趸船码头系泊系统设计方案优化

汪钟灵，张 灿，徐 骁

(1.南京汪洋船舶工程有限责任公司，江苏 南京 210000；2.安徽省淮河船舶检验局，安徽 蚌埠 233000；3.江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

现代趸船通常作为码头装备使用，通过定位装置固定在码头指定位置。作为一种自身无动力且功能重要的功能性船舶，其定位系统是保证趸船工作性能、安全性能最重要的环节。为了满足日益增长的货运需求，研究更大靠泊能力、更安全的趸船定位系统的需求也更为迫切。人们对于系泊系统水动力分析时常用的方法有：理论分析、实际实验和数值仿真。JIANG等、PAN等针对本文采用数值模拟的方法探索船舶建模以及系泊缆建模方法，最后进行系泊系统的耦合分析，综合多种影响因素条件下系泊系统的稳定性。于霄等利用船舶与系泊平台模型进行碰撞研究，探究在碰撞条件下系泊平台的运动响应。本文使用ANSYS AQWA软件对趸船及其系泊系统建立有限元模型并进行数值模拟，为满足提高靠泊能力提出改进方案，并对改进方案进行验证。

1 趸船及其系泊系统有限元模型

本文的研究对象为一型具有3 000 t靠泊能力趸船的系泊系统。趸船的主尺度如下：总长90 m，型宽14 m，型深2.8 m，设计吃水0.8 m。按3 000 t排水量的假设船型主要参数如下：总长90 m，型宽16.50 m，型深7.75 m，设计吃水2.235 m。

本文使用ANSYS软件对趸船进行水动力计算模型的建立，根据船舶的实际型表面和满载吃水建立水动力计算面元模型，计算模型见图1。有限元模型及环境载荷坐标系定义见图2。

图1 水动力计算模型

图2 有限元模型及环境载荷坐标系定义

计算中使用的坐标系为：轴沿船首向为正向，轴沿船左舷为正向，轴沿垂直向上为正向。计算中环境载荷来向定义为：沿轴正向为0°载荷方向，沿轴负向为180°载荷方向，以0°载荷方向为基准，逆时针旋转为正向载荷方向。

2 系泊方案

船舶在锚地定位时通常采用抛锚定位。本船定位系泊采用抛锚定位的系泊方式，采用4×2的系泊布置，系锚链共8根，具体布置见图3。

cable1 ～cable8—系缆编号。

系泊锚链材质采用58 mm船用锚链，尺寸为5 t/根，锚链直径58 mm，共6节。锚链参数如下：

空气中重量75.85 kg/m，AM1的破断强度1 290 kN，AM2的破断强度1 810 kN，AM3的破断强度2 600 kN，AM4的破断强度3 297 kN。船首和船尾各配备2只领水锚和2只左、右锚。

2.1 数值模拟计算工况选择

参考给定的环境资料，并检索南京港区的“风、浪、流”信息，定义流、风、波浪环境条件如下：有义波高1.5 m；谱峰周期=7.1 s(0.885 rad/s)；波浪谱为JONSWAP谱；谱峰因子3.5；流速方向为-180°，风速、波浪方向均为每隔45°计算1次；风速设定为12 m/s，NPD风谱；表面流速为1.2 m/s。

本文的数值模拟计算为了还原真实码头系泊状态，根据风、浪、流模拟数据，在工况选择时，固定流向不变而改变风向和浪向，分别设定5种工况条件进行模拟计算，工况具体数据见表1。

表1 计算工况表

设置工作水深取为18 m，浪向间隔为15°，采用不规则波，波高按B类航区取1.5 m，波谱为JONSWAP(Hs)，查找南京段水流记录，确定了以下具体环境数据：有义波高1.5 m，谱峰周期7.1 s，流速1.2 m/s。

