2026, Vol. 48
2022–2024年的近3年夏秋两季，中国沿海省份和世界海运贸易发达地区如墨西哥湾、东南亚各国经历了多次超强台风袭扰，其中不少受到厄尔尼诺和拉尼娜现象的影响。厄尔尼诺的形成和发展，以及拉尼娜的再次酝酿，会对全球气候产生深远影响，也意味着西太平洋沿岸、墨西哥湾的台风活动会愈发频繁。由于不同于传统三大主力船型，也不同于海洋工程，极地钻井船具有主尺度更大，上层建筑高等特点，同时外高桥船厂码头吃水较浅、遭遇台风的概率较高，为避免极地钻井船在台风载荷下发生缆绳破断与码头直接碰撞接触，因此开展极地钻井船研发码头系泊模型试验，设计科学可靠的系泊方案、并通过实物模型试验研究、评估系泊系统的安全性，对台风季节系泊码头的船舶安全性尤为重要。
根据三维势流理论，马小剑等[1]构建了船舶在码头系泊情况下，风浪流共同作用下的时域计算模型，重点关注分析系泊缆非线性变形因素的影响，相应给出泊位占位、横缆布置的优化建议。郭建廷[2]通过对码头系泊船舶的水动力耦合研究，分析了不同首尾缆和横缆布置方案的系泊效果，发现首尾系泊缆与码头轴线的夹角增大时，各缆绳受力分布更趋均衡。杨昆[3]针对外海开放式码头20万吨矿砂船，通过AQWA仿真分析不同风浪流耦合工况下的系泊安全性，探究船舶-码头系泊系统动力响应，为外海码头系泊设计提供理论依据。李小军等[4]通过15000TEU舾装船模型试验发现，台风条件下风浪对系缆力影响最大，加强系缆可优化受力分布并降低断缆风险，为船舶抗台系泊提供安全依据。曲昭宇[5]针对17万吨散货船双船并排系泊工况，通过AQWA软件分析双船水动力耦合特性，优化抗台风系泊方案，提出预抛锚加强措施，确保恶劣海况下中间船舶的系泊安全性，为码头多船系泊提供技术参考。Sreedevi等[6]通过实验和数值模拟分析过往船舶对系泊系统的影响，发现其可使缆绳张力增加40%，其中基于船长的弗劳德数影响最为显著。
相关学者对于船舶码头系泊方案的设计较少，且均局限于普通油轮、散货船等较矮上层建筑的船舶，对迎风面积超大、上层建筑较高的钻井作业船研究甚少。因此，本文选取系泊上海浦东港的极地钻井船，设计一种系泊方案开展码头系泊的模型系泊试验，得出在大风风速、强台风风速情况下，极地钻井船的运动状态响应和系泊缆绳的拉力变化，验证得出系泊方案的可行性，为上层建筑较高的船舶进行码头系泊布置提供参考。
1 坐标系定义及试验环境 1.1 坐标系定义因本次试验涉及到多个风向、流向组合作用，所以需要定义船舶模型系泊系统坐标系。如图1所示，X轴位于型宽中心线上指向船首，Y轴从码头指向船的左舷，Z轴沿型深方向垂直于水平面向上，风流环境载荷方向从船尾指向船首为0°，以逆时针方向为正。
|
图 1 坐标系定义 Fig. 1 Coordinate system definition |
本次试验选取上海外高桥造船有限公司长江口南港南岸3、4号停靠码头作为研究对象，极地钻井船作为研究船型，在江苏科技大学风浪流综合水池中进行物理模型试验。水池长27 m，宽13.5 m，最大水深1 m，水池的四周设置消浪层，来消除波浪二次反射影响。
1.2.1 试验设备及测量仪器1）风机及风速度仪
试验应用5台T35-11型8#低噪声轴流风机组成风机矩阵，通过驱动器控制柜系统控制形成稳定的风流场。采用Testo-416小叶轮风速仪标定风速，保证试验环境下的风速满足实际环境下风速缩尺后的要求。
2）流泵机及流速仪
造流系统采用4台7.5 kW双向轴流泵，通过造流水池变频控制系统调速，按照试验要求的流速形成稳定均匀的水流场。采用南京水利科学研究院研发的CSY02-8型测速仪标定流速，且精准测量出水池水体中多点处的水流流速。
3）拉力传感器及拉力分析仪器
试验中采用Forsentek拉力传感器测量缆绳受力情况，一共16个拉力传感器系连在试验船模系缆桩上。拉力分析仪采用东华测试生产的动态信号测试分析系统，计算处理每个拉力传感器动态受力情况并生成受力曲线图。
1.3 模型缩尺比确定根据《波浪模型试验规程》（JTJ/T 234-2001）[7]，模型与实体之间满足几何相似、弗劳德数相似及斯特劳哈尔数相似。综合考量水池场地和测量设备，本次模型的几何缩尺比取1︰40，保持实体与模型之间满足重力相似和惯性相似[8]，试验模型和实船之间各物理量的换算关系见表1。
|
表 1 模型与实体各种物理量之间的转换关系 Tab.1 The conversion relationships between various physical quantities of the model and the entity |
试验船模的几何形状按照实体船缩尺建模制作，使用压载模块进行压载，满足其吃水条件[9]，船舶模型主尺度及校准结果见表2。
