小水线面双体船艏锚布置研究

朱一鸣 王虎虎 陆云昊

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.中船融资租赁（上海）有限公司 上海200120）

引 言

船舶在锚泊时会随着风浪流的变化而产生一定的运动，此时锚链与船体之间会产生相对运动。由于双体船在水线以下具有两个潜体及稳定鳍等附体，其与锚链的相对运动可能会迫使锚链碰擦甚至缠绕进潜体或稳定鳍。与潜体碰擦可能会导致船体油漆的脱落，对船舶水线以下的防腐带来极大隐患；同时也会影响锚链及船体钢板的使用寿命。缠绕进潜体或稳定鳍会对船舶收锚带来不利影响，甚至有可能损伤稳定鳍。

小水面双体船艏锚布置一般有3种方案，即将艏锚置于片体外侧、片体中间及连接桥中间。艏锚布置方案不仅与船体总布置有关，还与锚泊地水文环境影响下锚链与船体的相对运动有关。下页表1为国内外部分部分典型双体船艏锚布置方案。

由表1可知，若仅配置单锚，则均将艏锚置于连接桥中间；若配置双锚，则有片体外侧、片体中间及连接桥中间3种方案［1］。根据统计资料，在环境条件变化时，会出现锚链绕进艏部潜体内侧，致使锚链与船体外板摩擦，出现船体油漆脱落等现象。尤其船舶周围海流为往复流时，碰擦现象更为严重。林伟国［2］、范井峰［3］等人就此问题采用静态悬链线方法分析原因，并提出解决方案。但悬链线方法无法反映每一时刻船舶与锚链之间的相对运动，故采用时域模拟仿真以及模型试验方法是必不可少的。

表1 国内外部分典型双体船艏锚布置情况

本文首先提出某小水线面双体船艏锚布置方案并分析优劣，确定艏锚布置方案。采用时域模拟仿真与模型试验方法对双体船锚泊状态进行分析，模拟在往复流与风浪环境条件下船体运动过程和船体与锚链的相对运动情况，了解船体与锚链可能发生接触的环境载荷特性，为实船抛锚作业提供参考。

1 艏锚布置方案

根据本船的结构形式，锚装置有3种布置方案。分别如下页图1 -图3所示。这3种方案均是对称布置。

1.1 方案1：锚位于片体外侧

锚链筒出口点位于片体的外侧，如下页图1所示。在片体外侧出口点的位置设置锚架。该方案无需设置锚唇或锚穴，施工较为方便。但锚机需横向布置，占用较多的甲板空间，锚架外观形式较为繁复，超出船体较多，在靠码头时有发生碰撞的危险。

1.2 方案2：锚位于片体中央

锚链筒出口点位于片体的中央，如下页图2所示。在片体中央出口点的位置设置锚架。该方案施工较为方便，锚机布置在甲板两侧，占用较少的甲板空间。但由于水下潜体首部过于前突，为了避免收放锚时的摩擦及碰撞，需设置较大的锚架。

1.3 方案3：锚位于连接桥中央

锚链筒出口点位于连接桥上，如下页图3所示。锚置于连接桥中央。在连接桥上设置锚穴，锚收藏于锚穴中。形式简洁内敛，锚机布置占用较少的甲板空间。

图1 方案1-布置图

图2 方案2-布置图

图3 方案3-布置图

从总布置要求角度出发，方案3形式内敛且占用较少甲板空间，比方案1和方案2更具优势。但由于船舶实际处于风、浪、流等复杂环境中，锚链与船体碰擦情况需要进一步的模拟验证。本文以艏锚布置方案3为时域模拟仿真和模型试验对象进行探究。

2 时域模拟仿真

2.1 基本理论

对于船舶的锚泊系统，其时域运动方程可写作［4］：

式中：m为船舶质量，kg；为附加质量，kg；为势流阻尼，N·s / m；为粘性阻尼，N·s / m；为船舶承受的环境载荷（包括风载荷、流载荷、一阶波浪力、二阶波浪力和锚链张力），N。

