躉船碼頭系泊系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)化

汪鐘靈，張 燦，徐 驍

(1.南京汪洋船舶工程有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.安徽省淮河船舶檢驗局，安徽 蚌埠 233000；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

現(xiàn)代躉船通常作為碼頭裝備使用，通過定位裝置固定在碼頭指定位置。作為一種自身無動力且功能重要的功能性船舶，其定位系統(tǒng)是保證躉船工作性能、安全性能最重要的環(huán)節(jié)。為了滿足日益增長的貨運需求，研究更大靠泊能力、更安全的躉船定位系統(tǒng)的需求也更為迫切。人們對于系泊系統(tǒng)水動力分析時常用的方法有：理論分析、實際實驗和數(shù)值仿真。JIANG等、PAN等針對本文采用數(shù)值模擬的方法探索船舶建模以及系泊纜建模方法，最后進(jìn)行系泊系統(tǒng)的耦合分析，綜合多種影響因素條件下系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。于霄等利用船舶與系泊平臺模型進(jìn)行碰撞研究，探究在碰撞條件下系泊平臺的運動響應(yīng)。本文使用ANSYS AQWA軟件對躉船及其系泊系統(tǒng)建立有限元模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，為滿足提高靠泊能力提出改進(jìn)方案，并對改進(jìn)方案進(jìn)行驗證。

1 躉船及其系泊系統(tǒng)有限元模型

本文的研究對象為一型具有3 000 t靠泊能力躉船的系泊系統(tǒng)。躉船的主尺度如下：總長90 m，型寬14 m，型深2.8 m，設(shè)計吃水0.8 m。按3 000 t排水量的假設(shè)船型主要參數(shù)如下：總長90 m，型寬16.50 m，型深7.75 m，設(shè)計吃水2.235 m。

本文使用ANSYS軟件對躉船進(jìn)行水動力計算模型的建立，根據(jù)船舶的實際型表面和滿載吃水建立水動力計算面元模型，計算模型見圖1。有限元模型及環(huán)境載荷坐標(biāo)系定義見圖2。

圖1 水動力計算模型

圖2 有限元模型及環(huán)境載荷坐標(biāo)系定義

計算中使用的坐標(biāo)系為：軸沿船首向為正向，軸沿船左舷為正向，軸沿垂直向上為正向。計算中環(huán)境載荷來向定義為：沿軸正向為0°載荷方向，沿軸負(fù)向為180°載荷方向，以0°載荷方向為基準(zhǔn)，逆時針旋轉(zhuǎn)為正向載荷方向。

2 系泊方案

船舶在錨地定位時通常采用拋錨定位。本船定位系泊采用拋錨定位的系泊方式，采用4×2的系泊布置，系錨鏈共8根，具體布置見圖3。

cable1 ～cable8—系纜編號。

系泊錨鏈材質(zhì)采用58 mm船用錨鏈，尺寸為5 t/根，錨鏈直徑58 mm，共6節(jié)。錨鏈參數(shù)如下：

空氣中重量75.85 kg/m，AM1的破斷強度1 290 kN，AM2的破斷強度1 810 kN，AM3的破斷強度2 600 kN，AM4的破斷強度3 297 kN。船首和船尾各配備2只領(lǐng)水錨和2只左、右錨。

2.1 數(shù)值模擬計算工況選擇

參考給定的環(huán)境資料，并檢索南京港區(qū)的“風(fēng)、浪、流”信息，定義流、風(fēng)、波浪環(huán)境條件如下：有義波高1.5 m；譜峰周期=7.1 s(0.885 rad/s)；波浪譜為JONSWAP譜；譜峰因子3.5；流速方向為-180°，風(fēng)速、波浪方向均為每隔45°計算1次；風(fēng)速設(shè)定為12 m/s，NPD風(fēng)譜；表面流速為1.2 m/s。

本文的數(shù)值模擬計算為了還原真實碼頭系泊狀態(tài)，根據(jù)風(fēng)、浪、流模擬數(shù)據(jù)，在工況選擇時，固定流向不變而改變風(fēng)向和浪向，分別設(shè)定5種工況條件進(jìn)行模擬計算，工況具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 計算工況表

設(shè)置工作水深取為18 m，浪向間隔為15°，采用不規(guī)則波，波高按B類航區(qū)取1.5 m，波譜為JONSWAP(Hs)，查找南京段水流記錄，確定了以下具體環(huán)境數(shù)據(jù)：有義波高1.5 m，譜峰周期7.1 s，流速1.2 m/s。

圖4展示的是5種不同工況條件在研究對象上的加載示意圖。圖中,5種不同工況條件為系泊纜布置方式、流向保持不變，風(fēng)向浪向順時針每45°作為一個工況進(jìn)行設(shè)置。船首、船尾兩側(cè)的系泊纜布置不同，一側(cè)的系泊纜是考慮了在實際工程中可能由于設(shè)計的特殊性不得不將系泊纜設(shè)計為不對稱的情況。

cable1 ～cable8—系纜編號。

2.2 躉船系泊水動力分析

系泊系統(tǒng)需要依據(jù)系泊力的大小進(jìn)行設(shè)計。躉船系泊力的大小主要受風(fēng)、浪和流的影響，船舶水線以下部分受水流、波浪的作用，水線以上部分受風(fēng)壓作用。

