42 m双渔船并列系泊受力可靠性试验分析

段若衡,李梦阳,杜金宇

(中国水产科学研究院渔业工程研究所渔业信息工程研究中心,北京 100141)

渔船港内停泊及避风时,系泊系统可靠性是保证渔船安全的关键性能,也是相关领域的焦点研究内容。渔船靠港停泊时,由于大多渔船本身的吨位较小,抗风浪能力较弱,在台风等极端恶劣天气时,易发生损毁事件,往往损失较严重[1],急需安全合理的系泊方式来改善渔船在港内避台风的安全性。渔船系泊系统的研究对于确定港区的抗台风等级、锚地设计、港区管理等具有重要意义,也是业界的迫切需求之一。

船舶系泊研究主要以系缆力和撞击能研究居多,向溢等[2]、张日向等[3]、李炎等[4]、高峰等[5]对不同类型的大吨级码头系泊船舶进行了风浪流作用的试验研究,分析了系缆张力和撞击力受风浪流大小和方向、缆绳布置位置、水位、船舶载度等因素的影响情况。

温过路[6]研究了各船型、各类型的码头设计的方式、各类动力多因素组合对船舶系泊缆受力的影响。周崇庆等[7]分析了二阶波浪力引起的高系泊力,通过数值积分计算得到风浪冲击下渔船抛锚时有档锚链与钢丝绳最大系泊张力。金珈辉等[8]以近海系泊系统为研究对象,分析了构件的外部荷载,建立系泊系统的多目标优化模型。王文胜等[9]研究了波浪能装置两点系泊限位下的系泊受力特性以及系泊环境对其影响规律。高启新[10]通过SESAM软件计算了护舷受力以及系缆力,优化了特殊船舶码头系泊方案。董华洋等[11]通过试验研究了浮箱式浮防波堤的锚链受力状况。赵质良[12]应用悬链线理论分析了舰船的极限锚泊力以及影响舰船锚泊能力的主要因素。孙科举[13]通过对单方箱—悬链式浮防波堤的受力研究,分析了锚链拉力和锚链与垂直方向夹角变化的关系。李宁等[14]利用悬链线理论建立方程,解得锚链的受力和形状。孙一艳等[15]通过试验的方法研究了单船港内艏艉双锚锚泊的允许波高。孔耀华等[16]研究了6 对大型养殖水舱对横摇水动力性能的影响,并根据系泊要求建立了单点系泊系统。国外在相关方面的研究提出了多种动力学计算模型,设计了多种系泊方式,以及相应的模拟和计算方式[17-19]。Jeong等[20]利用二维动态建模,研究了由驳船结构改造而引起的系泊安全性的变化。Stanisic等[21]通过利用系泊张力时间序列的峰值导出最大值的分布,对使用悬链系泊系统的大型风向标船舶进行了时域模拟。Tahar等[22]开发了一种理论和数值工具,用于聚酯系泊缆深水浮动平台的耦合动力学分析。

本研究基于渔船的实际情况,针对“双船顺缆系泊”和“双船八字缆系泊”进行了船舶系泊物理模型试验,对不同的系泊方式以及不同风、浪、流组合工况下的系缆力等参数进行了研究,验证了渔船系泊系统的安全性能,对渔船港内安全避风效果进行了评估。为渔船港内系泊的科学设计和规划提供了理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 设备与仪器

本试验在中国水产科学研究院江苏如东试验基地进行,试验场地为长50 m、宽26 m、深1.2 m的港池,造波机总宽 24 m,单块造波板宽度为0.5 m。港池的一端设置消浪缓坡,另一端配有L型大连理工大学生产的不规则波造波机,由计算机控制,产生试验所要求的波浪要素。系泊受力使用应变式水下拉力计进行测量,仪器的量程为200 N,误差不超过1%。水流流速使用 ADV 声学多普勒流速仪测量,仪器量程为1 m/s,仪器采样频率为200 Hz,测量精度为 0.5%。

1.2 渔船模型与系泊缆设计

本试验采用1∶18比尺对双排系泊渔船运动进行物理模型试验研究,基于JONSWAP谱,测量不规则风—浪—流共同作用下双排系泊渔船的系泊缆受力。本试验采用正态模型,根据JTS/T 231—2021《水运工程模型试验技术规范》相关规定,同时考虑设备的综合能力,模型比尺设定Lr为1∶18。