对于锚链张力的求解，国内外研究很多，发展成熟［5-8］。常见的为悬链线法，其方程形式为：

式中：x为距离锚点的长度，m；y为距地底高度，m；G为锚链单位长度的质量，kg；Th为锚链水平张力，N。

2.2 船体建模

通过建模软件建立双体船面元模型，如图4所示。利用水动力分析软件，在频域下进行水动力系数计算和时域下双体船锚泊系统动态响应耦合分析。

图4 双体船模型

2.3 锚泊系统模拟

双体船主要船型参数见表2。

考虑实船使用环境，调研实地海况，采集流速、流向等数据，为数值仿真提供计算输入。模拟船体从初始位置到最终状态的运动过程，考察在运动过程中船体的六自由度运动轨迹以及船体和锚链的相对位置关系，找出运动过程中锚链与船体最可能相碰的位置点，以观察船体与锚链之间的位置关系。风浪流环境参数见下页表3。

表2 船型参数

表3 数值模拟环境条件参数

2.4 数值模拟结果分析

图5为数值仿真中船体与锚链相对运动结果，锚链与船体之间碰擦统计结果见表4。

图5 船体与锚链相对运动数值仿真结果

表4 缠绕校核结果

由表4可知，船体受到风浪流等环境载荷时，锚链与船体发生碰擦的可能性大大增加，甚至有缠绕现象。当海流与风浪同向或者夹角大于135°时，船体与锚链发生碰撞缠绕的概率较大。

3 模型试验

根据船舶设计尺度和海洋工程水池模型试验设施条件与能力，确定实体和模型之间的缩尺比为λ= 45。在试验进行之前，根据风浪流夹角布置好造流管，两个方向造流管长度各为12 m，确保试验过程中模型及其运动处于稳定的流场范围内，如图6所示。

图6 造流管布置图（101工况）

试验开始阶段，流向为尾流（流向与船首夹角为0°），风浪与流向及船模保持相应角度，待船舶运动处于稳定阶段后，更改流向为首向流（流向与船首夹角为180°），在船舶运动处于稳定阶段后，停止试验，完成整个试验过程。试验工况与表3保持一致。在船首主甲板中线处安装高清摄像头，对整个试验过程中的锚链与船体相对运动进行记录，缠绕校核结果见表5。

表5 模型试验缠绕结果

锚链与船体相互作用以及船体水平运动情况 参见图7和图8以及下页的图9-图12所示。

图7 101工况船体与锚链碰擦情况

图8 104工况船体与锚链碰擦情况

图9 105工况船体与锚链碰擦情况

图10 101工况船体水平面运动轨迹

图11 105工况船体水平面运动轨迹

图12 106工况船体水平面运动轨迹

试验中，当船体承受艏向或艉向风浪流载荷时，易与船体发生接触；而在其他方向上，锚链与船体发生碰擦的可能性较小。此时，船体周围流场较为复杂，船体与锚链运动无明显规律，船体易与锚链发生碰擦。

结合数值仿真与模型试验结果，当海流与风浪同向或者夹角较大时，船体受到环境载荷影响，产生较大的偏荡往复运动，锚链受海流及船体运动影响较大，运动较为复杂，从而导致船体与锚链发生碰撞缠绕的概率较大。当风浪与海流夹角在90°附近时，锚链与船体运动范围干涉较小，发生碰撞缠绕的概率相对较低。

4 结 语

本文提出3种双体船艏锚布置方案，从总布置角度，以艏锚布置方案3为研究对象，通过数值模拟与模型试验方法，探究该方案在实际海况下，船体与锚链的动态响应以及船体与锚链碰擦情况。结果表明：海流与风浪同向或夹角较大时，船体周围流场复杂，船体受到较大的环境载荷，船体发生较大的偏荡运动，锚链的运动具有不确定性，易发生碰撞缠绕现象。该结果可为实船锚泊作业以及今后类似船型艏锚布置设计提供借鉴。