基于AQWA的渔船排列形式对运动和系泊力响应的影响分析

2021-08-24曹力玮陶爱峰黄婉茹

水道港口 2021年3期

曹力玮，陶爱峰，张尧，黄婉茹，张旭

(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098；3.自然资源部海洋减灾中心，北京100194)

随着海洋经济的迅速发展，海洋灾害的潜在危险性也不断提升。海洋渔业作为海洋经济的重要组成部分，对海洋灾害非常敏感。渔船是中国沿海地区特别是经济欠发达地区较为普遍的海洋渔业经济载体。台风发生时，各级海洋主管部门和沿海各级政府部门严阵以待，落实责任，按防台风“五个百分百”要求，严格落实了“渔船百分之百进港避风”，取得了积极成效。然而台风引发的渔船受灾事故中，中小型渔船占多数，且多发生于港区内部及附近。2018年“玛利亚”台风过后，仅福建三都澳海域，截止2018年7月13日统计结果显示，渔业直接经济损失就高达约1.48亿元，渔船受损170艘。同一时间，浙江苍南有390多艘渔船受损。通过对温岭中心渔港的实地调研了解到渔船受损的直接原因是由于港内部分区域波浪较大，导致船舶走锚或断缆，进而发生碰撞造成损坏。因此开展港内渔船受灾机理的研究是很有必要的。

目前国内外有关船舶系泊的研究主要集中于超大型商船的码头前系泊方面[1-3]，渔船等中小型船舶水动力方面研究较少，研究大多数是针对渔船结构、设计、管理机制、节能减排以及渔港防台风等方面[4-8]。孙一艳[9-10]通过物理模型试验分别给出单船和三船并排首尾锚泊的港内允许波高建议值为0.7 m和0.9 m。Kodan N[11]、Ohkusu M[12]采用二维切片法分析了零航速状态下波浪对并排船体之间产生的水动力干扰。Hong K[13]对多浮体与单浮体的响应进行了对比分析，并开展了多浮体系泊时域分析和物模试验。高峰[14]使用SHIP-MOORINGS模型对系泊船的运动、波浪载荷以及护舷撞击力进行数值模拟计算。朱奇[15]通过物理模型试验研究了泊位长度和缆绳的布置形式对系泊船舶稳定的影响。

以275HP拖网渔船为研究对象，基于三维势流理论和波浪的辐射/衍射理论，分别对单船、双船并排与三船并排首尾锚泊开展数值模拟，研究不规则波作用下船只的运动响应和系缆力的情况，分析结果可为港区渔船锚泊方式提供参考。

1 计算流程

采用水动力分析软件AQWA建立船舶并排系泊仿真模型，并进行水动力分析。AQWA主要解决浮体在环境载荷作用下的运动响应、系泊定位、海上安装作业、船舶航行以及波浪载荷传递等方面的问题，可以建立系泊缆、铰、护舷、绞车、滑轮、张力腱等多种连接部件。另外，针对多物体耦合水动力计算分析问题，AQWA具备不规则频率去除功能和驻波抑制功能，能够提高复杂水动力分析结果的精度，见软件理论手册。计算过程中需要调用AQWA-LINE、AQWA-LIBRIUM和AQWA-DRIFT三个模块，计算流程图如图1所示。

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

2 首尾系泊渔船数值模型

2.1 渔船数值模型参数

李安迪[8]对温岭中心渔港渔船信息进行统计分析，根据船长频率密度直方图显示，温岭渔船平均船长36 m，船长在30～45 m的船舶占总数的82%，船宽均值为6.78 m。为了更具代表性，本文选取275HP拖网渔船作为目标船型，具体参数见表1。通过实地调研，政府规定渔船回港锚泊避风时，为了防止船体运动量过大，应当有一定压载，本文以半载为研究对象，已知该船半载条件下的临界入水角约为13°[10]。

表1 渔船主尺度参数(半载)Tab.1 Principal dimensions of the fishing boat(half load)

以ANSYS Mechanical有限元分析软件分别建立单船、双船和三船并排的模型并划分网格，模型及坐标系统如图2～4所示。

图2 单船模型Fig.2 Model of single ship图3 双船模型Fig.3 Model of double ship图4 三船模型Fig.4 Model of three ship

2.2 模型验证与横摇阻尼修正

2.2.1 模型验证

应用AQWA-LINE数值模型计算得到的单渔船横摇、纵摇、垂荡的幅值响应算子(Response Amplitude Operator, RAO)。由横摇RAO结果可知，横摇固有周期为5.7 s，与实际渔船的绝对误差为0.348 s，满足验证要求。

