42 m雙漁船并列系泊受力可靠性試驗分析

段若衡,李夢陽,杜金宇

(中國水產科學研究院漁業工程研究所漁業信息工程研究中心,北京 100141)

漁船港內停泊及避風時,系泊系統可靠性是保證漁船安全的關鍵性能,也是相關領域的焦點研究內容。漁船靠港停泊時,由于大多漁船本身的噸位較小,抗風浪能力較弱,在臺風等極端惡劣天氣時,易發生損毀事件,往往損失較嚴重[1],急需安全合理的系泊方式來改善漁船在港內避臺風的安全性。漁船系泊系統的研究對于確定港區的抗臺風等級、錨地設計、港區管理等具有重要意義,也是業界的迫切需求之一。

船舶系泊研究主要以系纜力和撞擊能研究居多,向溢等[2]、張日向等[3]、李炎等[4]、高峰等[5]對不同類型的大噸級碼頭系泊船舶進行了風浪流作用的試驗研究,分析了系纜張力和撞擊力受風浪流大小和方向、纜繩布置位置、水位、船舶載度等因素的影響情況。

溫過路[6]研究了各船型、各類型的碼頭設計的方式、各類動力多因素組合對船舶系泊纜受力的影響。周崇慶等[7]分析了二階波浪力引起的高系泊力,通過數值積分計算得到風浪沖擊下漁船拋錨時有檔錨鏈與鋼絲繩最大系泊張力。金珈輝等[8]以近海系泊系統為研究對象,分析了構件的外部荷載,建立系泊系統的多目標優化模型。王文勝等[9]研究了波浪能裝置兩點系泊限位下的系泊受力特性以及系泊環境對其影響規律。高啟新[10]通過SESAM軟件計算了護舷受力以及系纜力,優化了特殊船舶碼頭系泊方案。董華洋等[11]通過試驗研究了浮箱式浮防波堤的錨鏈受力狀況。趙質良[12]應用懸鏈線理論分析了艦船的極限錨泊力以及影響艦船錨泊能力的主要因素。孫科舉[13]通過對單方箱—懸鏈式浮防波堤的受力研究,分析了錨鏈拉力和錨鏈與垂直方向夾角變化的關系。李寧等[14]利用懸鏈線理論建立方程,解得錨鏈的受力和形狀。孫一艷等[15]通過試驗的方法研究了單船港內艏艉雙錨錨泊的允許波高。孔耀華等[16]研究了6 對大型養殖水艙對橫搖水動力性能的影響,并根據系泊要求建立了單點系泊系統。國外在相關方面的研究提出了多種動力學計算模型,設計了多種系泊方式,以及相應的模擬和計算方式[17-19]。Jeong等[20]利用二維動態建模,研究了由駁船結構改造而引起的系泊安全性的變化。Stanisic等[21]通過利用系泊張力時間序列的峰值導出最大值的分布,對使用懸鏈系泊系統的大型風向標船舶進行了時域模擬。Tahar等[22]開發了一種理論和數值工具,用于聚酯系泊纜深水浮動平臺的耦合動力學分析。

本研究基于漁船的實際情況,針對“雙船順纜系泊”和“雙船八字纜系泊”進行了船舶系泊物理模型試驗,對不同的系泊方式以及不同風、浪、流組合工況下的系纜力等參數進行了研究,驗證了漁船系泊系統的安全性能,對漁船港內安全避風效果進行了評估。為漁船港內系泊的科學設計和規劃提供了理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 設備與儀器

本試驗在中國水產科學研究院江蘇如東試驗基地進行,試驗場地為長50 m、寬26 m、深1.2 m的港池,造波機總寬 24 m,單塊造波板寬度為0.5 m。港池的一端設置消浪緩坡,另一端配有L型大連理工大學生產的不規則波造波機,由計算機控制,產生試驗所要求的波浪要素。系泊受力使用應變式水下拉力計進行測量,儀器的量程為200 N,誤差不超過1%。水流流速使用 ADV 聲學多普勒流速儀測量,儀器量程為1 m/s,儀器采樣頻率為200 Hz,測量精度為 0.5%。

1.2 漁船模型與系泊纜設計

本試驗采用1∶18比尺對雙排系泊漁船運動進行物理模型試驗研究,基于JONSWAP譜,測量不規則風—浪—流共同作用下雙排系泊漁船的系泊纜受力。本試驗采用正態模型,根據JTS/T 231—2021《水運工程模型試驗技術規范》相關規定,同時考慮設備的綜合能力,模型比尺設定Lr為1∶18。

