中长周期波浪作用下的系泊船舶响应特性研究

2023-11-27刘擎波谭忠华沈文君

中国港湾建设 2023年11期

刘擎波，谭忠华，沈文君*

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

0 引言

随着港口建设逐渐向深海及国外发展以及优质岸线的逐渐减少，拟建区域波浪条件的复杂性日益增加。非洲西部、拉美西部海域受长周期波影响较为明显。国内外港口断缆的事故时有发生，系泊的安全成为业内关注的重点问题之一。中长周期波由于波长较长，波能较大，且波浪周期接近船舶横摇周期，因此容易对系泊船舶的泊稳造成较大影响[1]。近年来，诸多学者开始研究中长周期波作用对系泊船舶泊稳性影响。

早在20 世纪80 年代，杨宪章[2]针对受涌浪和长周期波影响严重的毛里塔尼亚友谊港，对波浪和系泊船舶运动进行了研究，研究指出，系泊船舶对低频长周期波浪响应敏感，波列中的长周期波浪成分可引起船舶的剧烈运动，从而给码头系泊及装卸作业造成危害；Hiraishi 等[3]基于日本北部Tomakomai 港集装箱船横摇侧翻案例数据并结合实地观测发现，由于中长周期波周期接近系泊船舶横摇周期，故更易引起船舶横摇共振，导致侧翻事件频发。史宪莹等[4]采用物模试验研究LNG船在双峰谱中长周期波浪下运动响应特性，并探讨了总能量相同，高低频能量比例变化对系泊船舶运动响应的影响。研究发现系泊船舶运动响应幅度、系船缆张力极值取决于低频波比例。沈雨生等[5]采用物理模型试验对一艘10 万吨级散货船进行了不同周期下的系列试验，研究结果表明，系泊船舶横荡运动量总体上随着波浪周期的增大而增大，横摇和升沉运动量随着波周期的增大先增大后减小。宋伟华等[6]采用OPTIMOOR 软件系统分析了周期、波高和入射角度对船舶系泊稳定的影响，研究结果表明，波高和入射角度对升沉运动的影响极为明显，周期对船舶纵移运动影响最为明显。沈文君等[7]采用数值方法对某驳船的运动特性开展了研究，分析了不同波浪作用角度、波浪周期，对系泊船舶与护舷、系泊缆绳组成的非线性耦合系统的响应规律。肖鑫等[8]采用Mike 21MA 软件，分析了波高、周期以及波浪入射角度的系泊船舶运动的影响规律。

综上所述，波浪周期对浮式结构物的作用非常明显，对码头作业安全及运营可靠性产生不利影响。本文基于拟在秘鲁建设的一座20 万吨级散货装船码头展开研究，对停靠主力船型的耦合动力响应特性进行系统分析，研究成果可为设计提供借鉴和参考，具有一定的工程应用意义。

1 数值计算模型

基于BV 船级社的Hydrostar 软件和Ariane 软件进行分析。首先基于三维势流理论，利用Hydorstar软件在频域内得到了研究船舶的水动力特性。然后通过频时域转换，在Ariane 软件中建立船舶、系泊系统、护舷等组成的整体系统，通过求解该系统与外界环境载荷的联合运动方程，在每个时间步长内数值求解公式，迭代计算船舶的位置、船舶与护舷的距离、系船柱与船上导缆孔的距离等，进而得到船舶六自由度的时间历程响应、缆绳拉力的时间历程响应以及护舷撞击力的历程响应。

1.1 船舶模型

计算所用船舶主尺度参数如表1 所示，模型如图1 所示。

图1 水动力网格模型Fig.1 Hydrodynamic mesh model

表1 船舶主尺度参数Table 1 Principal parameters of the barge

1.2 缆绳与护舷布置

拟建码头为桩基梁板结构，排架间距7.5 m，系船柱与护舷的布设间距均为15 m。船舶的系泊布置如图2 所示，采用16 根缆绳系泊，其中艏艉缆各4 根、艏艉横缆各2 根、艏艉倒缆各2 根，建模时每根缆绳单独模拟，其中图2（b）为系泊数学模型图，图中黑色圆点代表系船柱和护舷结构。计算缆绳材质为聚丙烯，直径为75 mm，最小破断力为816 kN，安全工作荷载为408 kN。护舷采用SCN 1800H 型号，设计反力为2 172 kN，共有21 个护舷与船舶接触。缆绳和护舷的性能模拟曲线见图3。

