| 标题 | 船舶操纵模拟器在船舶系泊安全中的应用探讨 |
| 范文 | 唐成港+许鹏+刘敬贤+严庆新 摘 要：随着计算机技术的不断发展，船舶运动仿真技术日趋成熟，船舶操纵模拟器在船舶安全研究领域的应用也越来越广泛。本文将船舶操纵模拟器引入到船舶系泊安全研究中，首先对船舶系泊安全影响因素进行了梳理，并对其作用机理进行了分析；然后运用船舶操纵模拟器对船舶系泊状态下的三维视景、船舶运动模型进行建模，对船舶系泊时的泊稳安全进行了仿真研究。最后通过一个实例验证了船舶操纵模拟器解决系泊船舶泊稳问题的可行性。本文一方面为船舶系泊安全研究提供了一种新思路，另一方面也可为码头船舶安全系泊提供一定技术支撑。 关键词：船舶操纵模拟器；系泊安全影响因素；船舶运动模型；泊稳安全 中图分类号：U675 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）08-0031-02 随着船舶大型化的发展，码头建造等级越来越大，靠泊船型也呈现出大型化的趋势，而大型船舶的系泊安全问题也日益突出，船舶系泊时断缆事故时有发生，给港口企业运营、船舶安全带来巨大损失。目前，针对船舶系泊安全的研究方法主要有物理模型试验和理论受力计算两种，物理模型试验由于限于缩尺船模尺度的影响精度受到了一定影响，而理论受力分析往往计算的是静态状态下的系缆受力，没有综合考虑风、浪、流等因素综合条件的泊稳情况。近年来，随着计算机技术的不断发展，船舶运动仿真技术也日趋成熟，其中应用最为广泛的是船舶操纵模拟器，其在港口码头建设、航道设计、桥梁建设、工程改造等方面的应用得到了国内外同行的一致认可。 1 船舶系泊安全影响因素 1.1 风 风是影响船舶泊稳状态的重要因素之一，其作用力的计算目前采用的主要是《港口工程荷载规范》、《OCIMF Mooring Equipment Guidelines（Third Edition）》和《Unified Facilities Criteria Design： Moorings》中提供的方法。上述三种方法在计算恒定风力或静态缆绳受力方面还比较准确，但在风、浪、流条件比较复杂的开敞式码头，其船舶荷载精度会大大降低。 1.2 波（涌）浪 波浪对船舶系泊安全的影响主要体现在波浪和涌浪两个方面，根据国际航运协会（PIANC）的统计数据表明，对船舶系泊安全影响最大的因素是涌浪，特别是长周期的涌浪。涌浪不仅影响船舶的横摇，而且对船舶的垂荡影响较大、。不同波高、波浪周期条件下，船舶各位置缆绳受力随波高增大而增大，随波浪周期增大而增大。 1.3 流 流速的大小和方向也是影响系泊船舶泊稳状态的重要因素。根据船舶系泊经验，水流流向与码头轴线间的夹角越大，流压越大；而流压中心越靠近船舯位置，对系泊船舶越不利。 2 船舶系泊安全仿真试验 2.1 系泊安全仿真试验程序 2.1.1 系泊安全仿真模型构建 运用船舶操纵模拟器进行系泊安全仿真试验时的模型构建主要包括三大部分：电子海图的创建、视景模型的构建和试验船型的六自由度船舶数学模型的构建。其中，电子海图的创建是根据现有码头、航道等通航要素资料和工程设计相关资料后，分别将其数字化，对不同投影方式生成的数字化海图数据进行整理、变换，形成符合本模拟试验要求的数字化平面海图。视景模型的构建是在采集工程水域视景资料的基础上，用3D Max或AutoCAD等主流建模工具进行三维模型建立及优化，然后将纹理材质图片进行渲染，生成真实感很强的三维模型，最后进行数据结构优化，地理地形细节层次处理和导入到船舶操纵模拟器进行调试等。船舶數学模型的构建是运用船舶操纵模拟器自带的建模软件对试验船舶进行建模，建立符合实际环境的三维视景系统及具有六自由度的特征船舶数学模型。 2.1.2 工况设置 船舶系泊安全试验的工况设置主要包括：载况、带缆方式、靠泊方式、缆绳特性、船舶出缆孔位置、码头系缆设施分布、风浪（涌）流条件等。上述这些条件均可以在试验开始前或建模过程中设置妥当，每一组试验反映的是一种工况条件下的泊稳情况，而泊稳条件具体是体现在缆绳受力上，如果缆绳受力在瞬间达到其破断力，那么缆绳就会绷断，从而引发系泊断缆事故。