1、第 卷第 期 年 月水 道 港 口 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金联合项目()温州鹿城区科技研究开发专项()中建股份科技研发课题()作者简介:孙明龙()男湖北钟祥人工程师主要从事船舶与海洋工程研究:().通讯作者:郭玉()女山东烟台人工程师主要从事船舶与海洋工程研究:.万吨级油船空载系泊系缆力模型试验研究孙明龙唐 旭沈文君郭 玉金瑞佳(.烟台中集来福士海洋工程有限公司烟台.交通运输部天津水运工程科学研究所天津)摘 要:针对大型油船在现有码头停靠、改造时的空载系泊情况采用物理模型试验方法分析了处于改造作业过程中吃水较小、受风面积较大的 万 级油船的缆绳受力情况研究了吹开风作用下
2、以及风浪联合作用下波浪与风速对缆绳受力的影响得出了原系泊方案最不利缆绳位置 针对风暴情况下船舶系缆布置方式存在的问题提出了相应的优化方案并开展相关试验研究 研究结果表明:优化方案可使各个缆绳受力更加均匀避免某根缆绳受力较大的情况试验结果可为相关设计提供一定的依据关键词:万 级油船缆力模型试验风浪联合中图分类号:.文献标识码:文章编号:()码头系泊时船舶通过缆绳以一定的系泊模式与码头等构成一个非线性和多重耦合的复杂系统 在强风大浪的作用下码头系泊船舶由于缆绳崩断而造成严重的海损事故在国内外屡见不鲜 随着港口建设的发展大型船舶日益增多确定系泊船舶在风浪作用下的系缆力日显重要 针对码头系泊船舶的研究
3、主要分为数值模拟和物理模型试验两种研究方法 数值模拟方面马小剑等基于力的平衡关系建立了系泊船舶在风和潮流作用下缆绳张力和运动的计算模型()并经过了试验验证可为码头平面设计特别是护舷和系缆柱的布置等方面提供有力的技术支持 沈文君等采用势流理论分别研究了波浪周期对系泊船舶的运动响应以及不同浪向作用下护舷的受力情况 然而由于码头系泊船舶情况复杂数学模型在简化时很难同时考虑各部分之间的关系因此更多学者采用物理模型试验开展相关研究 在缆绳张力及船舶运动量的物理模型研究中张日向等在某系泊试验基础上研究了不同潮位下不同风向、不同波浪入射角系泊船舶缆绳受力及船舶对护弦的撞击力 李焱等以某 万 矿石码头、万 大
4、型油船为例研究了不同水位、不同船舶载度、不同浪流夹角单流、单浪和浪流共同作用时对船舶撞击力和系缆力的影响并分析了该码头工程护舷和缆绳的布置情况 耿宝磊等通过物理模型试验对 驳船在风波浪荷载不同组合工况下船舶系泊运动量、缆绳拉力以及船舶靠泊产生的撞击力和撞击能量进行了研究张万威等研究了 万、万、万 级油船在风、浪、流不同组合工况下的缆绳系缆力、船舶运动量、护舷撞击力及撞击能量给出了作业条件及系泊条件并进行了船舶靠泊试验同时对系缆方式进行了比选王志斌等从调整缆绳长度的角度出发开展了 散货船在风浪流联合作用下不同系泊模式下的系泊能力试验研究解决了船舶整体系泊能力不高的问题 朱奇等以均衡系缆力和减小船
5、舶运动量为目标针对泊位长度和缆绳布置形式对系泊 船舶稳定性开展试验研究 刘必劲采用理论分析和物理模型试验相结合的方法研究系泊船舶在波浪、潮流作用下的船舶运动量、系缆力和撞击能量并结合工程水 道 港 口第 卷第 期实例对船舶运动规律以及总结出的经验公式进行验证目前国内学者针对系泊船舶在码头前系泊能力方面的研究通常基于船舶满载和压载的情况而船舶极端空载的情况则较少有提及 根据已有研究系泊缆绳张力的大小与水流及波浪大小、方向都有着密切的关系而风的作用通常比水流和波浪小但若船舶为极端轻载或空载状态由于受风面积增加风的作用所占比例会更大一些 由于在船舶改造过程中需要长时间停靠在修船码头船内设备及建筑均会