图2 系泊布置方案图（4∶2∶2）Fig.2 Mooring arrangement plan（4∶2∶2）

图3 护舷和缆绳特性曲线Fig.3 Characteristics curve of fender and mooring lines

1.3 计算工况

工程区域波高玫瑰图如图4 所示，从图中可以看出该区域的主要浪向为W 向，占全部波向的76.77%；其次为WNW 向，占全部波向的22.4%。有效波高主要集中在0.2～0.6 m 的范围内，占90.34%，0.6～0.8 m 范围内占7.49%，大于0.8 m有效波高占2.09%。谱峰周期主要介于11～17 s 之间，占全部的92.89%，其中13～15 s 占46.12%。可见工程海域波浪表现为中长周期涌浪。

图4 有效波高玫瑰图（2017-07-01—2018-07-01）Fig.4 Rose diagram of significant wave height（from 01/07/2017 to 01/07/2018）

码头轴线方位为108°～288°，波浪入射方向与船舶纵轴线（艏方向）为±20°～±30°范围内。按照不利情况考虑，具体计算条件如下：

1）计算波向：与船舶纵轴线（艏方向）夹角呈30°；

2）根据以往的经验和本工程的波浪作用角度，11 s 以下的波浪周期对本工程的影响较小，因此本文重点关注的波浪要素取值如下：

谱峰周期Tp：13 s、15 s、17 s、19 s；

有效波高Hs：0.4 m、1.0 m；

系泊模拟时，采用的波谱为J 谱，谱峰因子取3.3。

1.4 极限标准

1）运动量标准

参考PIANC 标准《Criteriaformovementofmoored ships in harbours-practical guide》[10]，专业化散货泊位在进行装船作业时，船舶的运动量应满足：①纵荡＜5.0 m；②横荡＜2.5 m；③艏摇＜3°；对垂荡、横摇、纵摇运动量无具体要求，六自由度运动示意如图5 所示。

图5 船体运动的六自由度示意图Fig.5 Schematic diagram of six degrees of freedom for ship motion

2）系缆力标准

试验缆绳最大允许拉力，钢缆不应超过缆绳破断力的55%，其他缆绳不应超过缆绳破断力的50%[11]。本次研究所用缆绳的最小破断力为816 kN，因此，当缆绳拉力大于408 kN 时，认为超出安全作业范围。

3）撞击力标准

对于护舷的撞击力和撞击能量，当试验所得到的撞击力和撞击能量超过护舷的设计撞击力和撞击能量时，则认为护舷型号不满足要求。

2 数值计算结果分析

2.1 计算结果初步分析

根据上述的计算组次，开展船舶系泊码头时的运动响应分析，缆绳预张力取10%的最小破断力，即81.6 kN。用Hydrostar 水动力计算软件计算平均慢漂力和水动力系数、一阶波浪载荷传递系数，并在时域分析软件Ariane 中考虑不同风浪流联合作用下大量组次的运动时域分析，得到缆绳的受力时历曲线，最后按照3 h 回归周期得到船舶六自由度运动量和缆绳受力最大统计值。本文以船舶压载状态为例，给出了部分组次对应的六自由度运动量、系缆力的时历曲线，如图6、图7 所示。

图6 船舶运动时历曲线（压载Tp=13 s，Hs=1.0 m）Fig.6 Time history of ship motion（Ballast Tp=13 s，Hs=1.0 m）

图7 缆绳拉力时历曲线（压载Tp=13 s，Hs=1.0 m）Fig.7 Time history of mooring line tension（Ballast Tp=13 s，Hs=1.0 m）

从图7 中可以看出，船舶压载状态下，在Tp=13 s、Hs=1.0 m 波浪作用下，船舶的运动量均在标准要求范围内，但某些缆绳拉力不满足作业要求。其中，艏横缆、艉横缆受力最大，其次是艏缆和艉缆，缆绳拉力最大值455 kN，超出了缆绳的安全工作标准。图8 给出了计算工况下，每个护舷的撞击力。从图8 中可以看出，由于受到斜浪作用，艏、艉接触的护舷撞击力最大，中间区域受力最小，护舷最大撞击力为1 116 kN，满足护舷设计要求。根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》，15 万吨级散货船在平均周期Tm≤8 s（Tp≤9.68 s）的顺浪作用下时，建议装船作业的允许波高为H4%=2.0 m（Hs=1.58 m）。由此可见，波浪周期对允许作业波高的影响非常明显，若需要进一步分析允许的作业波高，则需降低波高继续进行计算，直至得出的缆绳拉力小于对应的允许标准。