基于ANSYS-AQWA的垫挡船码头靠泊特性分析

2023-05-10袁培银李渝锋

重庆交通大学学报(自然科学版) 2023年3期

袁培银,李渝锋,赵宇,张哲

(1. 重庆交通大学航运与船舶工程学院,重庆 400074;2. 重庆交通大学建筑与城市规划学院,重庆 400074)

0 引言

随着经济迅猛发展,三峡库区通航船舶数量逐步增加,码头附近靠泊作业的船舶吨位陡增。往来船只众多,停靠船舶与码头发生碰撞事故时有发生,碰撞事故不仅会增加了码头维修费用,还会对船员和码头工作人员安全产生隐患。三峡大坝建成后,三峡库区水位上升,水面变宽,水域面积增大;另外,水位抬高导致水深和过流面积的大幅度增加,水流明显变缓[1]。随着航道优化,三峡库区的船舶也逐步向标准化、大型化的方向发展。因此,开展三峡库区系泊船舶水动力性能分析,对于工程建设、防灾减灾具有十分重要意义。

学界对码头系泊船舶运动特性进行了相关的研究。在考虑影响船舶码头系泊系统的外界因素时,不能只考虑某一单个因素,影响船舶撞击的环境因素应考虑风、流、波浪和水面高度等[2]。高峰等[3]对码头系泊过程中的环境条件、船体运动及护舷碰撞力进行了模拟计算,发现运动响应幅值、缆绳张力和碰撞力会随着频率变化而改变;胡毅等[4]利用多体水动力计算软件对船码头系泊时的运动特性进行了研究,分析了LNG船码头系泊时的整体运动响应及系缆绳所受张力变化规律;周丰等[5]设计了船舶码头系泊系统,优化了系泊系统方式,使得船舶码头系泊系统的特征量计算更加地高效;R.GRANT等[6]通过数值计算,研究了码头系泊船舶六自由度运动响应与波浪载荷的关系;TAN Huiming等[7]利用模型试验方法,研究了在风浪流作用下的泊位长度对LNG船舶系泊影响,试验表明:波浪力是影响船舶运动的最大因素,泊位长度对船舶运动影响不明显,但较短的泊位长度有助于降低缆索的张力;P.ROSA-SANTOS等[8]从减少系泊船舶运动、改善泊位操作和安全条件方面出发,分析了护舷类型对系泊缆张力的影响;I.TOUZON等[9]利用运动学方程,模拟了支撑结构与系泊系统之间的相互作用;ZHU Feng等[10]为了解中长周期波浪对船舶动力响应的影响,基于势流理论,对3种典型停泊集装箱船在波浪相互作用下进行了水动力分析;刘明维等[11]基于材料力学的基本理论,推导得到了船舶系缆力与浮式系船柱柱身应变之间的定量关系,并结合系缆力作用下浮式系船柱有限元模型,计算得出了浮式系船柱所受系缆力,用来评估过闸船舶的系缆安全;张婧等[12]以单点系泊FPSO为研究对象,从6自由度运动和系缆张力响应出发,比较了张紧式和悬链线式系泊系统对于平台水动力性能影响,研究结果表明选取合适的内转塔位置和系泊缆与海底夹角布置方案,可有效地降低船体运动响应及系泊缆张力。

笔者基于三峡库区水域的实测资料,考虑三峡库区浅水深影响,探讨了船舶的系泊方式,分析了船舶水动力性能,评估了风、浪、流联合作用下船舶的系泊安全。

1 计算理论

1.1 三维势流理论

假设流体为无黏性、无旋、不可压缩,则可引入速度势φ(x,y,z,t)来描述流域内的运动[13]。当海洋结构物以自由面为基准时,速度势满足Laplace方程,如式(1):

∇2φ(x,y,z,t)=0

(1)

Laplace方程和描述物体运动的速度势需要进行线性化处理。假定波浪和结构物的运动都较小,而流场中的速度势由入射波速度势、绕射势和辐射势叠加而成,如式(2)。

φ(x,y,z,t)=φI(x,y,z,t)+φD(x,y,z,t)+

φR(x,y,z,t)

(2)

式中:φI为入射波速度势,表明流场中速度分布的情况;φD为绕射势,表明结构物对流场内的速度产生的影响;φR为辐射势,表明结构物6个自由度的运动及振荡对流场的影响。

1.2 系缆力计算方法

系泊缆在外力作用下发生形变,所产生的力为非线性[14],其计算如式(3):

(3)

式中:FR为缆绳拉力,kN;d为缆绳直径,m;Kc为缆绳弹性常数,对尼龙绳而言,Kc=1.56×104MPa,对钢丝缆,Kc=2.75×105MPa;n为材料特性相关的指数,尼龙绳n=1.5;ΔS/S为缆绳相对伸长比。

如果带缆桩的坐标为(X1,Y1,Z1),船舶在初始船位时导缆孔的坐标为(X2,Y2,Z2),则缆绳应变[14]计算如式(4):

(4)