6、拆除船舶吃水较小本次研究船型常规压载状态时的吃水为 而在改造期间最小的吃水仅为.此时船舶的受风面积更大 本文针对风荷载为主要因素影响的空载船舶通过物理模型试验方法测定其在不同风速环境下的安全性确定船舶的运动量、系缆力等数据为设计提供依据表 模型与原型各物理量之间的转换关系.名称比尺长度波高周期/时间/角度名称比尺排水量弹性模量能量惯性矩力 模型试验设置.模型相似风、浪等环境荷载综合作用下的船舶系泊物理模型按照规范应采用正态整体物理模型试验方法根据研究经验及技术要求在保证模型尺度与测量精度要求下结合试验场地和设备性能模型几何比尺取:对于波浪整体定床物理模型试验一般应满足几何相似、重力相似和阻力相
7、似等条件对于系泊试验还应满足船舶几何、静力和动力相似缆绳长度和弹性相似以及护舷受力变形曲线相似模型与实体各物理量之间的转换关系见表 其中 为几何比尺试验船型为 船舶由于该船舶为改造船舶在改造过程中船舶的装载状态与运送货物的船舶有所区别船型尺度如表 所示试验船模的制作以原型船舶型线图按 的比例缩小制作过程严格按照上述相似条件模拟并考虑风的作用对船舶上层建筑物也做较细致的模拟如图 所示图 船模整体示意图.表 试验船型的尺度.船型垂线间长型宽型深试验吃水 船.码头系缆设施配置如下:系缆缆绳采用直径 的迪尼玛缆绳 由于码头上部结构受风面积较大原方案共计布置了 根缆绳用于约束船舶运动试验中将长度相近、作
8、用相同的缆绳进行合并共计 根缆绳其中艏缆 根、艏横缆 根、艏倒缆 根、尾横缆 根、尾缆 根如图 所示 缆绳对应的图 缆绳原始布置示意图.最小破断力为 各缆绳的初始力为最小破断力 的 若 根合并则初始力为 最小破断力为 模型系缆系统由线绳和弹性钢片复合而成其中缆绳用杜邦 线制作该线具有重量轻、强度高、不易变形等优异特性本身不具备弹性而缆绳的弹性变 年 月孙明龙等 万吨级油船空载系泊系缆力模型试验研究形则采用弹性钢片组模拟使其受力 变形曲线满足相似 图 给出了在模型试验中本次船舶系泊缆绳模拟结果从中可知模拟效果较好 艏缆 艏倒缆 尾缆 尾横缆 图 不同位置缆绳模拟结果.图 充气式气囊护舷模拟结果.
9、护舷选用.充气式气囊护舷最大变形最大反力 护舷的主要相似条件是原型和模型的护舷受力 变形曲线本次护舷与传统护舷有所区别该护舷在船舶挤靠过程中变形较大考虑护舷自身尺寸和变形关系通过换算得到模型的变形曲线定制相应弹簧进行模拟护舷的压缩率 反力曲线如图 所示通过模拟可以发现两者斜率比较接近可以近似模拟充气式气囊护舷.试验方法采用可移动摇板式不规则波造波机模拟波浪不规则波的频谱采用合田改进的 谱 模拟不规则波时将有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟经过修正后使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求 港区内通常掩护条件较好假定在风暴工况下各水位码头前的设计波浪有效波高均为.平均周期为.