根据重力相似准则,时间比尺Lr1/2为1∶181/2,动力相似比尺Lr3为 1∶183,渔船模型效果如图1所示。

图1 渔船模型效果图Fig.1 Rendering of fishing boat model

渔船模型原型主尺度结构主要参数见表1,材质见表2。

表1 42 m模型主尺度Tab.1 42 m fishing boat main scale

表2 渔船模型材质Tab.2 Dimensions and materials of fishing boat model

为了最大程度减小边界效应的影响,同时满足试验规程的相关要求,模型布置与造波板距离应大于6倍波长。

渔船的常规系泊缆材料为铁锚链与尼龙绳相结合,并综合考虑储备系泊力以及预拉力的需求、停泊可占用海域的大小、飘曳范围的大小等因素,设计锚链系泊方案[23],本次试验选用42 mm三级锚链作为原型,锚链每米重为38 kg,锚链拉力试验负荷为981 kN,拉断试验负荷为1 400 kN。

鉴于锚链造价相对较高,近海系泊也常常使用尼龙绳作为系泊缆材料。尼龙绳具有耐腐蚀、耐温差、防静电、伸长低等优点,在风浪较小、维修便利的近海有着较高的应用价值。本试验选用尼龙绳材料参考江苏海峰绳缆科技公司的128 mm尼龙粗单丝负荷绳作为原型,该型尼龙绳单位质量约为1.031 kg/m,破断强力约为 335 t。

试验锚链线的设计与分析是基于API RP 2SK浮式结构定位系统的设计与分析规范进行的,锚链和尼龙绳的长度和质量参照试验模型比例缩小,在各种系泊系统中,每条船模的系泊缆均是由2根相同锚链线分别与船艏和船艉相连,缆长188 cm,由28 cm钢缆和160 cm尼龙绳构成(钢缆布置在靠近锚点端),试验钢链单位质量约为0.117 kg/m,尼龙绳加测力计单位质量约为0.032 kg/m。

1.3 波浪要素和数据采集

在工程界普遍使用波浪谱的方式从能量分布的角度来模拟不规则海况。常用的波浪谱有PM谱、JONSWAP谱、Ochu-Hubble谱与Torsethaugen谱等。后两种浪谱不符合本试验设定工况,选用JONSWAP谱进行模拟[24]。选取的最大有义波高为2 m,海流为2 m/s,周期为6～10 s。试验波浪参数见表3。

试验原型的2 min最大平均风速为28、32、36、40和44 m/s。经过换算后,试验所模拟的风速分别为6.6、7.5、8.5、9.5和10.4 m/s。试验所需风速及换算见表4。

表4 试验风速换算表Tab.4 Test wind speed conversion table

试验中风、浪、流均为180°方向正面作用于船模及系泊系统。

1.4 试验方案设计

研究2种系泊方式,分别为双船顺缆系泊及双船八字缆系泊,试验布置图见图2。

图2 试验布置图Fig.2 Test layout

其中双船顺缆系泊方式为将2艘船模并列置于水池中,中间用尼龙绳绑缚链接,每艘船船艏船艉各设一个系泊点,共4根系泊缆,以平行方式系泊于港池底部,具体模型布置见图3。

图3 双船顺缆模型试验平面图Fig.3 Layout of parallel mooring model test for two ships

双船八字缆系泊方式则为艏艉系泊缆呈八字形势向外系泊于港池底部,具体模型布置见图4。

图4 双船八字缆模型试验平面图Fig.4 Layout of model test of cross mooring of two ships

试验中两种系泊方式均在每艘船模艏艉系泊缆与船模连接处放置拉力计,共计4个,由于风向、浪向、流向均为180°,因此船艉系泊缆受力较小,分析价值不大,本研究仅就2根船艏系泊缆受力进行比对分析。本试验还将单船双缆系泊方式的艏部系泊缆受力进行了测量,并加入试验结果对比。试验风机放置于面向船艏方向,模拟180°风向的试验风,浪高仪和流速仪放置于船模及系泊系统侧面,监控和记录试验波浪条件。

2 双船系泊受力时域计算

2.1 双船顺缆系泊受力时域分析

双船并列顺缆系泊试验中,系泊船艏连接点和锚点间的垂直距离约为27 cm,两艘船模之间用尼龙绳连接。具体系泊缆布置方式如图3所示。

双船顺缆系泊方案在工况为顶风顶流(试验风速10.4 m/s、流速0.047 m/s,风向流向均为180°)、顶浪(试验波高 0.083 m、浪向角为180°)时缆绳1及缆绳3的受力分别如图5与图6所示。

