舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (2): 55-59   PDF    
码头内大型船舶双船系泊方案研究
孔令海, 孙寅博, 曲昭宇, 张鑫     
江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212003
摘要: 为了保障在台风等恶劣海况下码头系泊的安全性,尤其是处于中间位置船舶的系泊安全问题,有必要对其进行抗台风码头系泊方案研究,以确保码头双船并排系泊在台风等恶劣海况下的安全性。码头单船的常规系泊问题在现阶段已经有了较为成熟的研究,主要依靠数值模拟仿真以及模型试验,可以得到一套比较完整的系泊方案。码头双船系泊问题在现阶段的研究相对较少,鉴于双船码头系泊对单船码头系泊在系泊形式、水动力特性等方面存在较大的区别。码头双船并排系泊的特殊性需要重点研究,分析设计方案可能存在的问题,为以后的码头多船并排系泊问题提供有价值的参考。
关键词: 大型船舶     双船系泊     抗台风方案    
Double ship mooring of large ship in dock
KONG Ling-hai, SUN Yin-bo, QU Zhao-yu, ZHANG Xin     
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: In order to ensure the safety of mooring of quay terminals under typhoon and other severe sea conditions, especially the mooring safety of ships in the middle position, it is necessary to study the typhoon mooring scheme against typhoon quay to ensure that the quays are moored side by side in typhoon. It is safe and stable under adverse sea conditions. The conventional single ship moored at this stage has been more mature research, mainly rely on numerical simulation and model test, can get a complete set of mooring scheme. Mooring relative problems in the current study are given two ships moored on there is a big difference between single ship moored in the mooring form, the dynamic characteristics of water etc. The particularity of berthing in parallel with two ships at wharf needs to be studied emphatically, and the possible problems in the design scheme are analyzed, which will provide valuable research for the future berthing in parallel with multiple ships at wharf.
Key words: large vessel     double ship mooring     typhoon scheme    
0 引 言

为了提高码头的利用率和满足造船的需要,可以在码头采用双船并排系泊的方式。本文以某船厂的17万吨散货船为研究对象,对其进行码头双船并排系泊系统的设计,分析码头以及周围环境参数,进行相关水动力分析计算,提出系泊方案。通过结合各个因素最优值,最终提出码头双船并排系泊常规方案。在寻找最为合理的系泊方案计算中,总结了一系列适用于码头双船并排系泊并且能对抗台风的系泊规律,为实际工程提供参考。

1 系泊动态分析理论

进行系泊系统动力计算的方法主要有连续介质法和集中质量法。本文采用连续介质法进行动力分析。离散有限元模型动力平衡方程[72]

$ {R^I}(r,\ddot r,t) + {R^D}(r,\dot r,t) + {R^S}(r,t) = {R^E}(r,\dot r,t){\text{。}} $

其中: ${R^I}(r,\ddot r,t)$ 为惯性力矢量; ${R^D}(r,\dot r,t)$ 为阻尼力矢量; ${R^S}(r,t)$ 为内部结构力矢量; ${R^E}(r,\dot r,t)$ 为外力矢量; $r$ $\dot r$ $\ddot r$ 分别为结构位移、速度、加速度。外力主要有重力、浮力、系泊缆所受的水动力、和平台位移相关的力、以及特定集中力。

惯性矢量表示为:

$ {{ R}^I}(r,\ddot r,t) = { M}(r)\ddot r = [{{ M}^S} + {{ M}^F} + {{ M}^H}(r)]\ddot r{\text{,}} $

其中: ${ M}$ 是系统质量矩阵,包含结构质量矩阵 ${{ M}^S}$ ,内部流体质量矩阵 ${{ M}^F}$ ${{ M}^H}$ 为Morison公式中结构加速度水动力质量矩阵,是局部坐标附加质量的一部分。

阻尼矢量表示为:

$ {{ R}^D}(r,\dot r,t) = { C}(r)\dot r = [{{ C}^S}(r) + {{ C}^H}(r) + {{ C}^D}]\dot r{\text{。}} $

其中: ${ C}$ 为系统阻尼矩阵,包含结构阻尼矩阵 ${{ C}^S}(r)$ ${{ C}^H}(r)$ 为考虑绕射作用的水动力阻尼矩阵; ${C^D}$ 为与位移有关的特定离散阻尼矩阵。

2 码头情况及水文气象条件

某舾装码头共有4座码头,1,2号码头位于1号船坞上游,3,4号码头位于2号船坞的下游,1,2号码头全长640 m,码头上共有2 000 kN的系缆桩8个,1 500 kN系缆桩24个。码头前沿水深在10~15 m之间。计算时采取高潮位时的水深,即15 m。台风状况时,台风向陆地移动的时候,因为台风的强力和低气压的作用,海平面会产生风暴潮使海平面上升,因此采用最大水深。

图 1 码头示意图 Fig. 1 Dock schematic

参考我国经常遭受台风侵袭的地图海域海流速度统计,其最大流速为2 m/s左右,结合海流速度,取1.5 m/s作为普通台风时的海流速度。当地常风向冬季为北风,夏季为东南风,实测最大风速为28 m/s。台风最大风速估计为38 m/s。

3 系泊方案的设计

本节主要通过计算码头与双船之间连接缆绳的数量和布局,分析缆绳和护舷布局对码头双船系泊的影响,确定码头与两船以及两船之间的缆绳连接布置方式。最终综合以上分析计算结果确定适用于台风工况下的系泊方案。

3.1 船舶系泊绳数目计算

船舶在码头系泊时,船舶与码头之间的缆绳提供主要的约束力。首先,计算确定码头与船舶之间的系泊缆绳最佳数量以及布置位置。要得到缆绳的最佳数量,需要计算船舶的舾装数。根据散货船共同结构规范要求,计算得舾装数 $EN = 5\;633$ 。根据已取得的舾装数,该船舾装数 $5\;500 < EN < 5\;800$ 。通过查阅钢制海船入级与建造规范可知,该船至少应配置8根系泊绳。

3.2 工况及环境参数

使用商用软件AQWA对码头双船并排系泊多浮体进行水动力分析计算,坐标系的原点设在内船的中心,垂向在静水线面上,外船则是沿着y轴正方形移动一段距离。台风的方向设为–150°~+180°,每隔30°进行一次计算。计算时采用的是API风谱,JONSWAP波浪谱以及均匀流,选择28 m/s为非锚泊的风速,流速都采用1.5 m/s,同时根据实际情况,码头沿江而建,流速主要由长江水流引起,确定流载荷方向为0°,风浪同向。

主要计算工况(28 m/s)如表1所示。