躉船碼頭系泊系統設計方案優化

汪鐘靈，張 燦，徐 驍

(1.南京汪洋船舶工程有限責任公司，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，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

現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，其定位系統是保證躉船工作性能、安全性能最重要的環節。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的需求也更為迫切。人們對于系泊系統水動力分析時常用的方法有：理論分析、實際實驗和數值仿真。JIANG等、PAN等針對本文采用數值模擬的方法探索船舶建模以及系泊纜建模方法，最后進行系泊系統的耦合分析，綜合多種影響因素條件下系泊系統的穩定性。于霄等利用船舶與系泊平臺模型進行碰撞研究，探究在碰撞條件下系泊平臺的運動響應。本文使用ANSYS AQWA軟件對躉船及其系泊系統建立有限元模型并進行數值模擬，為滿足提高靠泊能力提出改進方案，并對改進方案進行驗證。

1 躉船及其系泊系統有限元模型

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。躉船的主尺度如下：總長90 m，型寬14 m，型深2.8 m，設計吃水0.8 m。按3 000 t排水量的假設船型主要參數如下：總長90 m，型寬16.50 m，型深7.75 m，設計吃水2.235 m。

本文使用ANSYS軟件對躉船進行水動力計算模型的建立，根據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。有限元模型及環境載荷坐標系定義見圖2。

圖1 水動力計算模型

圖2 有限元模型及環境載荷坐標系定義

計算中使用的坐標系為：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。計算中環境載荷來向定義為：沿軸正向為0°載荷方向，沿軸負向為180°載荷方向，以0°載荷方向為基準，逆時針旋轉為正向載荷方向。

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。

系泊錨鏈材質采用58 mm船用錨鏈，尺寸為5 t/根，錨鏈直徑58 mm，共6節。錨鏈參數如下：

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只領水錨和2只左、右錨。

2.1 數值模擬計算工況選擇

參考給定的環境資料，并檢索南京港區的“風、浪、流”信息，定義流、風、波浪環境條件如下：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°，風速、波浪方向均為每隔45°計算1次；風速設定為12 m/s，NPD風譜；表面流速為1.2 m/s。

本文的數值模擬計算為了還原真實碼頭系泊狀態，根據風、浪、流模擬數據，在工況選擇時，固定流向不變而改變風向和浪向，分別設定5種工況條件進行模擬計算，工況具體數據見表1。

表1 計算工況表

設置工作水深取為18 m，浪向間隔為15°，采用不規則波，波高按B類航區取1.5 m，波譜為JONSWAP(Hs)，查找南京段水流記錄，確定了以下具體環境數據：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，風向浪向順時針每45°作為一個工況進行設置。船首、船尾兩側的系泊纜布置不同，一側的系泊纜是考慮了在實際工程中可能由于設計的特殊性不得不將系泊纜設計為不對稱的情況。

cable1 ～cable8—系纜編號。

2.2 躉船系泊水動力分析

系泊系統需要依據系泊力的大小進行設計。躉船系泊力的大小主要受風、浪和流的影響，船舶水線以下部分受水流、波浪的作用，水線以上部分受風壓作用。

本文采用AQWA水動力分析軟件進行系泊系統數值分析。根據選定的環境，進行系泊系統的運動及受力分析。仿真計算時間為3 h，共10 800 s。

在對研究對象進行時域計算分析之后，可分別得到各個工況下系泊系統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規范的一般要求，系泊系統計算結果應滿足如下要求：錨鏈張力需滿足安全系數要求。分析中采用動力法，且系泊系統完整，故安全系數最小應大于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。匯總計算時域內各錨鏈頂端張力最大值見表2。由表中數值可知：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。

匯總計算時域內各錨鏈躺地鏈長度見表3。由表中數值可知：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行分析，結果顯示在分析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準。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范要求的1.67，其中艏部中間1根錨鏈計算載荷雖低于規范要求，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的那根錨鏈進行加強，見圖5。

圖5 Cable6錨鏈示意圖

3 改進的系泊纜布置方案數值模擬計算

3.1 改進方案

將cable6和cable7在船上的固定點進行互換，調整cable5和cable6的系泊角度。改進的系泊方案示意圖見圖6。

cable1 ～cable8—系纜編號。

3.2 系泊分析結果

從上文可知，LC3的工況條件下容易發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。

匯總計算時域內各錨鏈頂端張力最大值見表5。由表中數值可知：Cable6錨鏈和Cable7錨鏈的張力最大值遠大于其他錨鏈，但是同樣與Cable6錨鏈和Cable7錨鏈位于一側的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。從本次模擬結果來看，較短的錨鏈張力的最大值要明顯大于較長的錨鏈?？傮w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。匯總計算時域內各錨鏈躺地鏈長度見表6。由表中數值可知：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，滿足安全作業的要求。

表6 LC3工況下各錨鏈躺鏈長度

4 結論

(1)參照2規范的一般要求，在所設定的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要求。

(2)橫浪(90°)工況下的中間斜向外側的短錨鏈強度稍有不足，計算安全因子1.44達不到規范1.67的要求，但尚未達到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置錨鏈方向(或增加長度)。

(3)對系泊系統改進方案進行校核，結果顯示，改進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范要求的1.67。因此，改造方案具有較高的可靠性。