碼頭類型對大型船舶運動響應特性的影響研究

袁培銀，王平義，劉添宇，趙 宇,3

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074；3. 重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074)

0 引 言

隨著經濟的不斷發展，人們收入不斷增加，海上旅游業也不斷興旺，旅游船隊的規模不斷增大，內河與海上的旅游觀光人數越來越多，如今，海上旅游已經成為歐洲以及亞洲人的一種時尚[1-3]。隨著豪華游輪數量的增加及級別的提高，對大型船舶的系泊安全要求也越來越高，豪華游輪的系泊系統已成為船舶停靠和港口設計需要考慮的重要問題[4-6]。國內外對于船舶碼頭系泊的研究始于20世紀 90年代后期，于洋等[7]、吳小鵬[8]及A. R. SHASHIKALA等[9]采用物理模型試驗、數值模擬的方法對影響船舶系纜力的海洋動力因素、船舶因素進行了研究；周宏康等[10]通過模型實驗得到FSRU的運動響應和系泊纜張力；嵇春艷等[11]以碼頭系泊為研究對象，利用水動力分析軟件AQWA，分析了不同浪向角作用下，系泊船舶的幅值響應算子和一階波浪力，采用不同方式優化船舶系泊系統；H.W.LEE等[12]提出了一種應用柔性動力學的有限元方法，用于研究系泊纜索與海底的相互耦合作用，并將該方法應用到實際工程中；S. Y. LEE[13]提出了一種應用于海上浮動結構的新的導向樁碼頭系泊系統；陳里等[14]分析了滑坡涌浪作用下系泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，探討了在波高、水深等影響下系泊船舶系纜力和撞擊能的變化規律，確定了滑坡涌浪對內河船舶系泊安全的影響程度。筆者針對碼頭與大型游船組成的靠幫系泊系統，編寫了多浮體水動力分析程序，研究了船舶與碼頭間不同距離、不同形狀的碼頭對系泊船舶的影響規律。研究方法及計算程序可推廣至多個浮體運動規律研究中。

1 大型船舶碼頭系泊系統設計

1.1 大型船舶主尺度參數

采用方形碼頭及圓筒形碼頭這2種不同形狀的碼頭對相同船舶進行系泊分析。船舶與碼頭系泊示意如圖1，其主要尺度參數見表1。

圖1 船舶與碼頭系泊示意Fig. 1 Diagrammatic sketch of wharf

船舶方形碼頭圓筒形碼頭總長/m141.8長/m280總長/m280型深/m4.2深/m40型深/m12型寬/m19.0寬/m7.7型寬/m12吃水/m2.8帶纜樁/個12帶纜樁/個12排水量/t12 516排水量/t26 400排水量/t9 853

