵摇RAO、艏摇RAO 呈现先增加而后逐渐减小的趋势。码头水深15 m 为浅水区，纵荡RAO 和垂荡RAO 均比较大，体现了浅水效应对该滚装船的纵荡、垂荡影响较大；横摇RAO 在波浪频率0.5 rad/s 附近出现最大值，说明该滚装船的横摇固有周期接近该波浪周期，而且浪向角接近90°时横摇RAO 增加更为明显，船舶横摇更为剧烈，因此船体航行中应尽量避开该浪向角，采取顶浪方式航行可有效减少船体横摇对人员、设备的影响。

在不同浪向下，该滚装船的1 阶波浪力如图9～图14 所示。

图9 纵荡1 阶波浪力Fig. 9 First order wave forces of surge

可以看出，该滚装船6 个自由度1 阶波激力的最大值对应的浪向与6 个自由度RAO 最大值对应的浪向基本一致，说明本船1 阶波激力对船舶运动起主导作用，而且浪向角对1 阶波激力的大小影响较大。

图10 横荡1 阶波浪力Fig. 10 First order wave forces of sway

图11 垂荡1 阶波浪力Fig. 11 First order wave forces of heave

图12 横摇1 阶波浪力Fig. 12 First order wave forces of roll

图13 纵摇1 阶波浪力Fig. 13 First order wave forces of pitch

3 时域耦合计算

在风、浪、流载荷联合作用下利用Aqwa-drift 模块，研究该船6 个自由度的运动响应和各系泊缆张力的变化情况，同时对系泊系统各缆绳的安全性进行评估。

图14 首摇1 阶波浪力Fig. 14 First order wave forces of yaw

3.1 码头系泊系统方案

该大型滚装船舶系泊系统使用的缆绳为超高分子聚乙烯索具，直径为36 mm，破断载荷为959 kN。经过一系列码头系泊系统方案优化后确定的大型滚装船舶、码头相互对应的8 组系泊点坐标如表1 所示。

表1 大型滚装船码头系泊系统对应的8 组系泊点坐标Tab. 1 Coordinates of eight groups mooring points corresponding to wharf mooring system of large ro-ro ship

3.2 码头系泊风浪流工况组合

根据该大型滚装船舶主要停靠的北方港口风浪流统计数据资料，确定了该大型滚装船码头系泊能力考核的工况清单如表2 所示。

3.3 码头系泊系统能力校核分析

在船舶达到平衡位置后，求解此时系泊缆绳张力随时间的变化情况，统计出缆绳张力的最大值，并对缆绳的安全性进行校核，当缆绳最大张力小于缆绳破断载荷时，满足安全性能要求。各缆绳最大张力计算结果如表3 所示。

根据计算结果可以看出：

1）各计算工况下8 根缆绳的最大张力均小于缆绳的破断载荷959 kN，因此所有计算工况下本船码头系泊系统设计方案均能够满足安全系泊的要求。

2）通过不同工况的对比分析得出：浪、流载荷不变时，风向对各缆绳的张力影响非常大，与陇风相比开风可直接导致所有缆绳张力大幅增加，而且在开风情况下风速增加也可直接导致各缆绳张力增加，在陇风情况下风速增加对各缆绳张力影响不大；流、风载荷不变时，波浪周期固定时浪高增加可导致各缆绳张力增加，波浪周期增加可导致各缆绳张力减小；浪、风载荷不变时，流向对各缆绳的张力会产生影响，船尾迎流时各缆绳中最大张力小于船首迎流时各缆绳中最大张力，而且船尾迎流时除4 号、7 号、8 号缆绳外其余缆绳的张力载荷均小于船首迎流时，4 号、7 号、8 号缆绳因为是倒缆，在船首迎流时由于船体向后的运动趋势导致张力有所减小。

表2 大型滚装船舶码头系泊能力考核计算工况组合Tab. 2 Calculation conditions for wharf mooring capacity of large ro-ro ship

3）综合考虑，在流向、波浪周期、浪高、风速、风向等变化因素中，码头系泊时风向对各缆绳张力的影响程度远超其他因素的影响程度。因为当风向为陇风时，滚装船存在向码头靠近的运动趋势，挤压码头护舷，对各缆绳在张力方向不会产生影响，因此所有陇风工况下各缆绳张力均较小。但当风向为开风时，各缆绳除了承受在浪、流载荷作用下滚装船X 方向运动产生的纵向力，而且还需承受开风作用下滚装船Y 方向运动（离开码头趋势）产生的横向张力，导致各缆绳张力大幅增加；特别是3 号、6 号缆绳的张力载荷增加更为明显，因为3 号、6 号缆绳都比较短，特别是6 号缆绳最短，最先承受横向张力，也是系泊系统中主要承受横向张力的两根缆绳，因此在系泊系统设计中应关注短缆的张力载荷，并尽量避免出现中间各缆绳长度差异过大的情况，提高码头系泊系统的安全性能。

表3 各缆绳最大张力计算结果汇总表Tab. 3 Summary calculation results of maximum tension of cables

3.4 大型滚装船运动响应分析

当船体达到平衡位置后，在1 阶波浪力的作用下进行往复运动。不同工况对应的风浪流载荷联合作用下，该滚装船的六自由度运动响应结果如表4 和表5 所示。

通过不同工况的对比分析可以看出：

1）风浪流载荷中各变量因素对船体六自由度运动响应影响最大的就是风向，其中风向对船体运动中横荡、横摇、首摇的影响最大，对纵荡的影响次之，对垂荡、纵摇基本没有影响。

2）就纵荡运动响应而言，浪、流载荷不变时，风向对其影响较大，开风时纵荡幅值大于陇风时，风速对纵荡的影响很小；流、风载荷不变时，波浪周期固定时浪高对纵荡的影响较小，波浪周期增加会引起纵荡幅值增加；浪、风载荷不变时，流向对纵荡幅值会产生影响，船尾迎流时纵荡幅值小于船首迎流时。