|
|
表 2 试验船舶模型参数 Tab.2 Experimental ship model parameters |
极地钻井船靠泊上海外高桥造船有限公司长江口南港南岸码头通常有常规系缆和加强系缆2种系缆方案。系泊缆绳布置如图2所示，常规系泊采用6︰2︰2配置，其中首/尾缆6根，首/尾横缆2根，首/尾倒缆2根，共20根缆绳；加强系泊采用6︰4︰4配置，其中首/尾缆6根，首/尾横缆4根，首/尾倒缆4根，共28根缆绳。
|
图 2 系泊缆绳布置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of mooring cable arrangement |
全船系泊选用Ф60 mm超高分子聚乙烯缆绳，其最小破断载荷（MBL）为
上海外高桥造船有限公司的舾装码头上，采用鼓型橡胶护舷靠垫，规格型号为SC1000，每个护舷单元由2个橡胶单元和1个面板组成。
本次试验在码头模型边桁架一侧，按照1∶40缩尺比设计制作了试验所需的鼓型橡胶护舷，通过试验前的挤压和碰撞测试，满足试验设计的最大横风作用下挤压和碰撞强度要求，保证码头和船舷均不会发生结构变形或损伤。
1.4.4 码头模拟本次试验码头模型与实际相符，按照1∶40缩尺比采用钢架制作横梁、纵梁、桩体，采用木板制作码头平面，将实际上海外高桥造船有限公司长江口南港南岸3、4号停靠码头分为2个结构体组装制作。
1.5 试验环境模拟及工况介绍 1.5.1 试验环境模拟1）水位
上海外高桥造船有限公司停靠码头前沿潮位变动相比于极地钻井船干舷高度较小，本试验选择设计高水位，码头前沿实际水深为10 m，对应试验水深为0.25 m。
2）风
本次试验的对象极地钻井船，其上层建筑耸高，侧面的投影面积远大于前部，因此垂直于船舶侧面方向的横风会产生更大的力。此外离岸风（从陆地吹向海洋）会增加系泊力，向岸风（从海向陆地吹）会增加护舷的反作用力和变形，且台风过境时风向变幻莫测，所以本次试验为更全面地验证系泊方案可靠性，工况每隔45°设置1个风向，最大风速设为台风风况（30.87 m/s，缩尺后的试验风速为4.88 m/s）。
3）流
实测上海外高桥造船有限公司长江口南港南岸停靠码头当地水流流速，分为流向与船舶纵轴夹角为0°和180°时，水流流速为1.54 m/s；流向与船舶纵轴夹角为10°和170°时，水流流速为1.03 m/s；流向与船舶纵轴夹角为90°时，水流流速为0.39 m/s[10]。
1.5.2 试验工况介绍本次试验根据5个流方向（即0°、−10°、−90°、−170°、−180°）对应8个风方向（即0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°），在不同流速、不同风速情况下设计对应试验工况进行对比分析，如图3所示。
|
图 3 5个流方向对应8个风方向设计的工况图 Fig. 3 Working condition diagram designed for 5 flow directions corresponding to 8 wind directions |
通过逐个分析极地钻井船在强台风工况中，风、浪、流联合作用下的六自由度运动量和系缆力的响应。本节展示此次试验得出风速、流速影响下，不同风力角度、流力角度的工况试验结果，系泊船舶运动量和系缆力试验结果如表3所示。
|
|
表 3 极地钻井船码头系泊试验时域分析结果 Tab.3 Time-domain analysis results of mooring tests for polar drilling ships at the dock. |
图4为系泊船体受从18～42 m/s线性增加的风速作用下船体横摇、横荡的幅值变化特性，以及在0°、45°、90°、135°、180°这5种入射角度风向下，船舶纵摇、纵荡、艏摇、垂荡自由度方向上运动响应的幅值的变化特性。结合表3分析可得，受该船较高上层建筑的影响，系泊系统总体受风面远大于普通作业船，在六自由度方向上运动响应受风向、风速变化影响显著，具体影响有：1）横摇方向上，船舶受90°横向离岸风伴随90°方向离岸流产生的运动响应线性增大，如图4(a)所示，且运动幅度远大于其他风向作用结果；2）45°和135°风向作用下的船舶纵摇、横摇运动幅度较为稳定，但伴随反复波动的艏摇，体现为间歇性骤然往复的艏摇运动；3）与其他低上层建筑船舶系泊不同，该极地钻井船受0°、180°风向伴随同方向流速作用于船首、船尾时，因上层建筑在船长方向上的投影面不对称，如图4(b)所示，所以受伯努利效应的影响，船舶系泊时会表现出较大幅度的横荡，当风速从8级风（18 m/s）增加到14级风（42 m/s）时，横荡增加了267%；4）在0°、180°方向上该船受相反的流力、风力耦合作用时，对船舶垂荡、纵摇、纵荡自由度上的运动响应影响较显著。