圖2 船舶六自由度的RAO曲線Fig. 2 RAO curves of 6-DOF of ship

1.2 碼頭系泊系統布置設計

游船碼頭系泊共有8根系纜繩，其中船艏纜和船尾纜各2根，船中橫纜4根交叉進行系泊。纜繩為尼龍材料制成，系纜繩直徑為100 mm，最大拉力為140 kN。

1.3 環境載荷

筆者主要研究系泊船舶在風浪共同作用下的運動響應，風速為1.5 m/s，入射方向為30°，波浪以180°入射，有義波高為0.8 m。

2 船舶頻域水動力性能影響因素

2.1 碼頭距離

圖2為船舶六自由度幅值響應算子隨著方形碼頭距離的不同而變化的情況。在計算過程中，船舶與方形碼頭距離分別為5、10、20、40、100、500 m。

從圖2可以看出，碼頭距離的大小對旅游船六自由度幅值響應算子的變化影響較小。船舶六自由度的幅值響應算子的變化周期、變化趨勢和峰值變化不明顯。

2.2 碼頭形狀

圖3為船舶六自由度上的幅值響應算子隨著不同形狀碼頭而產生的變化情況。

圖3 不同形狀碼頭系泊時船舶六自由度RAO曲線Fig. 3 RAO curves of 6-DOF of ship in different wharfs

由圖3可以看出，當船舶的運動周期為25 s時，不同形狀的碼頭對船舶六自由度上的幅值響應算子影響是不同的，可以得出以下結論：

1)船舶縱蕩，橫蕩和艏搖運動幅值隨時間的增加一直呈現上升趨勢，如圖3(a)、(b)、(f)。在縱蕩方面，在圓筒形碼頭的影響下船舶的運動幅值更小，說明在方形船舶影響下，船舶縱蕩運動更加劇烈；在橫蕩方面，與縱蕩運動相反，在方形碼頭的影響下船舶的運動幅值更小，說明船舶受到圓筒形碼頭的影響更大；在艏搖方面，方形碼頭和圓筒形碼頭對船舶的影響沒有明顯的變化。

2)船舶橫搖和縱搖運動幅值隨時間的增加都呈現先增加后減小的趨勢，如圖3(d)、(e)。在圓筒形碼頭的影響下，船舶的運動幅值更大，在橫搖和縱搖運動上分別出現最大幅值，說明船舶橫搖和縱搖運動幅值響應算子受圓筒型碼頭影響較方形碼頭影響大。

3)船舶垂蕩隨時間的增加呈現先減小后增大的趨勢，如圖3(c)；但是，在方形碼頭的影響下，船舶的運動幅值更小，說明船舶垂蕩幅值響應算子受圓筒型碼頭影響較方形碼頭影響大。

3 船舶時域分析——系泊狀態下

由船舶的幅值響應算子曲線(圖2、圖3 )可以看出，不同碼頭形狀對船舶的頻域結果的影響也不經相同。筆者選擇船舶分別停靠方形碼頭和圓筒形碼頭來分析系泊船舶在時域內的運動響應問題。研究中，2種碼頭的系纜樁位置與纜繩的長度、材料、預張力等物理特性保持一致。在方形碼頭和圓筒形碼頭上的船舶系泊示意如圖4。

圖4 碼頭系泊示意Fig. 4 Schematic of wharf mooring

采用筆者自編的程序來求解船舶與系泊纜索的完全時域耦合關系，分析船舶在不同形狀碼頭、相同系泊系統作用下，船舶六自由度運動響應情況(圖5)，計算時間為3 h，時間步長為0.2 s。

圖5 船舶六自由度響應曲線Fig. 5 Response curves of 6-DOF of ship

由圖5可以看出：

1)分別系泊停靠在方形碼頭或圓筒形碼頭，船舶的運動頻率基本一致。系泊在圓筒形碼頭時，船舶縱蕩和垂蕩的運動比較劇烈，最大變化幅值分別為1.2 m和0.2 m；系泊在方形碼頭時，船舶橫蕩的運動比較劇烈，最大變化幅值2.0 m。

2)分別在方形碼頭或圓筒形碼頭系泊下，船舶的運動頻率基本一致。系泊在方形碼頭時，船舶縱搖和艏搖運動比較劇烈，最大變化幅值分別為0.4°和3.0°；系泊在圓筒形碼頭時，船舶的橫搖比較劇烈，最大幅值為0.8°。

4 結 論

筆者以某大型游船為例，自編程多體水動力學文件，以碼頭及船舶之間的距離、不同系泊碼頭形狀為變量，研究系泊船舶的水動力性能，得到以下結論：

1)船舶與碼頭間距在50～500 m范圍內，碼頭間距對船舶頻域內六自由度的幅值響應算子基本沒有影響。

2)據對水動力特性的分析，圓筒形碼頭對船舶在橫蕩、垂蕩、橫搖和縱搖等運動起到一定的增幅作用，但增幅幅值較小；而圓筒形碼頭能大大地減小船舶縱蕩。

3)完全時域耦合分析發現，船舶在運動過程中，運動頻率保持一致。與方形碼頭系泊相比，船舶在圓筒形碼頭系泊作用下，橫蕩、縱搖和艏搖運動受到的影響較大；圓筒形碼頭可有效地減小船舶的運動幅值，而縱蕩，垂蕩和橫搖運動較為平緩。

4)方形碼頭與圓筒形碼頭對船舶縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖運動的影響效果不同，如果注重船舶橫蕩運動幅值控制，應選用方形碼頭；如果注重船舶縱搖運動控制，應選用圓筒形碼頭。