根據重力相似準則,時間比尺Lr1/2為1∶181/2,動力相似比尺Lr3為 1∶183,漁船模型效果如圖1所示。

圖1 漁船模型效果圖Fig.1 Rendering of fishing boat model

漁船模型原型主尺度結構主要參數見表1,材質見表2。

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

表2 漁船模型材質Tab.2 Dimensions and materials of fishing boat model

為了最大程度減小邊界效應的影響,同時滿足試驗規程的相關要求,模型布置與造波板距離應大于6倍波長。

漁船的常規系泊纜材料為鐵錨鏈與尼龍繩相結合,并綜合考慮儲備系泊力以及預拉力的需求、停泊可占用海域的大小、飄曳范圍的大小等因素,設計錨鏈系泊方案[23],本次試驗選用42 mm三級錨鏈作為原型,錨鏈每米重為38 kg,錨鏈拉力試驗負荷為981 kN,拉斷試驗負荷為1 400 kN。

鑒于錨鏈造價相對較高,近海系泊也常常使用尼龍繩作為系泊纜材料。尼龍繩具有耐腐蝕、耐溫差、防靜電、伸長低等優點,在風浪較小、維修便利的近海有著較高的應用價值。本試驗選用尼龍繩材料參考江蘇海峰繩纜科技公司的128 mm尼龍粗單絲負荷繩作為原型,該型尼龍繩單位質量約為1.031 kg/m,破斷強力約為 335 t。

試驗錨鏈線的設計與分析是基于API RP 2SK浮式結構定位系統的設計與分析規范進行的,錨鏈和尼龍繩的長度和質量參照試驗模型比例縮小,在各種系泊系統中,每條船模的系泊纜均是由2根相同錨鏈線分別與船艏和船艉相連,纜長188 cm,由28 cm鋼纜和160 cm尼龍繩構成(鋼纜布置在靠近錨點端),試驗鋼鏈單位質量約為0.117 kg/m,尼龍繩加測力計單位質量約為0.032 kg/m。

1.3 波浪要素和數據采集

在工程界普遍使用波浪譜的方式從能量分布的角度來模擬不規則海況。常用的波浪譜有PM譜、JONSWAP譜、Ochu-Hubble譜與Torsethaugen譜等。后兩種浪譜不符合本試驗設定工況,選用JONSWAP譜進行模擬[24]。選取的最大有義波高為2 m,海流為2 m/s,周期為6～10 s。試驗波浪參數見表3。

試驗原型的2 min最大平均風速為28、32、36、40和44 m/s。經過換算后,試驗所模擬的風速分別為6.6、7.5、8.5、9.5和10.4 m/s。試驗所需風速及換算見表4。

表4 試驗風速換算表Tab.4 Test wind speed conversion table

試驗中風、浪、流均為180°方向正面作用于船模及系泊系統。

1.4 試驗方案設計

研究2種系泊方式,分別為雙船順纜系泊及雙船八字纜系泊,試驗布置圖見圖2。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Test layout

其中雙船順纜系泊方式為將2艘船模并列置于水池中,中間用尼龍繩綁縛鏈接,每艘船船艏船艉各設一個系泊點,共4根系泊纜,以平行方式系泊于港池底部,具體模型布置見圖3。

圖3 雙船順纜模型試驗平面圖Fig.3 Layout of parallel mooring model test for two ships

雙船八字纜系泊方式則為艏艉系泊纜呈八字形勢向外系泊于港池底部,具體模型布置見圖4。

圖4 雙船八字纜模型試驗平面圖Fig.4 Layout of model test of cross mooring of two ships

試驗中兩種系泊方式均在每艘船模艏艉系泊纜與船模連接處放置拉力計,共計4個,由于風向、浪向、流向均為180°,因此船艉系泊纜受力較小,分析價值不大,本研究僅就2根船艏系泊纜受力進行比對分析。本試驗還將單船雙纜系泊方式的艏部系泊纜受力進行了測量,并加入試驗結果對比。試驗風機放置于面向船艏方向,模擬180°風向的試驗風,浪高儀和流速儀放置于船模及系泊系統側面,監控和記錄試驗波浪條件。

2 雙船系泊受力時域計算

2.1 雙船順纜系泊受力時域分析

雙船并列順纜系泊試驗中,系泊船艏連接點和錨點間的垂直距離約為27 cm,兩艘船模之間用尼龍繩連接。具體系泊纜布置方式如圖3所示。

雙船順纜系泊方案在工況為頂風頂流(試驗風速10.4 m/s、流速0.047 m/s,風向流向均為180°)、頂浪(試驗波高 0.083 m、浪向角為180°)時纜繩1及纜繩3的受力分別如圖5與圖6所示。