试验过程中一旦发生断缆，试验立即终止，并分析其缆绳受力数据，得出试验结论。 2.2 实例验证 2.2.1 工程概况 本文选用烟台西港30万吨级原油码头作为实例验证，烟台西港30万吨级原油码头采用“蝶形”离岸设置，泊位长度470m，前沿水域宽度120m，方位130°～310°，码头前沿底高程-25.0m。码头设置6座圆形系缆墩及4座圆形靠船墩，其中1#，6#艏艉缆墩设快速脱缆钩1500kN（4钩）各1套，2#～5#横缆墩设快速脱缆钩1500kN（3钩）各1套。靠船墩兼倒缆墩，每座靠船墩上设快速脱缆钩1000kN（双钩）1套。试验船型为30万吨级油船，船长334m，船宽60.0m，型深31.2m，满载吃水22.5m，码头平面布置如图1所示。 2.2.2 泊稳试验方法 试验初始，使用拖轮将试验船舶顶靠在泊位上，然后分别带好缆绳，并用缆车绞紧，带到缆桩上，缆绳上桩受力10t左右，然后撤走拖轮，并将风浪流等自然条件逐渐加强至试验工况，在加强过程中适当合理调整缆绳状态，并记录缆绳受力状态。 2.2.3 试验工况设置及试验结果 在每一种工况试验过程中，船舶操纵模拟器均可以计算出20根缆绳的受力大小。由试验结果来看，30万吨级油轮在压载、NE风9级、浪高3.5m，涌高3.0m，涌浪周期7s，模拟实测流速的情况下，船舶横缆受力较大，并在上述工况条件下船艏部横缆发生了断缆。将此结果与船舶系靠泊试验（物模试验）进行了对比，结果发现，30万吨级油船在压载，涨潮流，横浪，风速23.0m/s（9级）工况下，艏横缆（2根）受力也最大，为1587kN，单根缆绳受力793.5kN，也发生了断缆（物模试验单根缆绳破断力81t）。本文提出的运用船舶运动仿真模拟的方法计算的船舶系泊缆绳受力结果与船舶系缆物模试验具有较好的一致性。 3 结论 （1）在船舶系泊安全研究方面引入船舶操纵模拟器进行了探讨，结果显示，船舶操纵模拟器在分析计算船舶系泊缆绳受力方面与船舶系缆物模试验具有很好的一致性，且在工况设置、系缆方案优化配置、成本控制等方面体现出优越性。 （2）外界自然环境条件（风、浪、流等）的变化是影响船舶系泊安全的主要因素，特别是对于开敞式码头，波（涌）浪高度、波（涌）浪周期对泊稳的影响尤为明显，在实际生产过程中，应尽量避免船舶固有横摇周期接近波（涌）浪周期，从而使船舶偏离横摇谐振区，改善泊稳条件。 （3）本文提供了一种研究船舶系泊安全的新思路，运用船舶操纵模拟器研究系泊船舶在不同工况条件下的泊稳状况可以为码头实际运营的系缆管理提供参考，也可以为确定码头泊位的抗风浪等级提供技术支撑。 参考文献： [1]李焱，王智勇，郑宝友. 大型开敞式原油码头船舶作业和系泊安全条件试验研究[J]. 水道港口，2015，03：185-190. [2]胡毅，胡紫剑，刘元丹，刘敬喜. 基于AQWA的大型LNG船码头系泊分析[J]. 舰船科学技术，2012，02：70-73+110. [3]Rosa-Santos P， Taveira-Pinto F， Veloso-Gomes F. Experimental evaluation of the tension mooring effect on the response of moored ships[J]. Coastal Engineering， 2014， 85： 60-71. [4]Chen L， Yan X， Huang L， et al. A systematic simulation methodology for LNG ship operations in port waters： a case study in MeizhouBay[J]. Journal of Marine Engineering & Technology， 2017： 1-21. [5]李越. 长周期波浪对船舶系泊稳定影响的研究[D].大连理工大学，2013. |
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