基于AQWA的码头船舶系泊模拟设计

张健博

[摘    要]在国际物流中，码头作为联系贸易的重要水陆交通枢纽，是为船舶提供停靠装卸货物的必要场所。码头的技术问题其中之一是系泊方式的选择，设计一个合理的系泊方案对船舶和码头的安全都十分重要。对一艘排水量为45 000t的散货船的系泊状态进行分析，使用AQWA软件，在三维势流理论的支持下，选择理想环境对船舶系泊方案进行模拟设计。主要研究内容为：建立船舶和码头模型，使用AQWA频域分析模块对船舶的水动力性能进行分析;码头系泊船舶时域耦合分析。设计两种不同的系泊方案，比较两种方案下船舶自由度的运动响应和系泊缆张力的变化情况，确定适合的系泊方案。

[关键词]码头系泊;AQWA;水动力性能

[中图分类号]U653.2 [文献标志码]A [文章編号]2095–6487（2022）05–0–03

Simulation Design of Wharf Ship Mooring Based on Aqwa

Zhang Jian-bo

[Abstract]In international logistics， as an important land and water transportation hub for linked trade， the wharf is a necessary place for ships to dock and load and unload goods. One of the technical problems of the terminal is the choice of mooring mode. Designing a reasonable mooring scheme is very important for the safety of ships and terminals. In this paper， the mooring state of a bulk carrier with a displacement of 45000 tons is analyzed. Using Aqwa software and supported by three-dimensional potential flow theory， the ideal environment is selected to simulate and design the ship mooring scheme. The main research contents are as follows： （1） establish the ship and wharf model. The Aqwa frequency domain analysis module is used to analyze the hydrodynamic performance of the ship. （2） Time domain coupling analysis of wharf moored ships. Design two different mooring schemes， compare the motion response of ship degrees of freedom and the change of mooring line tension under the two schemes， and determine the suitable mooring scheme.

[Keywords]wharf mooring; AQWA; hydrodynamic performance

现代社会中海洋运输十分关键。经济发展是国家的根本，码头为船舶提供停靠装卸货物的必要场所，对国家经济提高、社会进步起到关键的作用。码头系泊方式是指系泊缆的数量和出缆角度不同方向的安排，若在系泊过程中受力不均会导致某一处系泊缆的受力变得过大，如果超出破断张力，就会有系泊缆断开的风险导致发生断缆事故，造成十分严重的损失[1]。

船舶的六个自由度对正在航行的船舶都很关键，对系泊船舶来说，如果自由度变化很大，就会影响船舶的正常工作效率，因此一个合理的范围对于船舶的运动响应也很关键[2]。本文选择AQWA对一艘长宽比为5.5∶1，排水量为45 000t的散货船进行模拟分析，研究其在理想环境中的系泊方式。

1 AQWA导入模型与网格划分

本文船舶的具体参数见表1。本论文所有的计算中，坐标系如图1所示。在AQWA中导入由DesignModeler建模的船体和码头，并对其进行网格划分，确定码头和船舶的距离，如图2所示。

2 码头船舶系泊方案设计

本文模拟码头的风、流、浪运动情况，选取的工况见表2，采用NPD风谱、JONSWAP波浪谱以及均匀流。码头水深设为20 m，波浪方向为90°，即为横浪;风向为90°，即为拢风;流向为135°，有义波高2.5 m。

系泊用的缆绳采用的大多为尼龙缆，本次模拟使用的缆绳直径为10 mm，干重10.26 kg/m，等效截面积取0.01 m2，破断强度为7 000 kN。本次模拟的码头系泊，由码头、系泊缆、船舶三部分组成，不考虑系泊缆入水的情况，所有系泊缆在空气中通过导缆孔与码头上的带缆桩链接。

系泊方案一通过选择12条系泊缆进行模拟设计，坐标分布见表3。示意图如图3所示。

系泊方案一系泊缆受力情况如图4所示，可以看出Cable9、Cable10所代表的两根缆绳的受力略高出破断张力，而Cable5、Cable11根系泊缆受力较小，存在受力不均的问题。因此码头系泊船舶方案存在风险，需要进行优化。

在保证系泊过程中不超出破断力安全范围的同时，也应继续对船舶运动响应进行分析，经过时域耦合分析，方案一在横摇方向船舶的运动范围在-8.2°～6.157°;在纵摇方向，船舶的范围在-0.888°～1.213°;在艏摇方向，船舶的运动范围在-5.134°～5.161°。

方案一的设计中存在部分系泊缆受力超出破断张力的情况，需要进行优化使得最大受力小于破断力的同时尽可能减小船舶的运动响应。

方案二在方案一基础上，针对Cable9、Cable10两根系泊缆最大受力超出破断力最大值，在不增加缆绳数量的情况下改变缆绳的出缆角度使得缆绳的受力满足要求。方案二的坐标分布图见表4;示意图如图5所示，缆绳受力情况如图6所示。

从图6可以看出，与方案一相比，方案二系泊缆整体的受力有所下降，其中Cable9、Cable10系泊缆受力已经低于破断张力，受力较小的Cable5、Cable11受力有所增加，整体受力满足理想条件下船舶系泊的要求。

方案二的船舶运动幅值如下：在横摇方向，船舶的运动范围在-6.055°～4.392°;在纵摇方向，船舶的范围在-1.084°～1.111°;在艏摇方向，船舶的运动范围在-5.069°～6.208°。相比于方案一运动幅值幅度有所减小，符合安全设计的理念。

经过分析后可以得到结论，方案二与方案一相比，每根系泊缆的受力有所平衡，自身受力均小于破断张力，运动响应幅度有所降低，在理想环境中满足系泊所需的设计条件，故而在设计中第二种设计方案比较合理。

3 设计模拟实验结论

使用AQWA对排水量为45 000t的散货船在理想环境下对码头系泊进行模拟设计，得到了两种不同方案的船舶运动响应和系泊缆张力变化情况，通过比较确定了最优系泊方案，并通过数据说明，系泊方案二是本次码头系泊模拟设计方案中最优选择。

参考文献

[1] 郭建廷.船舶码头系泊形式及水动力性能分析[D].镇江：江苏科技大学，2016.

[2] 高峰，王炜正，李焱.大型LNG船舶在风浪流共同作用下的系泊试验研究[J].水道港口，2013，34（5）：398-402.