基于AQWA的大型游船码头系泊水动力性能分析
雷林+刘添宇+袁培银+刘俊良
摘 要：随着世界经济的不断发展，航行船舶增加，大型船舶码头系泊的安全性越来越受到人们关注。本文基于三维势流理论，运用ANSYS软件AQWA模块，对码头系泊时大型游船进行频域分析和时域分析，得到一系列参数和运动规律。研究结果和研究方法可为同类船舶码头系泊提供参考。
关键词：AQWA；码头系泊；频域分析；时域分析
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章編号：1006—7973（2017）05-0041-04
随着世界经济的不断发展，人们收入的不断增加，海上旅游业不断兴旺，旅游船队的规模不断地增大，内河与海上的旅游观光人数越来越多，乃至到现在，海上旅游已经成为了欧洲以及亚洲人的一种时尚。在豪华游轮发展的同时，其系泊系统在安全中占据了比较重要的一部分，豪华游轮的系泊系统是船舶停靠和港口设计需要考虑的重要问题之一。国内对于船舶码头系泊的研究相对较晚，始于20世纪年代90后期，主要采用了物理模型试验、数值模拟的方法对影响船舶系缆力的海洋动力因素、船舶因素进行了相关研究。
本文应用多体水动力学软件 AQWA，针对码头与大型游船组成的靠帮系泊系统，基于三维势流理论，在考虑船和码头间水动力相互作用的情况下，计算靠帮系泊时船舶所受到的波浪载荷，并与不考虑船和码头水动力相互作用的计算结果进行对比分析。
1 计算流程及理论基础
本文采用ANSYS中的AQWA模块进行计算，首先通过ANSYS软件进行建模，然后生成DAT文件，导入AQWA中进行水动力分析。
2 大型游船码头系泊系统模型
2.1 大型游船主尺度参数
码头系泊游船的主尺度参数如表1所示。码头的主尺度参数如表2所示。根据游船船型值建立船体和码头面域模型并划分网格，船舶及码头示意图如图1所示。
2.2 码头系泊缆及护舷布置
本文研究的对象游船码头系泊共有8根系缆绳，其中船艏缆和船尾缆各两根，船中横缆四根交叉进行系泊。
护舷采用漂浮型橡胶护舷，设计反力1872kN 最大反力1992kN。缆绳和护舷布置形式如图2所示。
2.3 环境载荷
表3给出了游船在系泊时主要环境参数，包括风浪流的具体参数。
3 大型游船的水动力性能分析
3.1 频域分析结果
此次频域计算分析给出了船舶在单独停靠下和在码头停靠下两种工况下的六自由度的RAO（幅值响应算子）。
由以上图像分析可以看出，船舶的运动周期为26s，码头对船舶六自由度上的RAOS影响是不一样的。可以得出以下结论：
（1）由图3和图5可见，在纵荡、垂荡方面，单独船舶运动随着时间增加一直呈上升趋势，到了30s时，分别有最大的幅值3.0和0.8，加入了码头之后，也是呈上升趋势，最大幅值分别为为6.0和1.4，可见码头对船舶的纵荡和垂荡运动的RAO起到了一定的增幅作用。
（2）由图4可见，在横荡方面，单独船舶横荡随时间增加一直成上升趋势，加入了码头之后，也呈上升趋势，可见码头可以减小横荡下船舶的运动的RAO。
（3）由图6和图8可见，在横摇、艏摇方面，单独船舶运动随着时间增加出现上下波动，加入了码头之后，运动趋势大体不变，但从运动幅值可以看出码头能减小船舶横摇和艏摇下的运动的RAO。
（4）由图7可见，在纵摇方面，单独船舶横摇随时间增加出现先增加后下降的趋势，加入码头之后，运动趋势大体不变，但是从运动幅值可以看出码头对船舶的纵摇运动的RAO有一定的增幅作用。
3.2 时域分析结果
3.2.1 六自由度运动响应
AQWA-DRIFT模块模拟计算在给定的环境载荷下码头系泊系统3个小时（步长0.2s，共54000步）的运动情况。最终得到码头系泊下船舶的总体运动响应，系泊缆张力和护舷压力的时历变化曲线。
由以上图像可得出以下结论：
（1）由图9可以看出，在风浪流载荷下，船舶在三个方向上的运动频率差别较大，其中垂向上运动频率最大，但是运动幅值最小，最大变化幅值为0.1m；横向上由于受到缆绳和护舷的作用最大，运动频率最小，运动周期最大，运动幅值也相对比较大，最大变化幅值为2m；而纵向方向上，受到缆绳和护舷的作用相对比横向方向小，所以运动频率和运动幅值相对居中，最大运动幅值为0.8m。
（2）由图10可以看出，在风浪流载荷下，横摇运动频率最大，运动幅值最小，最大变化幅值为0.3度；艏摇运动频率最小，运动幅值最大，最大变化幅值为2.5度；纵摇运动频率也比较大，相对横摇较小，相对艏摇较小，运动幅值也比较居中，最大变化幅值为0.7度。
3.2.2 系缆张力
图11到图13给出了8根系泊缆随时间变化曲线。由图像可以看出，所有的缆绳运动频率大致相同。其中3号缆绳到6号缆绳张力相对较大，8号缆绳张力较小，1号缆绳和2号缆绳张力比较接近，5号缆绳极值最大，为39.22KN，8号缆绳极值最小26.3KN。
3.2.3 护舷压力
图14到图16给出了风浪流载荷下码头护舷压力的变化情况。由图可以看出，首尾两端的护舷所承受的压力最大。这是因为从前面船舶的运动响应可以看出，船舶艏摇的运动最为剧烈，最大达到了2.5度，导致船舶首尾两端所承受的压力最大。所以在首尾两端护舷应采取相关有效保护措施。
4 结语
本文以某大型游船为例，应用多体水动力软件AQWA，模拟船舶在码头系泊情况，分别从频域和时域两个方面对船舶水动力特性进行分析，得到各频域时域曲线图，从中得出以下结论：
（1）在频域中，码头能对船舶的纵荡，垂荡，纵摇运动起到一定的增幅作用，能减小船舶在横荡，横摇，艏摇下的运动。
（2）在时域中，船舶在风浪流联合作用下，始终在垂向方向上的运动频率最大，运动幅值最小；在横向上运动频率最小，运动幅值最大；在纵向上运动频率和运动幅值相对与横向和垂向处于居中的地位。
（3）系泊缆张力方面，由于首尾缆长度较长，拉力比中间横缆的拉力大，拉力最大是5号缆绳，最小是8号缆绳。
（4）护舷压力方面，由于艏摇较为剧烈，所以首尾部承受撞击载荷最大，护舷压力也就最大。
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基金项目：
重庆市社会民生科技创新专项资助项目（CSTC2015shmszx30021）
重庆市社会民生科技创新专项资助项目（CSTC2015shmszx30011）
重庆市教委科学技术研究项目（KJ1600536）