10、采用 型波浪测试系统用于水池波浪测量 在码头及引桥等结构物模型放置之后进行试验波高的率定在泊位前约.倍船宽处布置 个波高传感器取所有测点的 波高的平均值作为率定结果与目标值进行比较并校核 波高值当模拟结果相同或相近时便以此结果对应的造波机参数作为正式试验所采用的造波参数之后放置船舶模型进行试验表 实测风速统计对比值.目标值/()原型模型船艏实测/()误差/船舯实测/()误差/船尾实测/()误差/.风的模拟采用风机组进行 风机组由多台独立风机组成风速由变频控制最大风速可达./风机可吊装自由移动并变换风向可任意排列组合实现局部风场控制 根据风向在相应位置布置风机组通过调整变频器得到满足要求的试验风
11、速 采用热线风速风量传感器(风速仪)进行风速测量 各工况试验前均需采用风速测试系统对水池风速进行测试与校准为研究风暴条件下的系泊情况在 吹拢风和 吹开风下分别采用风速./、./、./、./、./模拟风暴情况 试验之前分别在船艏、船舯和船尾处对风速进行了测量并同目标值进行对比如表 所示 对比结果表明风场整体较为稳定船体不同位置受到风荷载差别不大满足相关精度要求码头等水工建筑物到造波机的距离大于 倍波长建筑物两侧垂直波向的方向上取 倍波长两水 道 港 口第 卷第 期侧边界设直立吸收式导波设施防止波能横向扩散 波浪传播末端的开边界水域设消波装置模型平面布置如图 所示试验过程中采用非接触式船模运动量测
12、试系统和水工船模力综合测试系统同步测量船舶的 个运动量、系缆力、护舷的撞击力及变形 试验时不规则波连续采用的波浪个数大于 个采样时间间隔为.每组试验均重复 次以上取每组最大值的平均值作为最终结果 试验结果及分析根据工程项目区域的风和波浪特点此处常风向与码头走向垂直如图 所示 船舶在码头前主要受横浪的影响因此在试验时仅考虑了 横浪的作用同样对于风荷载主要考虑吹开风和吹拢风的作用图 模型平面布置图.图 码头走向和相应风玫瑰图.纯风荷载作用下试验结果系泊船舶在纯风荷载作用下吹开风相对吹拢风对船舶的系缆力影响更大为此开展了系泊船舶在不同水位时各级吹开风作用下的试验研究为探究各级风荷载作用下各缆绳系缆力
13、的分布情况由设计高水位吹开风工况下的试验结果可知各个缆绳的拉力随着风速的增大而增大吹开风./时缆绳最大拉力位于尾横缆即缆绳 和缆绳 设计低水位吹开风工况下的试验结果与高水位的结果规律基本相同只是缆绳拉力和系船柱的受力分别存在不同程度的减小主要原因是低水位情况下尽管系泊船舶吃水不变但是码头对系泊船舶具有更好的遮挡效果从而缆绳拉力与高水位相比较小 因此系泊船舶受到吹开风影响高水位情况下的缆绳拉力需要关注.风浪联合作用下试验结果当波浪作用于系泊船舶上时吹拢风对其影响较大为此开展了系泊船舶在不同水位下、风浪联合作用下的试验研究 详细对比了不同水位条件下、不同风速下各缆绳的最大拉力如图 所示分别为风速.