2.2.2 横摇阻尼修正

船舶横摇最主要的阻尼贡献为粘性阻尼，然而AQWA基于面元法的计算是忽略横摇粘性阻尼，需要自行修正。刚体单自由度运动时的临界阻尼为

(1)

式中：M为质量；K为对应自由度的刚度。具体到横摇运动，公式化为

(2)

式中：Ixx为横摇方向惯性质量；△Ixx为附加质量惯性质量；KRoll为横摇方向刚度。Ixx通过横摇惯性半径Rxx计算得到。附加质量惯性矩和横摇方向刚度从静水力计算结果中提取，经过计算得到横摇临界阻尼，以8%的临界阻尼作为粘性阻尼修正量。如图5所示，已进行附加阻尼修正，得到合理的横摇幅值25°。

图5 横浪下船舶横摇、纵摇和垂荡的RAOFig.5 RAO of ship rolling ,pitching and heave in transverse

2.3 首尾双锚系泊渔船的数值模型建立

在船舶数值模型中设置悬链线式首尾单锚锚缆，有限元模型如图6所示。缆绳材质选择镀锌钢丝绳。开展静平衡计算，通过调节首尾锚链的参数，使得首尾锚缆的拉力相近，最终确定系泊参数见表2。相邻两船间均设置4个护舷及6根中间系船缆绳，护舷及船间系缆的相关参数分别见表3和表4，其刚度模型均选择3次非线性多项式。船间系缆长度大于船间距，有一定的富余量。船间护舷和缆绳布置见图7，其中0.8 m厚的护舷只分别位于船头第一排护舷与1.4 m长的缆绳只分别位于船头第一条缆绳。

表2 首尾锚缆缆绳参数Tab.2 Principal dimensions of the fishing boat

表3 护舷参数Tab.3 Fender parameters

图6 单船、双船并排与三船并排系泊数值模型 Fig.6 Numerical model of single ship, double ship side by side and three ship side by side mooring

表4 船间系船缆绳参数Tab.4 Parameters of middle cable

图7 船间缆绳和护舷布置图Fig.7 Arrangement of mooring lines and fenders between ships

2.4 环境荷载

根据温岭地区渔港资料及实地调研确定所研究的环境工况参数。锚泊区域水深为6 m，试验采用不规则波的频谱为JONSWAP谱，考虑最不利情况，波浪方向为90°。谱峰周期从4～7 s每间隔1 s取值，有效波高分别为0.65 m、0.8 m和1.0 m，具体的环境参数设置见表5。

表5 主要环境参数Tab.5 The main environmental loading condition

为进一步了解船舶在横浪作用下运动特性及系缆力随时间的变化规律，开展单船与多船系泊系统的时域分析，仿真时间为10 800 s，时间步长取0.1 s。

3 计算结果分析

3.1 外船存在对单船附加质量和辐射阻尼的影响

单船、B船和E船的横荡与横摇附加质量随波频的变化曲线见图8。在低频段，各船横荡和横摇附加质量随波频变化不大，附加质量均趋于定值；在高频段，B船和E船的横荡和横摇附加质量随波频的增加而增加，单船横荡和横摇的附加质量随波频增加反而减小，B船和E船的附加质量整体上均大于单船的情况。

图9为单船、B船和E船的横荡与横摇辐射阻尼随波频的变化曲线。由图可知，在低频段，各船的横荡和横摇的辐射阻尼均相差不大，随着波频的进一步增加，横荡与横摇的辐射阻尼不断增加。

8-a sway横荡8-b roll 横摇图8 附加质量随波频变化曲线Fig.8 Curve of added mass versus wave frequency

3.2 横摇角结果分析

不同波高、周期组合下的单船、双船与三船最大横摇角度的结果见图10。从图10-a中可以发现，不同波高条件下，单船横摇角度总体趋势都是随着波浪周期的增大先增大后减小，即在船舶的固有周期附近，横摇角度达到最大值。周期相同时，波高越大，横摇角度越大。波高为0.65 m时，最大横摇角度为10.05°；波高为0.8 m时，最大横摇角度为12.5°；波高为1 m时，最大横摇角度为16°。因此单船在特定工况下会因横摇角度大于临界入水角(13°)而发生船舱进水现象。