图4展示的是5种不同工况条件在研究对象上的加载示意图。图中,5种不同工况条件为系泊缆布置方式、流向保持不变，风向浪向顺时针每45°作为一个工况进行设置。船首、船尾两侧的系泊缆布置不同，一侧的系泊缆是考虑了在实际工程中可能由于设计的特殊性不得不将系泊缆设计为不对称的情况。

cable1 ～cable8—系缆编号。

2.2 趸船系泊水动力分析

系泊系统需要依据系泊力的大小进行设计。趸船系泊力的大小主要受风、浪和流的影响，船舶水线以下部分受水流、波浪的作用，水线以上部分受风压作用。

本文采用AQWA水动力分析软件进行系泊系统数值分析。根据选定的环境，进行系泊系统的运动及受力分析。仿真计算时间为3 h，共10 800 s。

在对研究对象进行时域计算分析之后，可分别得到各个工况下系泊系统中各锚链的运动时间历程曲线、各锚链的顶端张力时域曲线(以获取锚链的最大张力值)，以及各锚链、卧链长度时域曲线(以获取最小卧链长度)。

参照2规范的一般要求，系泊系统计算结果应满足如下要求：锚链张力需满足安全系数要求。分析中采用动力法，且系泊系统完整，故安全系数最小应大于1.67，锚链卧链长度不能小于0。

这里以LC1工况系泊分析为例，绘制LC1工况下各锚链顶端张力时域曲线。汇总计算时域内各锚链顶端张力最大值见表2。由表中数值可知：各锚链最大张力值都小于系泊锚链的破断载荷力，安全因子都大于规范要求的1.67，因此系泊趸船能够正常工作，满足要求。

表2 LC1工况下各锚链张力最大值

绘制LC1工况下各锚链卧链长度时域曲线。

汇总计算时域内各锚链躺地链长度见表3。由表中数值可知：8根锚链的躺地段长度最小值为11.084 m，最大值为59.982 m。各锚链的躺地段长度都大于0，满足安全作业的要求。

表3 LC1工况下各锚链躺链长度

LC2、LC3、LC4、LC5工况系泊分析都使用以上过程进行分析，结果显示在分析LC3工况下各锚链张力最大值时Cable6计算安全因子不满足校核标准。LC3工况下各锚链张力最大值见表4。

表4 LC3工况下各锚链张力最大值

各锚链最大张力值都小于系泊锚链的破断载荷力，安全因子基本都大于规范要求的1.67，其中艏部中间1根锚链计算载荷虽低于规范要求，但未超过锚链的破断强度。因此，系泊趸船基本能正常工作，但需要对艏部中间指向外侧的那根锚链进行加强，见图5。

图5 Cable6锚链示意图

3 改进的系泊缆布置方案数值模拟计算

3.1 改进方案

将cable6和cable7在船上的固定点进行互换，调整cable5和cable6的系泊角度。改进的系泊方案示意图见图6。

cable1 ～cable8—系缆编号。

3.2 系泊分析结果

从上文可知，LC3的工况条件下容易发生锚链张力最大值的计算安全因子超过许用值，因此这里对于LC3工况进行重点分析。绘制LC3工况下各锚链顶端张力时域曲线。

汇总计算时域内各锚链顶端张力最大值见表5。由表中数值可知：Cable6锚链和Cable7锚链的张力最大值远大于其他锚链，但是同样与Cable6锚链和Cable7锚链位于一侧的Cable5锚链和Cable8锚链的张力最大值比船尾方向的4根锚链的张力最大值更小，说明在改变锚链的布置方式后，各锚链张力因此改变。从本次模拟结果来看，较短的锚链张力的最大值要明显大于较长的锚链。总体来看，各锚链最大张力值都小于系泊锚链的破断载荷力，安全因子基本都大于规范要求的1.67。

表5 LC3工况下各锚链张力最大值

绘制各锚链卧链长度时域曲线。汇总计算时域内各锚链躺地链长度见表6。由表中数值可知：8根锚链的躺地段长度最小值为2.020 m，最大值为19.516 m。各锚链的躺地段长度都大于0，满足安全作业的要求。

表6 LC3工况下各锚链躺链长度

4 结论

(1)参照2规范的一般要求，在所设定的5个校核工况下，研究对象的其他锚链(AM4)基本都可以满足系泊作业要求。

(2)横浪(90°)工况下的中间斜向外侧的短锚链强度稍有不足，计算安全因子1.44达不到规范1.67的要求，但尚未达到AM4锚链的破断强度3 297 kN，可考虑布置更粗的锚链或重新设置锚链方向(或增加长度)。

(3)对系泊系统改进方案进行校核，结果显示，改进方案各锚链最大张力值都小于系泊锚链的破断载荷力，安全因子基本都大于规范要求的1.67。因此，改造方案具有较高的可靠性。