14、/、./、./情况下 通过对比可知在风速较小的时候波浪荷载对缆绳影响较大而随着风速的增加由于空载船舶受风面积较大风的影响变大整体来讲随着风速的增大缆绳受力减小 原因如下:在吹拢风作用下随着风速的增大此时船舶在吹拢风和横浪联合作用时会挤靠码头护舷而后向离岸方向运动此时缆绳受到巨大的拉力各风速条件下波浪条件不变而风荷载越大船舶向离岸方向运动越小缆绳受力减小 在设计高水位时缆绳的垂直角度增加缆绳的水平分力大于低水位时候的水平分力因此高水位时缆绳受力大于低水位时缆绳受力 不同水位下 号及 号缆绳由于主要承受横浪作用负责约束船舶的横向位移因此受力较大 年 月孙明龙等 万吨级油船空载系泊系缆力模型试验研究
15、 风速./风速./风速./图 风浪联合作用下不同风速下各缆绳受力对比.图 优化后的缆绳布置图.优化系缆方式试验结果由上述试验结果可知当船舶停靠泊位时风暴情况下横缆 号和 号受力较大针对此系缆方式进行优化改变缆绳的系缆角度如图 所示由原方案“/”形式系泊变成“八”字系泊纯风荷载作用下试验结果表明在吹开风作用下设计高水位和设计低水位时各个风速下缆绳受力更加均匀设计高水位 吹开风(风速./)情况下各个缆绳系缆力受力情况对比如图 所示设计高水位 吹开风(风速./)情况下各个缆绳系缆力受力情况对比如图 所示特别是原来受力较大的 号和 号缆绳受力明显变小主要原因是 号和 号缆绳改成“八”字形布置后缆绳长度
16、也有所增加系岸位置更加靠近两侧此时缆绳与船舶夹角变小其他缆绳共同承担了受力风浪联合作用下的试验结果显示将优化后的部分试验结果同原方案进行对比设计高水位波浪 吹拢风(风速./)情况下各个缆绳的系缆力受力情况对比如图 所示图 给出了设计高水位波浪 吹拢风(风速./)情况下各个缆绳的系缆力受力情况对比 结果同样表明优化后的布置方案缆绳受力相对更加均匀而且当原方案某些缆绳超过标准情况时经过优化可以避免相关现象的发生 设计高水位吹开风(风速./)设计高水位吹开风(风速./)设计高水位吹拢风(风速./)设计高水位吹拢风(风速./)图 原方案和优化方案各缆绳系缆力对比图.结论通过本次试验获得了 级油船码头系
17、缆时在极端天气下船舶的动态响应及系缆力、护舷水 道 港 口第 卷第 期撞击力的情况得出主要结论如下:在设计高水位、设计低水位纯吹开风荷载作用情况下各个缆绳的拉力随着风速的增大而增大设计低水位时码头对船舶有更好的掩护效果波浪 吹拢风荷载作用情况下 号和 号缆绳系缆力较大 在同一波高时各个缆绳的拉力随着风速的增大而减小 设计高水位下的试验结果相对略大一些为控制工况优化后的布置方案缆绳受力相对更加均匀参考文献:高峰 樊栩 胡克 等.从频发的缆绳事故谈船舶系泊作业的码头安全保障研究.中国水运:下半月 ():.向溢 杨建民 谭家华等.码头系泊船舶模型试验.海洋工程 ():.():.马小剑 孙昭晨 张志明
18、等.风流作用下码头系泊船舶缆绳张力及运动量研究.水道港口 ():.():.沈文君 赵志娟 刘丽琴等.波浪周期对小型船舶动力响应的影响研究.船舶力学 ():.():.沈文君 谭凤 张维等.系泊船舶在波浪作用下撞击力的数值模拟研究.水道港口 ():.():.张日向 刘忠波 张宁川.系泊船在风浪流作用下系缆力和撞击力的试验研究.中国海洋平台():.():.李焱 郑宝友 高峰 等.浪流作用下系泊船舶撞击力和系缆力试验研究.海洋工程():.():.李焱 王智勇 郑宝友.大型开敞式原油码头船舶作业和系泊安全条件试验研究.水道港口 ():.():.耿宝磊 李伟迁 李焱 等.风浪联合作用下电厂码头驳船系泊试验研究.水道港口 ():.():.张万威 王晟 王静 等.大型原油码头船舶系泊试验研究.水道港口 ():.():.王志斌 朱东华 沈佳辉等.散货船码头系泊模型试验.船舶工程 ():.():.朱奇 王震 王梦琪.泊位长度与系缆方式对系泊船舶的影响.水道港口 ():.():.刘必劲.开敞式码头系泊船舶运动量、系缆力和撞击能量研究.大连:大连理工大学.年 月孙明龙等 万吨级油船空载系泊系缆力模型试验研究 (.):.:(上接第 页).():.():.卢学军 殷伟 储标等.利用 解析法实现不规则波的入反射分离.港工技术():.():.():.: