0 引　言

随着船舶吨位的大型化，船舶航速的不断提高，水位的大落差变化，特别是台风灾害的多发区域，环境载荷的多变性和突发性，造成的海损事故越来越严重，选择合理的布缆方式，研究船舶在码头系泊状态下的运动响应幅值，预报各系泊缆的顶端张力，防止船舶与码头的过度撞击，直接关系到码头结构和装卸货物的安全性。

针对码头系泊系统的设计及优化布局，停靠船舶外载荷的计算及码头护舷的动力特性分析，国内外学者做过相关研究。Commins^[1]于1962年采用时延函数进行计算的方法，成功计算出码头系泊船舶的运动；Natarajan和Ganapathy^[2]通过编写SHIPMOOR程序计算码头系泊的相关结果，并开展模型试验进行对比验证，结果显示SHIPMOOR程序数值模拟结果能够接近码头运动的实际值。Hu Yi等^[3]应用AQWA软件，模拟系泊状态LNG船的运动特性；嵇春艳^[4]以码头系泊为研究对象，利用水动力分析软件AQWA，分析不同浪向角作用下，系泊船舶的幅值响应算子和一阶波浪力，采用不同方式优化船舶系泊系统；王建华^[5]基于CFD求解器，对一座分布式系泊系统的浮式码头在入射波浪作用下的运动响应进行分析，给出码头运动和系泊系统受力的时历曲线，并将结果与静力分析进行对比，验证动力分析方法的可靠性；赵洪波^[6]根据现场实测水文、地形等资料，采用船舶系泊物理模型对船舶漂移过程进行模拟试验，研究结果表明通过延长导流堤能够改善水流和受力条件，降低船舶漂移风险；吴哲丰^[7]总结几内亚GAC码头项目中多点系泊系统结构的设计经验，研究多点系泊结构荷载及工况，并结合软件对理论计算结果进行数值分析验证。夏运强^[8]采用波浪物理模型试验方法，研究系泊方式、系泊线材质、缓冲吸能重锤等因素对系泊力和浮箱运动的影响，总结出稳度较高的浮箱系泊系统；周斌^[9]针对中小型LNG运输船装卸货物作业时与装卸码头的船岸兼容系泊问题，使用软件对船靠泊LNG接收站码头为例，确定船舶系泊方案，分析系泊缆受力情况。陈里^[10]分析滑坡涌浪作用下系泊船舶系缆力和撞击能的影响因素，以及波高、水深等因素影响下系泊船舶系缆力和撞击能的变化规律，确定滑坡涌浪对内河船舶系泊安全的影响程度。李金来^[11]研究张力腿平台码头舾装阶段系泊系统设计的关键技术，系泊方案的设计要点，系泊环境载荷的计算方法，系泊力的时域计算和系泊应急预案准备等内容，提出一套切实可行的系泊方案；杨建民^[12]针对码头处海洋环境条件，进行码头不同装载状况的模型试验，获得码头的六自由度运动及系泊载荷的动力特性。

1 相似准则

试验过程中应保持模型和实船的形状完全相似，模型的制作严格按照缩尺比进行，缩尺比即实船和模型各项相应线性尺度之比，其值为常数。

${L_s}/{L_m} = {B_s}/{B_m} = {d_s}/{d_m} = \lambda {\text{。}}$

(1)

式中：L，B，d分别为长度，宽度及吃水，下标m及s分别表示模型和实体； $\lambda $ 为缩尺比。模型在海洋工程水池中试验时，其水深h，波高H和波长 $\lambda $ 也必须满足几何相似条件，即

${h_s}/{h_m} = {H_s}/{H_m} = {\lambda _s}/{\lambda _m} = \lambda {\text{。}}$

(2)

船舶或海洋结构物在波浪中运动时，通常忽略或放弃黏性的影响，保持实体与模型的Froude数和Strouhal数相等，即满足两者的重力相似和惯性相似，

$\frac{{{V_m}}}{{\sqrt {gL{}_m} }} = \frac{{{V_s}}}{{\sqrt {gL{}_s} }}\;\;\;\;\;\;\;\frac{{{V_m}{T_m}}}{{{L_m}}} = \frac{{{V_s}{T_s}}}{{{L_s}}}{\text{。}}\;$