圖5 雙船順纜系泊纜繩1受力圖Fig.5 Stress diagram of double ship straight mooring cable 1

圖6 雙船順纜系泊纜繩3受力圖Fig.6 Stress diagram of double ship straight mooring cable 3

2.2 雙船八字纜系泊受力時域分析

雙船并列八字纜系泊試驗中,船艏連接點和錨點間的垂直距離約為27 cm,兩艘船模之間用尼龍繩連接。具體系泊纜布置方式如圖4所示。

八字纜系泊方案在工況為頂風頂流(試驗風速10.4 m/s、流速0.047 m/s,風向流向均為180°)、頂浪(試驗波高 0.083 m、浪向角為180°)時纜繩1及纜繩3的受力分別如圖7與圖8所示。

圖7 雙船八字纜系泊纜繩1受力圖Fig.7 Stress diagram of double ship splayed mooring cable 1

圖8 雙船八字纜系泊纜繩3受力圖Fig.8 Stress diagram of double ship splayed mooring cable 3

3 結果與分析

3.1 單船與雙船系泊方式受力對比

采用“單船雙纜系泊”“雙船順纜系泊”和“雙船八字纜系泊”3種不同系泊方式時,船模艏部纜繩在試驗風速10.4 m/s的工況下,在不同波高的不規則波作用下的受力變化,以及在試驗波高0.083 m的工況下,在不同風速作用下,取時域內受力的最大值進行分析,受力變化情況見圖9。由受力變化可見,3種系泊方式的纜繩受力基本隨著波高的增加而增大,在最大風速及最大波高情況下,采用單船雙纜系泊方式的纜繩最大受力大于雙船系泊方式,且雙船系泊方式纜繩受力變化幅度小于單船系泊方式。

圖9 繩1在3種系泊方式下不同風速及波高受力對比Fig.9 Stress comparison of rope 1 under different wind speeds and wave heights in three mooring modes

3.2 2種系泊方式受力對比

采用“雙船順纜系泊”和“雙船八字纜系泊”2種不同系泊方式時,兩艘船模艏部纜繩在試驗風速10.4 m/s的工況下,在不同波高的規則波和不規則波作用下,取時域內受力的最大值進行分析,受力變化情況見圖10。由受力變化可見,2種系泊方式的纜繩受力均隨著波高的增加而增大,在相同風速情況下,纜繩在順纜系泊方式規則波工況時的受力增幅最大。可以看出雙船八字纜系泊方式在較大風速情況下,船艏纜繩受力最大值,及其他各波高工況下的受力基本均小于雙船順纜系泊方式,2種系泊方式的受力大小以及變化幅度上較為相似,并未產生數量級的差異。

圖10 繩1及繩3不同波高受力對比Fig.10 Stress comparison of rope 1 and rope 3 at different wave heights

采用“雙船順纜系泊”和“雙船八字纜系泊”2種不同系泊方式時,兩艘船模艏部纜繩在試驗波高0.083 m的工況下,在不同風速以及規則波和不規則波作用下,取時域內受力的最大值進行分析,受力變化情況見圖11。由受力變化可見,2種系泊方式的纜繩受力均隨著風速的增加而增大,在相同風速情況下,纜繩在順纜系泊方式不規則波工況的受力增幅最大。可以看出雙船八字纜系泊方式在較大波高情況下,船艏纜繩受力最大值小于雙船順纜系泊方式,并且受力增幅也小于雙纜順纜的系泊方式。

圖11 繩1及繩3不同風速受力對比Fig.11 Stress comparison of rope 1 and rope 3 at different wind speeds

采用“雙船順纜系泊”和“雙船八字纜系泊”2種不同系泊方式時,兩艘船模艏部纜繩在無風不規則波的工況下,在不同波高以及不同周期作用下,取時域內受力的最大值進行分析,受力變化情況見圖12。由受力變化可見,2種系泊方式的纜繩受力均隨著波高及周期的增加而增大,在相同波高及周期情況下,雙船八字纜系泊方式船艏纜繩受力基本小于雙船順纜系泊方式。

3.3 水流對纜繩受力的影響

采用雙船順纜系泊同系泊方式時,在試驗風速為0 m/s的工況下,兩艘船模艏部纜繩在不規則波作用下,在不同波高和波浪周期情況下,取時域內受力的最大值進行分析,受力變化情況見圖13。由受力變化可見,纜繩受力隨波高增大而增大,且在試驗加入水流后,纜繩受力基本大于未加入水流的工況。

