0 引　言

近年来，随着海洋经济和海上航运事业的迅速发展，以及海洋权益争夺和反恐形势的日趋激烈，船舶进出港口和航行密度不断加大。目前，对于海上的潜在威胁，除加强探测和监视措施外，设置防护拦阻系统是保护港口、桥梁等海上建筑物最安全可行且有效的防御方式。因此，系泊多浮体拦阻系统在海上得到广泛应用^[1]。

刘昌凤^[2]采用时域数值模型，对横浪作用下码头前系泊船舶的运动响应进行了研究，运用多元回归分析，得到一个码头前系泊船舶撞击速度的估算公式。刘文玺^[3]在对浮体和系泊系统的时域耦合分析中，研究并提出了一种预报浮体和系泊系统非线性运动响应和缆索张力的分析技术。高峰^{[4 − 5]}采用物理模型研究了多船过驳平台的系泊特性，试验得到各浮体在风浪流作用下的运动量，并测试了系泊缆张力的变化。刘俊谊^[6]以能量守恒定律为基本原理，通过编写迭代计算程序，对船舶撞击高架拦阻系统后的运动情况进行了研究，并与试验数据进行比较，计算结果为高架拦阻系统的设计提供了重要参考。王贝壳^[7]研发一种适用于拦截偏航船舶撞击的非通航孔桥墩的拦截网装置，对比AQWA数值模拟结果与试验结果，验证了拦截网工程设计的有效性。于文太^[8]在构建多浮筒悬链线静力学模型的基础上，通过使用Matlab-gui开发的计算软件分析了多浮筒悬链线系泊缆索姿态曲线的影响因素。王鑫^[9]采用物理模型试验方法，对系泊浮筒的运动响应和系泊缆的动力响应进行了研究，结果表明船舶正向撞击拦阻系统时运动和动力响应最明显。李鸿^[10]利用AQWA软件对不同海洋环境下的系泊多浮体系统进行全耦合时域分析，得到浮体的运动响应和缆绳受力情况，通过与现有试验结果对比验证了该全耦合时域分析方法的可行性。

本文基于之前对不同海洋环境下的系泊多浮体耦合系统进行的全时域耦合分析，在得到浮体的运动响应和缆绳受力情况的基础上，对该系泊浮筒链防撞系统进行船舶撞击作用下系统的运动响应和动力响应分析，与物理模型试验结果进行对比，所得结果验证了在撞击载荷下全耦合时域分析方法的可行性，可为系泊浮筒链拦阻系统的防撞、拦截性能分析提供进一步的参考依据。

1 系泊浮筒链防撞系统 1.1 系泊浮筒链拦阻系统模型

浮筒链系统采用张紧式多点系泊的方式，系泊缆绳分布在浮体的不同方向。浮筒直径4 m，长18 m，质量为80 kg，每个浮筒分布有4条系泊缆，浮筒间缆绳长5 m，浮筒链总长度为552 m，水深48 m，浮筒和缆绳的布置以及缆绳编号如图1所示。

1.2 拦阻系统缆绳参数

缆绳采用合成纤维，相比传统的钢缆和锚链具有刚度大、重量轻等优势。王鑫^[9]在物理模型试验中采用的缆绳受力变形曲线如图2所示，使用Origin软件将试验中的缆绳受力变形曲线拟合成下列函数：

$ y = 83.8{x^3} + 5251{x^2} + 90259.8x - 11701.8\text{。} $

(1)

2 船舶与浮筒链拦阻系统水动力模型的建立 2.1 船舶主要参数

以5 000 DWT船舶为例，主要参数见表1。

2.2 船舶与浮筒链拦阻系统水动力模型的建立

Workbench建立的船和浮筒链的水动力模型如图3所示。在船首和浮筒相撞的位置设置了挡泥板（Fender），挡泥板可以模拟2个结构之间的材料接触，否则结构就会在计算过程中相互贯穿。挡泥板的接触面定义在浮筒的表面上，附着点定义在船首位置，挡泥板设置为浮动类型，随着不同时刻船舶和浮筒撞击的不同位置，保证挡泥板可以一直跟随着接触面而移动。