式中:Δ为导缆孔到系泊绞车的距离;Lo为船舶在初始位置时的缆绳原长。

2 模型建立

2.1 模型参数

建立模型时,预先对坐标系进行定义:船长为X轴方向,X正方向为船尾指向船艏;船宽为Y轴方向,Y正方向为右舷指向左舷;Z轴向上为正,水线面处Z=0,坐标原点为船尾水线面左右对称点。环境载荷作用的方向定义是与X轴正向的夹角,逆时针旋转为正。船舶六自由度运动响应中,沿X轴方向运动为纵荡(surge);沿Y轴运动为横荡(sway);沿Z轴运动为垂荡(heave);绕X轴转动为横摇(roll);绕Y轴转动为纵摇(pitch);绕Z轴转动为艏摇(yaw)。表1为垫挡船与码头的主尺度参数。

表1 模型主尺度参数

2.2 模型验证

在进行水动力分析之前,为保证文中所建立的水动力模型数值模拟结果准确性,笔者对码头-船舶模型划分不同密度的网格,探究在网格密度变化情况下,船舶波浪响应变化趋势是否满足要求。方案1为网格允许公差0.1 m,最小网格尺寸为1 m的船舶有限元模型;方案2为网格允许公差0.15 m,最小网格尺寸为1.2 m的船舶有限元模型;方案3为网格允许公差0.2 m,最小网格尺寸为1.5 m的船舶有限元模型。在这3种不同网格划分下,选取相同的环境参数,分别对其进行水动力性能数值分析。

图1为波浪入射方向为45°时,两种网格划分下的纵荡波浪幅值响应算子。

图1 网格密度验证

由图1可知:这3种网格划分下的纵荡波浪幅值响应算子变化趋势以及具体数值几乎一致,其峰值相差仅为1%,故可用原来的水动力模型进行相关的水动力性能分析。

笔者最终采用ANSYS软件建立船舶-码头的湿表面模型。网格允许公差0.1 m,最小网格尺寸为1 m;主船体划分907网格,码头划分1 766网格,共计2 673网格。码头-船舶模型如图2。

图2 码头和船舶模型示意

3 幅值响应计算分析

基于势流理论,笔者分析了浪向角对幅值响应算子(response amplitude operator, RAO)影响。规定以船尾来向为0°浪向角,船首来向为180°浪向角,45°为间隔,共设置5个波浪方向,运用AQWA-LINE模块进行计算,计算时长为180 s,以5～30 s为典型时间段进行分析。

图3为浪向角对船舶各自由度幅值响应算子影响的时间历程。

图3 浪向角对幅值响应算子的影响

由图3可知:浪向角对纵荡幅值响应算子的影响较大,呈现出逐渐上升的趋势;其中:0°和180°方向的浪向角对纵荡幅值响应算子的影响最明显,90°的浪向角对横荡、垂荡和横摇响应较大,对纵荡、纵摇和艏摇影响较小。各方向的浪向角对船舶横摇幅值响应算子的影响趋势相似,呈现出先增大,后减小。

4 系泊系统设计及水动力性能分析

4.1 环境参数

笔者以三峡库区典型环境条件作为模拟工况依据,具体参数设置如表2。

表2 环境参数

4.2 系泊系统设计

将频域计算的RAO结果导入AQWA-DRIFT模块,采用横向和斜向两个方向的系泊缆索限制船舶在横向和纵向的移动,计算得到2-7-2(下文简称11系泊)和4-4-4(下文简称12系泊)两种系泊方式下的时间历程曲线和系泊缆拉力变化规律。按照3 h回归周期得到船舶各自由度响应的最大统计值,每组工况模拟3次,将统计值取平均,以60～160 s为典型时间段进行分析,系泊方式如图4、图5。

图4 11系泊方式示意

图5 12系泊方式示意

4.3 水动力性能分析

笔者对船舶系泊系统进行设计,开展了3 h不规则波作用下的数值计算。图6为两种系泊方式下船舶六个自由度运动幅值的时间历程曲线。

由图6可知:由于外环境的不规则性,船舶六自由度呈现出不规则的变化趋势,通过两种系泊方式对比发现,11系泊方式下的垂荡平均距离为0.505 m,且在运动幅值在0.3～0.6 m内变化,振荡效果明显;12系泊方式下的垂荡平均距离为0.772 m,在60～95 s内运动频率较大,振荡范围在0.65～0.95 m。11系泊方式下的纵荡平均距离为0.563 m;12系泊方式下纵荡平均距离为0.579 m,运动频率较小,趋于稳定。12系泊方式下横荡距离随时间的增长而增加,11系泊方式下横荡平均距离为0.047 m且浮动范围较小。研究表明:11系泊方式下船舶的横荡和垂荡振幅较小,艏摇角度较小,可起到较好的控制效果。

图6 船舶六自由度运动时历曲线

在设置系泊缆参数时,依据尼龙缆绳材料属性,缆绳长度为5 m,直径为50 mm,破断载荷1 400 kN。表3为两种系泊方式下各系缆绳最大拉力和平均拉力统计。由表3可知:各自系泊方式下船舶系缆绳最大受力均发生在船艏和船艉处。11系泊方式下最大拉力出现在Line 2缆绳,最大值为249.3 kN;12系泊方式下最大拉力出现在Line 2缆绳,最大值为244.7 kN。根据石油公司国际海事论坛(OCIMF)“Mooring Equipment Guidelines(2008)”规定:“对于材料为尼龙的系泊缆绳,其所受拉力不应大于其最小破断力的45%”,即该系缆绳拉力不宜超过630 kN,11、12两种系泊方式下系缆绳的拉力低于规范中破断载荷要求,满足规范要求。