|
图 4 典型风向下船舶6个自由度运动幅度随风速变化曲线 Fig. 4 Curves of the motion amplitude of a ship in six degrees of freedom changing with wind speed under typical wind directions |
由表3分析可得，在0°、45°、90°、135°、180°这5种入射角度风向下，缆绳缆力随着风向与缆绳绷紧形成的夹角变化影响显著，且不同位置的缆绳所受缆力随风速线性增加而产生的变化差异明显，具体影响结果为：1）首/尾缆和横缆的缆力随风速增大而线性增大，且风向与缆绳绷紧时的夹角越小，缆绳所受张力越大；2）横缆在船舶的横荡、横摇运动自由度较大时，所受缆力与舷侧的倒缆相比相差较大，对横向运动限制的效率不高；3）需要着重关注该极地钻井船船舷位置的倒缆，其所受缆力对风速变化不敏感，始终保持在较大张力范围内缓慢增大，尤其在风向90°的离岸风作用下，大风系泊方案下4条倒缆的缆力值达到所有试验工况下的最大值，为系泊状态下缆绳受力最危险的工况，但根据试验得到的所有系泊缆张力计算得出的安全系数（破断载荷/试验测得的系泊力）均不小于1.75，符合BV船级社规范NR493中的衡准要求[11 - 12]及目标“极地钻井船研发码头系泊模型试验”要求。
2.2 流载荷影响 2.2.1 不同入射角度流向、流速对系泊运动响应的影响图5为0°、10°、90°、170°、180°这5种入射角度流向下，船舶6个自由度方向上运动响应的幅值随着流速的变化特性，并与单独风力作用下的系泊船舶运动量进行对比分析探讨流速对风、流的耦合作用；因台风期间港口内波浪多为风吹浪，且浪高在1.5 m左右，故利用造波机辅助风机形成1∶40缩尺后的0.037 5 m高波浪作用于船体，以不同入射角度下船舶六自由度运动幅随流速变化曲线如图5可知，流速对各个入射角度下船舶六自由度方向上的运动量影响较大，具体呈现为：1）在纵荡方向上，船舶运动响应随着流向与风向的夹角减小而明显增大，各个入射流角度下船舶运动响应与风力单独作用时相比随流速的增加呈现出反复波动现象。2）在横荡方向上，在各个入射角度下船舶运动响应与风力单独作用时相比增加，增幅为显著地线性增加。当流速小于0.5 m/s时，在垂荡自由度方向上的船舶运动量与无流速相比增加，但是随着流速的增加船舶运动量呈现出减小趋势。3)在横摇方向上，当流速小于1.06 m/s时各个入射角度下的船舶运动量随流速的变化不是很明显；当流速大于1.06 m/s时在入射角为90°时船舶运动量与无流时相比减小，但随着流速的增加呈现出增加的趋势，在其他入射角度下船舶运动量也随流速的增加而增加。4）在纵摇自由度方向上，当入射角度为90°时在流速小于1.06 m/s时船舶运动量与无流时的差别不大，当流速大于1.06 m/s时船舶运动量随着流速的增加而加快增大，其船舶运动量的最大值为4.96°，最大值所对应的风向入射角度为0°、流向入射角度为180°，对应的流速为1.54 m/s；在艏摇自由度方向上，当入射角度为0°、90°、180°时，船舶运动量与无流时相比变化不大，其船舶运动量的最大值为11.91°，最大值所对应的风向、流向入射角度为135°、对应的流速为1.54 m/s。
|
图 5 不同入射角度下船舶6个自由度运动量最大值随流速变化曲线 Fig. 5 Curves of the maximum motion amplitude of a ship in six degrees of freedom varying with flow velocity under different incident angles |
因码头位于长江口南岸，根据实际测得的江流流向而设计0°、−10°、−90°、−170°、−180°共5种流向，保持90°风向不变。分析数据可得：1）流向的改变对船舶缆绳张紧力存在显著影响，当流向为0°时，在同向风伴随作用下，系泊缆为限制船舶X轴正方向运动，尾部缆绳所受张力明显大于其他流向作用的结果，当风流向为−180°时，因流线型船首可分散水流对系泊船体的作用力，首部缆绳所受张力相比无流作用变化不大；2）当流向为−10°、−90°、−170°时，受水面以上离岸风和水面以下向岸流的剪切作用力影响，试验船舶舷侧的横缆与倒缆的受力均呈现先增加后减小的趋势。当风向90°，流向−90°时，系缆系统整体所受Y方向上的横向张力最大，最大张力为