3 船舶撞击作用下系泊多浮体耦合系统的运动响应和动力响应 3.1 船舶自由撞击作用下系泊多浮体耦合系统的运动响应

船舶自由撞击时的动力来源于波浪和水流等环境要素，并没有人工施加的外力，即在海面上不施加任何动力而呈现自由漂浮状态的船舶撞击浮体的情况。王鑫^[9]对船舶以不同角度撞击浮筒链做了大量的试验，发现正向撞击导致浮筒产生的最大横向位移远大于其他角度非正向撞击时的浮筒横向位移。

波浪环境选取了2种不同有义波高的波浪，分别为0.91 m的作业标准波浪和1.5 m的逃逸标准波浪，水流也选取了2种不同的流速，分别为0.6 m/s和1.2 m/s的作业水流环境，在4种不同的波浪和水流环境共同作用下，计算时间设置为400 s，船舶与浮筒呈90°的方向，即正向撞击时，浮筒链在船舶的自由撞击下会发生横向位移，浮筒链的运动响应如图4所示，浮筒运动的时间历程曲线如图5和图6所示。

船舶在缆绳绞车系统的牵引下，靠近防撞系统但未与防撞系统接触时，在水动力的作用下，浮筒表现为前后往复运动，当船舶与防撞系统接触时，与船首接触的浮筒向前运动，在船舶持续向前推进的同时，浮筒的横移量明显增大，参见图4。在拦截过程中随着缆绳张力的增大直到将船舶拦停，当缆绳的恢复平衡力大于船舶的冲击力时，浮筒受到缆绳张力的作用，浮筒恢复平衡位置的过程中，会使船舶向反方向运动，浮筒可以回到初始位置。通过比较图5（a）和图6（a）可知，在海流速度相同时，波浪的有义波高不同的2种海洋环境下，对船舶的运动速度影响比较小，所以船舶自由正向撞击浮筒链时，浮筒的最大横移量变化不大，图5（b）和图6（b）也可得出相同的结论。观察图5和图6可以看出，在波浪的有义波高相同时，船舶的运动速度随着海流速度的增大而变大，导致浮筒横移量的最大值变大。分析可知，在船舶自由撞击系泊浮筒链时，波浪对浮筒横移量的影响较小，而海流对浮筒横移量的影响比较大。

将不同环境载荷作用下的船舶自由撞击浮筒链时，浮筒最大横移量的模拟数据进行汇总，并与试验数据^[9]进行对比，见表2。

分析表2可知，船舶自由撞击浮筒链时，浮筒横向位移的全耦合时域分析最大值和最小值与模型试验的最大值和最小值较为接近，最大误差值为12.29%，这是由于物理试验中安装了21个浮筒，为节省计算时间，水动力模型只选取了中间位置的7个浮筒，通过增大端部系泊缆的长度代替减少的浮筒数量，从而使水动力模型和物理试验模型的跨度保持一致，导致数值计算的水动力模型稳定性降低造成的^[10]。上述结果可以较为准确地模拟出浮筒在船舶自由撞击作用下的横向位移，证明全耦合时域分析方法适用于模拟船舶自由撞击浮筒链的运动响应。

3.2 航行的船舶撞击作用下系统的运动响应

浮筒链系统拦截海上正常航行的船舶时，王鑫^[9]以5 000 DWT船舶为例，在静水环境中采用变频拖车的试验方法，使船舶保持一定的速度正向撞击浮筒链进行的试验。本文利用Workbench建立船和浮筒链的水动力模型，AQWA软件不能在船舶上施加初速度，所以采用缆索绞盘（Cable Winch）和一根缆绳牵引着船舶运动，定义缆绳达到一定的速度时断开，这样就可以使船舶达到一定的速度，依然采用挡泥板定义船首和浮筒之间的材料接触。

船舶在静水环境下，以一定的速度撞击浮筒时，拦阻浮筒链系统对船舶起到拦截作用，在船舶撞击浮筒之后，船舶和浮筒共同前进一段距离并将船舶拦停，浮筒链拦截船舶的过程如图7所示。

在Workbench中通过缆索绞盘使船舶以与物理试验^[9]中相同的4种运动速度撞击浮筒链，对多浮体系统进行全耦合时域分析，计算时间为150 s，浮筒横向运动时域曲线如图8所示。将航行的船舶正向撞击浮筒链时浮筒最大横移量的模拟数据进行汇总，并与试验数据^[9]进行对比，见表3。

由图8可以看出，随着船舶速度的增大，浮筒链将船舶拦停时浮筒的横移量也随之增大，浮筒链中间位置的浮筒凸起较大，在100 s左右将船舶拦停后浮筒横移量不再变化，但是在缆绳张力的作用下，浮筒会沿着船舶运动的反方向发生较小横移量，最后趋于稳定，这是由于缆绳的恢复平衡力大于船舶的冲击力，直到船舶和整个系统处于平衡状态。通过表3可以看出，模拟值比试验值稍大，当船舶以0.58 m/s的速度撞击浮筒链时，模拟值比试验值相差最大，达到0.28 m，但是浮筒横移量最大值的模拟值与试验值是比较接近的，最大误差为3.83%，误差较小。可以验证全耦合时域分析方法适用于模拟航行的船舶撞击浮筒链的运动响应。

3.3 航行的船舶撞击作用下系统的动力响应

得到浮筒链在以不同速度航行的船舶撞击作用下，浮筒最大横移量的数值模拟时程曲线后，本文又得到了拦阻系统动力响应的时程曲线，即在船舶以不同速度撞击浮筒链时，关键位置的7根缆绳张力的时程曲线，船舶以0.22 m/s的速度正向撞击浮筒时缆绳张力的时域曲线如图9所示。然后改变船舶的撞击速度计算另外3种撞击速度下缆绳张力，将数值模拟得到的缆绳张力的最大值与物理试验^[9]中缆绳张力的最大值进行对比，结果如表4所示。

从图8可以看出，在船舶向浮筒靠近的过程中，缆绳张力稳定在初张力状态，结合图8（a）在接近60 s处浮筒开始有较大的横移量时，缆绳张力也开始急剧增大，缆绳张力在增大的过程中并没有呈现出线性增长，这是因为单体浮筒在船舶的冲击作用下横向位移较大，但是缆绳系统作用在浮筒上的恢复平衡力以及浮筒间的相互耦合作用，会导致缆绳张力小幅度的减小。在100 s附近浮筒横移量不再增大时，缆绳张力也趋于稳定。由表4可知：浮筒间的连接缆绳和迎浪侧的系泊缆绳张力较大，背浪侧系泊缆绳张力非常小。

对比试验值和模拟值可以发现，模拟值普遍比试验值偏大，这是由前文所说水动力模型变短、稳定性降低引起的，整体误差值在合理范围内。通过总结可以得出，对于分析航行的船舶撞击浮筒链的动力响应这类问题，使用全耦合时域分析方法进行数值分析是适用的。

4 结　语

本文利用Workbench软件建立船舶撞击系泊浮筒链的水动力模型，采用全耦合时域分析方法对不同状态下船舶撞击多浮体耦合系统的运动响应和动力响应进行分析，并与现有物理模型进行对比，得到以下结论：

1）船舶自由撞击系泊浮筒链时，波浪对浮筒横移量的影响较小，而海流对浮筒横移量的影响比较大。在以不同航速撞击浮筒链时，随着船舶速度的增大，浮筒链将船舶拦停时浮筒的横移量也随之增大。

2）浮筒间的连接缆绳和迎浪侧的系泊缆绳张力较大，背浪侧系泊缆绳张力非常小。

3）通过全耦合时域分析结果与物理模型试验结果的对比，分析了影响数值模拟结果与物理模型试验结果产生误差的原因，验证了全耦合时域分析方法的正确性，并且确认了该方法在计算系泊多浮体耦合系统的运动和动力响应时，具有较好的精确度。