本文采用AQWA水動力分析軟件進(jìn)行系泊系統(tǒng)數(shù)值分析。根據(jù)選定的環(huán)境，進(jìn)行系泊系統(tǒng)的運動及受力分析。仿真計算時間為3 h，共10 800 s。

在對研究對象進(jìn)行時域計算分析之后，可分別得到各個工況下系泊系統(tǒng)中各錨鏈的運動時間歷程曲線、各錨鏈的頂端張力時域曲線(以獲取錨鏈的最大張力值)，以及各錨鏈、臥鏈長度時域曲線(以獲取最小臥鏈長度)。

參照2規(guī)范的一般要求，系泊系統(tǒng)計算結(jié)果應(yīng)滿足如下要求：錨鏈張力需滿足安全系數(shù)要求。分析中采用動力法，且系泊系統(tǒng)完整，故安全系數(shù)最小應(yīng)大于1.67，錨鏈臥鏈長度不能小于0。

這里以LC1工況系泊分析為例，繪制LC1工況下各錨鏈頂端張力時域曲線。匯總計算時域內(nèi)各錨鏈頂端張力最大值見表2。由表中數(shù)值可知：各錨鏈最大張力值都小于系泊錨鏈的破斷載荷力，安全因子都大于規(guī)范要求的1.67，因此系泊躉船能夠正常工作，滿足要求。

表2 LC1工況下各錨鏈張力最大值

繪制LC1工況下各錨鏈臥鏈長度時域曲線。

匯總計算時域內(nèi)各錨鏈躺地鏈長度見表3。由表中數(shù)值可知：8根錨鏈的躺地段長度最小值為11.084 m，最大值為59.982 m。各錨鏈的躺地段長度都大于0，滿足安全作業(yè)的要求。

表3 LC1工況下各錨鏈躺鏈長度

LC2、LC3、LC4、LC5工況系泊分析都使用以上過程進(jìn)行分析，結(jié)果顯示在分析LC3工況下各錨鏈張力最大值時Cable6計算安全因子不滿足校核標(biāo)準(zhǔn)。LC3工況下各錨鏈張力最大值見表4。

表4 LC3工況下各錨鏈張力最大值

各錨鏈最大張力值都小于系泊錨鏈的破斷載荷力，安全因子基本都大于規(guī)范要求的1.67，其中艏部中間1根錨鏈計算載荷雖低于規(guī)范要求，但未超過錨鏈的破斷強度。因此，系泊躉船基本能正常工作，但需要對艏部中間指向外側(cè)的那根錨鏈進(jìn)行加強，見圖5。

圖5 Cable6錨鏈?zhǔn)疽鈭D

3 改進(jìn)的系泊纜布置方案數(shù)值模擬計算

3.1 改進(jìn)方案

將cable6和cable7在船上的固定點進(jìn)行互換，調(diào)整cable5和cable6的系泊角度。改進(jìn)的系泊方案示意圖見圖6。

cable1 ～cable8—系纜編號。

3.2 系泊分析結(jié)果

從上文可知，LC3的工況條件下容易發(fā)生錨鏈張力最大值的計算安全因子超過許用值，因此這里對于LC3工況進(jìn)行重點分析。繪制LC3工況下各錨鏈頂端張力時域曲線。

匯總計算時域內(nèi)各錨鏈頂端張力最大值見表5。由表中數(shù)值可知：Cable6錨鏈和Cable7錨鏈的張力最大值遠(yuǎn)大于其他錨鏈，但是同樣與Cable6錨鏈和Cable7錨鏈位于一側(cè)的Cable5錨鏈和Cable8錨鏈的張力最大值比船尾方向的4根錨鏈的張力最大值更小，說明在改變錨鏈的布置方式后，各錨鏈張力因此改變。從本次模擬結(jié)果來看，較短的錨鏈張力的最大值要明顯大于較長的錨鏈。總體來看，各錨鏈最大張力值都小于系泊錨鏈的破斷載荷力，安全因子基本都大于規(guī)范要求的1.67。

表5 LC3工況下各錨鏈張力最大值

繪制各錨鏈臥鏈長度時域曲線。匯總計算時域內(nèi)各錨鏈躺地鏈長度見表6。由表中數(shù)值可知：8根錨鏈的躺地段長度最小值為2.020 m，最大值為19.516 m。各錨鏈的躺地段長度都大于0，滿足安全作業(yè)的要求。

表6 LC3工況下各錨鏈躺鏈長度

4 結(jié)論

(1)參照2規(guī)范的一般要求，在所設(shè)定的5個校核工況下，研究對象的其他錨鏈(AM4)基本都可以滿足系泊作業(yè)要求。

(2)橫浪(90°)工況下的中間斜向外側(cè)的短錨鏈強度稍有不足，計算安全因子1.44達(dá)不到規(guī)范1.67的要求，但尚未達(dá)到AM4錨鏈的破斷強度3 297 kN，可考慮布置更粗的錨鏈或重新設(shè)置錨鏈方向(或增加長度)。

(3)對系泊系統(tǒng)改進(jìn)方案進(jìn)行校核，結(jié)果顯示，改進(jìn)方案各錨鏈最大張力值都小于系泊錨鏈的破斷載荷力，安全因子基本都大于規(guī)范要求的1.67。因此，改造方案具有較高的可靠性。