根据极地钻井船主尺度参数和型线图，建立极地钻井船水动力性能计算的面元模型。将其导入Ansys-Aqwa时域分析模块，按照试验设计的系泊方案设置系泊点和缆桩位置，为便于观察系泊布置，隐去码头后的数值仿真计算模型。
从时域计算分析结果表4来看，42 m/s台风环境下，极地钻井船系泊期间的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡5个自由度运动计算结果及规律与上文第二章呈现的试验结果非常相近，误差在3%以内，验证了试验结果的准确性。由于试验缩尺效应的影响，试验水池较为封闭，易产生池壁对波浪、水流的反射，另外垂荡作于于船底水的力经池底反弹又反作用于船底，导致试验得出的船舶垂荡结果总体上略微大于数值仿真计算得出的垂荡运动幅度，同时最大缆力受垂荡影响，也略微大于数值仿真计算得出的力，垂荡和缆力对比误差均在4%以内，但分析BV船级社规范NR493中的衡准要求，试验垂荡运动幅度和最大缆力结果稍大于数值仿真计算结果不影响对整个系泊系统安全性的评判，试验系泊方案仍满足安全系泊要求。
|
|
表 4 极地钻井船码头系泊数值仿真时域分析结果 Tab.4 Numerical simulation time-domain analysis results of mooring tests for polar drilling ships at the dock |
后续要在试验水池池壁安装海绵网等滤波装置，减少产生的波浪反射；在池底铺设泥沙高度模拟码头水下环境，同时吸散船体垂荡时船底对水的作用力，防止其经池底反射再作用于船底。
4 系缆方式优化影响如图6、图7可知，在常规系泊方案中，系泊系统的横荡、横摇、艏摇运动幅度较大，需要通过加强系泊来进一步保持系泊系统的稳定可靠性，通过对加强系泊方案的试验结果分析可知：1）通过在船舷增加2组首/尾倒缆、2组首/尾横缆，90°横风、流作用下系泊系统横摇减小了29%，横荡减少了32%，艏摇减小了36%；2）通过增加船舷侧的横缆、倒缆布置，90°横风伴随−90°横流的危险工况下，船舷侧的常规系缆绳缆力明显减小，但船首、船尾的缆绳系缆力有所增大，系泊系统整体的缆力差减小21%，缆绳系缆的安全性得到改善。
|
图 6 系缆优化前后的典型横摇、横摇、艏摇运动响应对比图 Fig. 6 Comparison chart of typical heave, pitch, and roll motion responses before and after mooring optimization |
|
图 7 90°横风工况下系缆优化前后的缆绳缆力对比图 Fig. 7 Comparison chart of cable forces before and after mooring optimization under 90° crosswind conditions |
1）风速、流速的影响主要体现在水平面内90°离岸风、流作用下的横向运动，如横摇、横荡和艏摇方面，其中艏摇运动受风速增大的影响最显著，通过增设舷侧倒缆可有效减小艏摇幅度。
2）风向、流向由0°增至180°的整个过程中，由于受到尾流作用，船舶横缆和倒缆的缆力会持续保持在较大峰值范围内波动，在风、流向增至约90°时达到最大值，在实际工程中需及时增设横缆来减小整体缆力并减小横流流速，如将船系泊到导流堤、防波堤或其他大型固定结构物的下游方向，利用这些结构物形成的“水流阴影区”显著减小流速，或调整船舶使其船首或船尾迎着主流方向，尽量减少船身与水流的角度。
3）采用加强系缆能够将船舶横荡降低10%、最大系缆力降低35%，同时能够使得各位置缆绳的缆力分配更均匀，减小缆绳断裂的风险。对于因持续同向风、流作用下存在断裂风险的缆绳，建议在其附近布置额外缆绳以分担其受力。
4）船舶在大于26 m/s的10级风作用下时，建议及时采用加强系泊方案来减小船舶运动幅度和系泊缆绳的整体缆力差，避免舷侧倒缆、横缆在长时间较大张力聚集作用下导致疲劳破断。
| [1] |
马小剑, 孙昭晨, 张志明, 等. 风流作用下码头系泊船舶缆绳张力及运动量研究[J]. 水道港口, 2010, 31(3): 164-169. MA X J, SUN Z C, ZHANG Z M, et al. Research on mooring line tension and motion of berthing ship under wind and current[J]. Journal of Waterways and Harbors, 2010, 31(3): 164-169. DOI:10.3969/j.issn.1005-8443.2010.03.003 |
| [2] |