3）就横荡运动响应而言，浪、流载荷不变时，风向对其影响很大，开风时船体远离码头，横荡幅值为正值且很大，陇风时船体挤压码头，横荡幅值很小；而且风速增加必然导致横荡幅值增加；流、风载荷不变时，波浪周期、浪高对横荡的影响不大；浪、风载荷不变时，流向对横荡幅值的影响不大。

4）就垂荡运动响应而言，风向、风速、波浪周期、浪高、流向对其影响均很小。

5）就横摇运动响应而言，浪、流载荷不变时，风向对其影响很大，开风时横摇幅值远大于陇风时，风速增加也会引起横摇幅值增加；流、风载荷不变时，波浪周期固定时浪高增加会引起横摇幅值增加，波浪周期增加会引起横摇幅值减小，但是影响程度都很小，可忽略不计；浪、风载荷不变时，流向对横摇幅值的影响不大。

6）就纵摇运动响应而言，浪、流载荷不变时，风向、风速对纵摇幅值的影响很小；流、风载荷不变时，波浪周期固定时浪高增加会引起纵摇幅值增加，波浪周期增加会引起纵摇幅值大幅增加；浪、风载荷不变时，流向对纵摇幅值会产生影响，船尾迎流时纵摇幅值大于船首迎流时。

7）就首摇运动响应而言，风向对其影响很大。波浪周期较短时，吹开风艏摇幅值远大于吹陇风，而且开风时艏摇幅值均为负值，表明开风时船首挤压码头，使得尾部缆绳张力大于首部缆绳张力，因此开风工况中均是6 号缆绳张力最大。波浪周期较长时，陇风时艏摇幅值接近于开风时，但吹开风首摇幅值仍大于吹陇风。吹开风时，风速或浪高增加均会引起首摇幅值减小；吹陇风时，风速或浪高增加均会引起首摇幅值增加。

4 结 语

本文利用Ansys-aqwa 软件，对某大型滚装船的码头系泊能力进行数值仿真研究，包括频域水动力分析和时域耦合分析，主要结论如下：

表4 各工况纵荡、横荡、垂荡的运动响应结果Tab. 4 The summary motion responses results of surging, swaying and heaving under various calculation conditions

表5 各工况横摇、纵摇、艏摇的运动响应结果Tab. 5 The summary motion responses results of rolling, pitching and yawing under various calculation conditions

1）通过频域分析可知，随着波浪频率的增加，纵荡RAO、横荡RAO、垂荡RAO 呈现减小趋势，横摇RAO、纵摇RAO、首摇RAO 呈现先增加后减小的趋势；浅水效应对该大型滚装船的纵荡、垂荡影响较大，该大型滚装船一阶波激力对船舶运动起主导作用，而且浪向角对一阶波激力的大小影响较大。

2）各给定工况下该大型滚装船系泊系统各缆绳最大张力均小于破断载荷，系泊系统设计方案能够满足安全系泊的要求；风向对系泊系统中各缆绳张力的影响程度远超其他因素，流向对各缆绳张力的影响也较为明显。开风时各缆绳张力较陇风时大幅增加，特别是3 号、6 号短横缆的张力载荷增加最为明显；在系泊系统设计中应关注短缆的张力载荷，尽量避免出现中间各缆绳长度差异过大的情况。

3）风向对该大型滚装船六自由度运动响应影响最大，特别是横荡、横摇、首摇运动响应，开风时横荡、横摇、纵荡、首摇运动响应幅值均大于陇风时；对纵荡运动响应的影响次之，对垂荡、纵摇基本没有影响。风速增加导致横荡、横摇幅值增加；开风时风速增加引起首摇幅值减小，陇风时风速增加引起首摇幅值增加；风速对纵荡、垂荡、纵摇基本没有影响。

4）浪高增加会引起横摇、纵摇幅值增加；开风时浪高增加引起首摇幅值减小，陇风时浪高增加引起首摇幅值增加；浪高对纵荡、横荡、垂荡的影响较小。波浪周期增加会引起纵荡、纵摇幅值增加，对横荡、垂荡、横摇幅值的影响较小。船尾迎流时纵荡幅值小于船首迎流时，但船尾迎流时纵摇幅值大于船首迎流时；流向对横荡、垂荡、横摇、幅值的影响较小。

5）该滚装船码头系泊系统虽然能够满足安全系泊的要求，但是3 号、6 号缆绳张力相对比较大，各缆绳受力不均衡，极易导致这2 根缆绳破断。因此该滚装船码头系泊设计方案提出建议优化改进：3 号缆绳的码头系泊点改到4 号缆绳的码头系泊点，6 号缆绳的码头系泊点改到5 号缆绳的码头系泊点，1 号缆绳的码头系泊点X 坐标减小25 m，8 号缆绳的码头系泊点X 坐标增大25 m。使得船舶六自由度运动时4 号、5 号、7 号、8 号缆绳也可抵抗更多的横向载荷，从而减小3 号、6 号缆绳的受力，提高码头系泊系统的安全性。