图5 双船顺缆系泊缆绳1受力图Fig.5 Stress diagram of double ship straight mooring cable 1

图6 双船顺缆系泊缆绳3受力图Fig.6 Stress diagram of double ship straight mooring cable 3

2.2 双船八字缆系泊受力时域分析

双船并列八字缆系泊试验中,船艏连接点和锚点间的垂直距离约为27 cm,两艘船模之间用尼龙绳连接。具体系泊缆布置方式如图4所示。

八字缆系泊方案在工况为顶风顶流(试验风速10.4 m/s、流速0.047 m/s,风向流向均为180°)、顶浪(试验波高 0.083 m、浪向角为180°)时缆绳1及缆绳3的受力分别如图7与图8所示。

图7 双船八字缆系泊缆绳1受力图Fig.7 Stress diagram of double ship splayed mooring cable 1

图8 双船八字缆系泊缆绳3受力图Fig.8 Stress diagram of double ship splayed mooring cable 3

3 结果与分析

3.1 单船与双船系泊方式受力对比

采用“单船双缆系泊”“双船顺缆系泊”和“双船八字缆系泊”3种不同系泊方式时,船模艏部缆绳在试验风速10.4 m/s的工况下,在不同波高的不规则波作用下的受力变化,以及在试验波高0.083 m的工况下,在不同风速作用下,取时域内受力的最大值进行分析,受力变化情况见图9。由受力变化可见,3种系泊方式的缆绳受力基本随着波高的增加而增大,在最大风速及最大波高情况下,采用单船双缆系泊方式的缆绳最大受力大于双船系泊方式,且双船系泊方式缆绳受力变化幅度小于单船系泊方式。

图9 绳1在3种系泊方式下不同风速及波高受力对比Fig.9 Stress comparison of rope 1 under different wind speeds and wave heights in three mooring modes

3.2 2种系泊方式受力对比

采用“双船顺缆系泊”和“双船八字缆系泊”2种不同系泊方式时,两艘船模艏部缆绳在试验风速10.4 m/s的工况下,在不同波高的规则波和不规则波作用下,取时域内受力的最大值进行分析,受力变化情况见图10。由受力变化可见,2种系泊方式的缆绳受力均随着波高的增加而增大,在相同风速情况下,缆绳在顺缆系泊方式规则波工况时的受力增幅最大。可以看出双船八字缆系泊方式在较大风速情况下,船艏缆绳受力最大值,及其他各波高工况下的受力基本均小于双船顺缆系泊方式,2种系泊方式的受力大小以及变化幅度上较为相似,并未产生数量级的差异。

图10 绳1及绳3不同波高受力对比Fig.10 Stress comparison of rope 1 and rope 3 at different wave heights

采用“双船顺缆系泊”和“双船八字缆系泊”2种不同系泊方式时,两艘船模艏部缆绳在试验波高0.083 m的工况下,在不同风速以及规则波和不规则波作用下,取时域内受力的最大值进行分析,受力变化情况见图11。由受力变化可见,2种系泊方式的缆绳受力均随着风速的增加而增大,在相同风速情况下,缆绳在顺缆系泊方式不规则波工况的受力增幅最大。可以看出双船八字缆系泊方式在较大波高情况下,船艏缆绳受力最大值小于双船顺缆系泊方式,并且受力增幅也小于双缆顺缆的系泊方式。

图11 绳1及绳3不同风速受力对比Fig.11 Stress comparison of rope 1 and rope 3 at different wind speeds

采用“双船顺缆系泊”和“双船八字缆系泊”2种不同系泊方式时,两艘船模艏部缆绳在无风不规则波的工况下,在不同波高以及不同周期作用下,取时域内受力的最大值进行分析,受力变化情况见图12。由受力变化可见,2种系泊方式的缆绳受力均随着波高及周期的增加而增大,在相同波高及周期情况下,双船八字缆系泊方式船艏缆绳受力基本小于双船顺缆系泊方式。

3.3 水流对缆绳受力的影响

采用双船顺缆系泊同系泊方式时,在试验风速为0 m/s的工况下,两艘船模艏部缆绳在不规则波作用下,在不同波高和波浪周期情况下,取时域内受力的最大值进行分析,受力变化情况见图13。由受力变化可见,缆绳受力随波高增大而增大,且在试验加入水流后,缆绳受力基本大于未加入水流的工况。