郭建廷. 船舶码头系泊形式及水动力性能分析[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2016.
|
| [3] |
杨昆. 风浪流耦合作用下的系泊船舶与码头动力学分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2023.
|
| [4] |
李小军, 闻鸣, 诸云鹏, 等. 超大型船舶码头舾装作业抗台系泊模型试验研究[J/OL]. 海洋工程, 2025: 1−13. LI X J, WEN M, ZHU Y P, et al. Model test study on typhoon-resistant mooring for outfitting operations of Ultra-large vessels at wharves[J/OL]. Ocean Engineering, 2025: 1−13. |
| [5] |
曲昭宇. 大型船舶码头双船系泊水动力分析及系泊方案设计研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2018.
|
| [6] |
SREEDEVI R, NALLAYARASU C S. Investigation on ship mooring forces including passing ship effects validated by experiments[J]. Ocean Engineering, 2023, 283: 115004. DOI:10.1016/j.oceaneng.2023.115004 |
| [7] |
波浪模型试验规程: JTJ/T 234-2001[S]. CSIC-JT, 2001-12-25.
|
| [8] |
张万威, 王晟, 王静, 等. 大型原油码头船舶系泊试验研究[J]. 水道港口, 2021, 42(6): 739-745. ZHANG W W, WANG S, WANG J, et al. Experimental study on ship mooring at large crude oil terminals[J]. Journal of Waterways and Harbors, 2021, 42(6): 739-745. DOI:10.3969/j.issn.1005-8443.2021.06.007 |
| [9] |
袁培银, 刘添宇, 赵宇. 多工况联合作用下大型集装箱船码头系泊试验研究[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(1): 47-50. YUAN P Y, LIU T Y, ZHAO Y. Experimental study on mooring of large container ships at wharf under combined multi-condition operations[J]. Ship Science and Technology, 2020, 42(1): 47-50. |
| [10] |
赵笑辉. 基于AQWA的大型矿砂船舶码头系泊特性及稳泊安全研究[D]. 厦门: 集美大学, 2022.
|
| [11] |
徐航, 沈侃敏, 芮圣洁. 漂浮式海上风电场共享系泊系统研究综述[J]. 船舶工程, 2024, 46(4): 142-152. XU H, SHEN K M, RUI S J. A Review on shared mooring systems for floating offshore wind farms[J]. Ship Engineering, 2024, 46(4): 142-152. DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2024.04.19 |
| [12] |
王花梅, 李明兵, 路宽, 等. 风浪流耦合作用下锚泊式海上试验平台的水动力特性试验[J]. 船舶工程, 2024, 46(8): 138-147+157. WANG H M, LI M B, LU K, et al. Experimental study on hydrodynamic characteristics of a moored offshore test platform under combined wind-wave-current conditions[J]. Ship Engineering, 2024, 46(8): 138-147+157. |