圖13 繩1及繩3在有無水流及不同波高受力對比Fig.13 Comparison of stress of rope 1 and rope 3 with and without water flow and different wave heights

3.4 分析

通過物理試驗的方式,將港內避風時常用的單船雙點系泊方式與雙船并列系泊方式的系纜力進行了對比,并設計了兩種雙船并列系泊方式,通過對不同條件進行組合試驗,獲得了纜繩張力隨波高、風速、水流情況的變化規律,對兩種雙船并列系泊方式的受力情況進行了對比,驗證了系泊系統的安全性。

(1)系泊纜受力與風速、波高呈正相關。當港池面積、水深等試驗環境相同時,通過各系泊方案試驗,系泊纜受力基本呈現隨風速增大而增大,隨波高增加而增大,隨周期增大而增大的總體規律,與鄭瑋[25],曹力瑋等[26]的試驗結論基本一致。

(2)試驗條件下,單船雙點及雙船并列系泊方式的系泊纜受力均滿足安全要求,但雙船并列系泊方式更優。單船艏艉雙點系泊方式在風速和浪高未達到臺風工況時,系泊纜受力基本可滿足安全條件[27],但雙船并列系泊的兩種方式相較單船系泊方式系泊纜最大受力更小,隨波高和風速條件改變受力變化更小,其中單船雙纜系泊方式隨試驗波高由0.042 m增大到0.083 m,系纜力增幅為77.9%,雙船順纜系泊及雙船八字纜系泊方式的增幅分別為38.8%及49%,單船雙纜系泊方式隨試驗風速由0.042 m/s增大到0.083 m/s,系纜力增幅為37.7%,雙船順纜系泊及雙船八字纜系泊方式的增幅分別為34.3%及23.1%,故雙船并列系泊系統相對更穩定[28],安全系數更高,所以在極限工況臺風天氣下,推薦采用雙船并列系泊方式。

(3)水流條件對系泊纜受力存在一定影響。在加入水流后,通過對比纜繩受力情況,但水流條件加入后,系纜力隨周期、波高等條件改變的變化趨勢基本相同,但系纜力總體大于未加入水流條件,因此水流對系泊纜受力具有一定影響,與吳元緊等[29]的試驗結論基本一致。因此在設計系泊方案時,應根據停泊水域具體情況,將水流方向及流速對系泊系統的影響納入設計范圍,使船舶停泊方向與風向、浪向以及流向盡量保持平行[30],盡量減少受力方向對漁船穩性[31]和系纜力的不利影響。

(4)試驗條件下,雙船順纜及雙船八字纜系泊方式的系泊纜受力最大值均可滿足安全要求,但雙船八字纜系泊方式受力最大值更小。雙船順纜系泊方式中,纜繩受力最大值出現在波高0.111 m,風速10.4 m/s時,纜繩3出現最大受力為144.14 N,對應原型漁船系泊纜受力約為984.76 KN。雙船八字纜系泊方式中,纜繩受力最大值出現在波高0.083 m,風速10.4 m/s時,纜繩力3出現最大受力為138.6 N,對應原型漁船系泊纜受力約為808.3 KN,可發現八字纜系泊方式相較順纜系泊方式更安全。且按照試驗纜繩選型,兩種系泊方式均能保證約14級臺風工況下纜繩安全,在避風漁港底質錨抓力滿足要求的情況下,可避免錨繩斷裂、走錨等危害漁船安全的情況發生[32]。

(5)以42 m漁船為例,通過雙船并列系泊試驗受力對比,可知雙船八字纜系泊方式相較雙船順纜系泊方式,纜繩受力更小,且隨波高、風速、周期等情況變化而產生的變化更小,故八字纜系泊方式相較順纜系泊方式安全系數更高,穩定性更強,是更優系泊方案。

4 結論

以嵊泗漁港42 m漁船為研究對象,針對臺風條件下港內漁船系泊避風的情況,設計了兩種系泊方式,在試驗水池模擬了嵊泗港內最高14級臺風情況下的波浪、水流、風等環境條件,測量了在該工況時系泊系統的受力情況,分析了系泊系統的安全性和可靠性。通過試驗分析發現,雙船并列系泊的兩種方式均可保障臺風天氣下漁船的系泊安全;在極限工況下,推薦采用雙船系泊方式,并建議優先選用雙船八字纜系泊方式。本方法可為港內漁船穩性分析與工程應用提供參考。