从图10-b可以看出，双船并排锚泊时，同种工况下直接受浪作用的A船横摇角度整体大于B船，这相当于A船对B船起到一定的遮蔽作用，且对于B船而言，其横摇角度在单船横摇固有周期附近与A船相比明显减小。随着波高增大，A船横摇角度增幅明显，B船横摇角度受波高变化的影响不大。图10-c中E船为中间船，F船为直接受浪作用船。三船并排锚泊时，三船横摇角度受单船横摇固有周期影响不大，但总体会随着周期的增大而增大。同种工况下，处于中间的E船最大横摇角度最大，F船和G船最大横摇角度接近，这是因为处于中间的船体两侧存在窄缝，当波浪频率与窄缝间流体的固有频率接近时，流体会产生共振，进而影响船体的运动幅值。在波高为1 m时，E、F、G船最大横摇角度为分别为9.32°、8.72°和8.33°。随着周期的增大，各船横摇角度差距缩小。表6为各船系缆力与横摇角度平均值对比，从表中可以看出单船在各工况下横摇角度的平均值在0°附近，而其他多船并排的船体由于船体之间的相互作用使得横摇角度平均值在某一个值附近，即船体在波浪作用下产生一个倾角并在这个倾角附近转动。

10-a 单船10-b 双船10-c 三船图10 渔船最大横摇角度在不同波浪周期时的比较Fig.10 Comparison of the maximum rolling angle of fishing boat in different wave periods

3.3 系泊缆拉力结果分析

由于在设置船舶艏艉缆时，船艉缆设置稍短，存在预紧力，以防止船舶在波浪作用下产生较大位移。图11-a、11-b、11-c分别表示单船、双船与三船艉缆最大拉力随波高周期的变化。从图11-a可以看出，周期相同时，锚缆拉力随波高的增加而增加,当T=4 s，Hs=1 m时，拉力最大，为154.49 kN，这是因为横摇运动对拉力的影响较小。波高一定时，拉力随周期的增加而减少，且随着周期的增加，各波高下的单船系泊拉力差别越来越小。从图11-b可以看出双船并排锚泊时，同种工况下，直接受浪作用的A船拉力略大于B船。不同波高条件下拉力整体都呈现随周期的增加而增加的趋势，当T=7 s，Hs=0.8 m时，A船存在最大拉力，为139.89 kN，当T=7 s，Hs=1 m时，B船存在最大拉力，为137.68 kN。并且可以看出，两船拉力在同种工况下的差别不大。从图11-c可以看出，三船各船拉力的情况与双船类似，但在同种工况下三船各船拉力的差别更加小。观察表6可知：三船并排的锚泊方式缆绳拉力平均值的数量级比另外两种锚泊方式小一级，这表明在同种工况下、三船并排锚泊的缆绳拉力值整体上更小更稳定。

11-a 单船11-b 双船11-c 三船图11 渔船最大艉缆拉力在不同波浪周期时的比较Fig.11 Comparison of the maximum stern cable tension of fishing boat in different wave periods

3.4 双船、三船与单船的横摇角度最值和系缆拉力最值的对比分析

为了进一步研究渔船排列形式对横摇角度和系缆力的影响，将三船、双船中每条船的横摇角度和系缆力无因次处理，即

φ0=φu/φ单船

(3)

F0=Fu/F单船

(4)

式中：u为渔船编号(分别取A、B、E、F、G)；φu、Fu分别为对应工况下的横摇角度和拉力；φ0、F0分别为对应工况下的无因次化后的横摇角度和锚缆拉力。

基于以上方法得到不同波高下的三船、双船与单船的横摇角度和拉力随周期的变化，如图12、13所示。

从图12-a中可以看出，只有在Hs=0.65 m且T=4 s时，双船并排形式下的船A和船B与三船并排形式下的中间船E的横摇角度会大于单船的情况，其余均小于单船的情况。结合图12可以看出，波高越高，双船与三船的横摇角度与单船相比，并排系泊的形式对横向波浪有一定的的抑制作用。且在同种工况下，三船横摇角度整体上小于双船的情况。

从图13-a、13-b、13-c可以看出，双船与三船拉力的变化趋势一致，且在同一波浪周期时，随着波高的增加，无因此系数变化不大。但随着周期的增加，双船与三船的拉力均显著增加，当波浪周期较小时(4～6 s)，并排锚泊的渔船艉缆拉力均小于或接近单船锚泊时的拉力，当波浪周期较大时(6～7 s)时，此时并排锚泊的渔船艉缆拉力大于单船锚泊的拉力。