(3)

式中： $V$ ， $L$ ， $T$ 分别为速度，特征线尺度及主要周期。

2 试验模型制作

国际海洋工程试验一般选择最佳模型缩尺比是60～80，根据诸多试验采用缩尺比进行综合分析，设定试验模型缩尺比为70。

2.1 甲板驳船模型

甲板驳船模型严格按照主尺度和模型转换关系进行制造，用铁皮制作船身，具体甲板驳船模型参数见表1。

2.2 系泊缆模型

系泊缆的制作需要满足外形相似，几何相似，弹性系数相似。为了满足重量相似，可以用称重的办法计算缺少重量，用相应保险丝及小铁块均匀缠绕。弹性系数相似是模型制作中最复杂的，试验过程中采用连接合适弹性系数和长度的弹簧，满足其弹性特性。

3 系泊方案设计

本文所设计的外界试验工况为最危险的状态，波浪的传播方向为90°，采用双首缆及双尾缆的设计形式，系泊系统的设计如图1所示。

4 测量方法及试验方案 4.1 缆绳拉力测量

拉力传感器一端固定在系泊缆索上，另一端固定在船模上，船舶在外环境的作用下产生六自由度运动，系泊缆索产生拉力，信号传输到动态信号采集系统上，处理相关系泊缆索顶端张力数据。

4.2 护舷压力测量

护舷压力测量的方式通过在船舶的首尾各布置一个应变片，船舶在外环境的作用下产生一定的运动幅值，运动过程中撞击应变片，通过应变片的数据传输到动态采集系统上，利用计算机分析，把电压信号转化成压力值，进而得到其压力时历曲线。

4.3 试验系泊方案及工况 5 试验结果和分析 5.1 船舶主要自由度运动幅值

图2～图6为各设计工况作用下船舶横荡、横摇和垂荡三自由度的运动幅值响应情况。从图2～图4可以看出，相同的系泊条件，相同的波幅，不同的波浪周期对船舶产生的作用效果不同，对于横荡、横摇和垂荡的运动幅值，随着波浪周期的增大，船舶的横荡运动、横摇运动及垂荡运动更剧烈。从图2、图5和图6可以看出，相同的系泊条件，相同的周期，不同的波幅对船舶产生的效果不同，对于横荡、横摇和垂荡的运动幅值，随着波幅的增大，船舶的横荡运动、横摇运动及垂荡运动更剧烈。从图2～图6中可以看出，船舶的主要自由度运动都是在平衡位置基础上进行的，且运动时历曲线比较符合规则波的运动特性及规律。

5.2 缆绳缆索顶端张力

从图7～图9可以看出，相同的波幅，不同的周期波浪作用下，系泊缆的顶端张力随着波浪周期变大而逐渐变大。从图7、图10和图11可以看出，相同的波幅，不同的周期波浪作用下，系泊缆的顶端张力随着波幅的增大而逐渐变大。从图9～图11可以看出，试验中系泊缆索拉力曲线大多符合规则波运动规律，拉力的数值在平衡位置附近上下波动。试验及实际工程中，为保证船舶运动幅值在合理范围内，系泊缆顶端设有预张力，由于各系泊缆所起到的作用不同，设置的预张力大小也不一样，船舶在外工况的作用下，出现绕轴和沿轴的运动，系泊缆索的顶端时历实时变化，系泊缆处于连续张紧-松弛的状态。

6 结　语

码头系泊系统是船舶在舾装、靠泊时的重要装置，通过高桩码头船舶系泊试验，分析系泊船舶的运动特性、系泊缆顶端张力和护舷压力等参数，可以为工程实践提供一定的指导意义。在船舶码头系泊试验的基础上，得出以下结论：

1）由于甲板驳船的船型特殊性，采用双首缆、双尾缆的系泊形式，试验中船舶的主要自由度运动幅值在规范规定的范围内，验证优化设计系泊缆布置形式的合理性；

2）系泊状态下船舶横荡、垂荡和横摇运动幅值，随着波浪周期的增大而增大，随着波幅的增加而非线性增加；

3）系泊缆索的顶端张力变化时历曲线符合规则波作用的特性，在预张力的基础上，围绕平衡位置波动，系泊缆索的顶端张力随着波幅的增加而增大。