图13 绳1及绳3在有无水流及不同波高受力对比Fig.13 Comparison of stress of rope 1 and rope 3 with and without water flow and different wave heights

3.4 分析

通过物理试验的方式,将港内避风时常用的单船双点系泊方式与双船并列系泊方式的系缆力进行了对比,并设计了两种双船并列系泊方式,通过对不同条件进行组合试验,获得了缆绳张力随波高、风速、水流情况的变化规律,对两种双船并列系泊方式的受力情况进行了对比,验证了系泊系统的安全性。

(1)系泊缆受力与风速、波高呈正相关。当港池面积、水深等试验环境相同时,通过各系泊方案试验,系泊缆受力基本呈现随风速增大而增大,随波高增加而增大,随周期增大而增大的总体规律,与郑玮[25],曹力玮等[26]的试验结论基本一致。

(2)试验条件下,单船双点及双船并列系泊方式的系泊缆受力均满足安全要求,但双船并列系泊方式更优。单船艏艉双点系泊方式在风速和浪高未达到台风工况时,系泊缆受力基本可满足安全条件[27],但双船并列系泊的两种方式相较单船系泊方式系泊缆最大受力更小,随波高和风速条件改变受力变化更小,其中单船双缆系泊方式随试验波高由0.042 m增大到0.083 m,系缆力增幅为77.9%,双船顺缆系泊及双船八字缆系泊方式的增幅分别为38.8%及49%,单船双缆系泊方式随试验风速由0.042 m/s增大到0.083 m/s,系缆力增幅为37.7%,双船顺缆系泊及双船八字缆系泊方式的增幅分别为34.3%及23.1%,故双船并列系泊系统相对更稳定[28],安全系数更高,所以在极限工况台风天气下,推荐采用双船并列系泊方式。

(3)水流条件对系泊缆受力存在一定影响。在加入水流后,通过对比缆绳受力情况,但水流条件加入后,系缆力随周期、波高等条件改变的变化趋势基本相同,但系缆力总体大于未加入水流条件,因此水流对系泊缆受力具有一定影响,与吴元紧等[29]的试验结论基本一致。因此在设计系泊方案时,应根据停泊水域具体情况,将水流方向及流速对系泊系统的影响纳入设计范围,使船舶停泊方向与风向、浪向以及流向尽量保持平行[30],尽量减少受力方向对渔船稳性[31]和系缆力的不利影响。

(4)试验条件下,双船顺缆及双船八字缆系泊方式的系泊缆受力最大值均可满足安全要求,但双船八字缆系泊方式受力最大值更小。双船顺缆系泊方式中,缆绳受力最大值出现在波高0.111 m,风速10.4 m/s时,缆绳3出现最大受力为144.14 N,对应原型渔船系泊缆受力约为984.76 KN。双船八字缆系泊方式中,缆绳受力最大值出现在波高0.083 m,风速10.4 m/s时,缆绳力3出现最大受力为138.6 N,对应原型渔船系泊缆受力约为808.3 KN,可发现八字缆系泊方式相较顺缆系泊方式更安全。且按照试验缆绳选型,两种系泊方式均能保证约14级台风工况下缆绳安全,在避风渔港底质锚抓力满足要求的情况下,可避免锚绳断裂、走锚等危害渔船安全的情况发生[32]。

(5)以42 m渔船为例,通过双船并列系泊试验受力对比,可知双船八字缆系泊方式相较双船顺缆系泊方式,缆绳受力更小,且随波高、风速、周期等情况变化而产生的变化更小,故八字缆系泊方式相较顺缆系泊方式安全系数更高,稳定性更强,是更优系泊方案。

4 结论

以嵊泗渔港42 m渔船为研究对象,针对台风条件下港内渔船系泊避风的情况,设计了两种系泊方式,在试验水池模拟了嵊泗港内最高14级台风情况下的波浪、水流、风等环境条件,测量了在该工况时系泊系统的受力情况,分析了系泊系统的安全性和可靠性。通过试验分析发现,双船并列系泊的两种方式均可保障台风天气下渔船的系泊安全;在极限工况下,推荐采用双船系泊方式,并建议优先选用双船八字缆系泊方式。本方法可为港内渔船稳性分析与工程应用提供参考。