董航，張寧川，孫振祥，宋悅，潘文博，周卓煒，李超，田永進(jìn)

（大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）

船舶在固定護(hù)舷約束下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)

董航，張寧川，孫振祥，宋悅，潘文博，周卓煒，李超，田永進(jìn)

（大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）

邊際油田開發(fā)過程中，有時(shí)將儲(chǔ)（運(yùn)）船舶?？吭趯?dǎo)管架平臺(tái)內(nèi)，在導(dǎo)管架上布置橫、縱護(hù)舷以約束儲(chǔ)運(yùn)船舶。采用物理模型試驗(yàn)方法，研究了隨機(jī)波浪作用下，船體在固定護(hù)舷約束下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)問題。試驗(yàn)結(jié)果表明：原型3000t級(jí)儲(chǔ)運(yùn)船舶，當(dāng)船側(cè)與橫向護(hù)舷間隙為500 mm、縱向護(hù)舷間隙為零時(shí)，船舶各運(yùn)動(dòng)分量較為自由，未見甲板上浪情況。單個(gè)橫向護(hù)舷最大吸收能量為1465kJ，縱向護(hù)舷最大吸收能量為745 kJ。隨著船側(cè)與護(hù)舷間隙減小，船舶各運(yùn)動(dòng)分量運(yùn)動(dòng)受到限制，不同程度的出現(xiàn)甲板上浪現(xiàn)象，護(hù)舷吸收能量相比于間隙為500 mm情況有所減小。當(dāng)考慮船舶運(yùn)動(dòng)及甲板上浪時(shí)，船體與護(hù)舷間應(yīng)適當(dāng)留有間隙；當(dāng)考慮護(hù)舷及船體碰撞安全時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小間隙。

隨機(jī)波浪；儲(chǔ)運(yùn)船；護(hù)舷約束；動(dòng)力響應(yīng)；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

邊際油田開發(fā)追求開發(fā)成本的最低化。采用船舶存儲(chǔ)運(yùn)輸一體化被認(rèn)為是一種可行的儲(chǔ)運(yùn)方案。該方案中，將儲(chǔ)運(yùn)船舶?？吭趯?dǎo)管架內(nèi)，通過固定在導(dǎo)管架上的護(hù)舷對(duì)其約束（省略系泊纜繩，參見圖1）。為了保證儲(chǔ)運(yùn)船舶及導(dǎo)管架的安全，掌握該約束條件下，波浪作用時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)護(hù)舷的作用大小是必要的。該問題理論上可歸結(jié)為多點(diǎn)非線性約束條件下船舶的動(dòng)力響應(yīng)問題。此類問題的研究多限于船舶在多根纜繩約束下的動(dòng)力響應(yīng)，而護(hù)舷約束條件下，船舶除受隨機(jī)波浪作用外，還將受到橫、縱護(hù)舷的雙向反力作用；同時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)形態(tài)還將受到船舶與護(hù)舷之間的間隙影響。

影響船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的重要因素包括船舶自身因素（如橫搖阻尼、載重、舭龍骨設(shè)置等）、環(huán)境動(dòng)力因素（如波浪、水流、風(fēng)等）、系泊方式等幾個(gè)方面。波浪作用下纜繩系泊船舶的動(dòng)力響應(yīng)問題研究幾乎涉獵了上述的各個(gè)方面，成果也較為豐富。如Park等［1］Yuck等［2］從橫搖阻尼的角度、秦耀良等［3］就不同載重情況及舭龍骨的影響問題、楊旭等［4-8］對(duì)不同類型的船舶、楊建民等［9-14］就不同動(dòng)力環(huán)境下船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行的研究工作。但迄今為止，船舶在固定護(hù)舷約束條件下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)問題研究尚未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)。鑒于問題的特殊性和復(fù)雜性，采用物理模型試驗(yàn)方法是解決該問題的有效的現(xiàn)實(shí)途徑。

本文以中國海洋石油工程公司某實(shí)際工程背景為依托，采用物理模型試驗(yàn)方法，研究了隨機(jī)波浪作用下，儲(chǔ)運(yùn)船舶在固定護(hù)舷約束下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)問題。試驗(yàn)測量船舶的運(yùn)動(dòng)量、護(hù)舷壓縮（變位）量及護(hù)舷反力，通過計(jì)算得到護(hù)舷吸收能量，從而分析護(hù)舷與船體間隙變化對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)的影響；并從船舶運(yùn)動(dòng)和護(hù)舷吸收能量雙重角度討論了護(hù)舷與船體間的合理間隙問題。研究結(jié)果為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

圖1 儲(chǔ)運(yùn)船舶在導(dǎo)管架中的護(hù)舷約束示意圖Fig.1Sketch of storage vessel with fender constraints in the jacket

1 試驗(yàn)設(shè)備及測量儀器

1.1 試驗(yàn)設(shè)備（水池及造波系統(tǒng)）

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室港口與近海工程研究所波流多功能綜合實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行。波流多功能綜合實(shí)驗(yàn)水池長55 m、寬34 m、深1.5 m。水池前端配備總長28 m（70塊造波板）的液壓式多向不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)。水池的兩側(cè)安裝有網(wǎng)箱式消能設(shè)備，有效減弱邊界效應(yīng)。水池尾部安裝有架空斜坡式消能尼龍網(wǎng)，側(cè)面布置消能網(wǎng)箱邊界，以盡量避免波浪的反射所帶來的誤差。造波設(shè)備如圖2。

1.2 測量儀器

波浪測量采用北京水科院研制生產(chǎn)的DS30型浪高測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同步測量多點(diǎn)波面過程并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，單點(diǎn)采樣時(shí)間最小間隔為0.0015s（可根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置）；浪高傳感器標(biāo)定線性度大于0.999。測量精度可達(dá)mm級(jí)。

船舶運(yùn)動(dòng)量的測量采用水利部交通運(yùn)輸部國家能源局和南京水利科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的FL?NH08K漂浮體六分量運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采樣頻率可于0.2～120 Hz內(nèi)設(shè)定，位移量絕對(duì)誤差≤1 mm，角量絕對(duì)誤差≤0.4°。

護(hù)舷反力、變位測量采用天津港灣研究院生產(chǎn)的NLS型護(hù)舷反力、壓縮變位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的力和位移傳感器在機(jī)械上是連動(dòng)的，當(dāng)受到撞擊時(shí)，可同步輸出電壓信號(hào)。傳感器采樣時(shí)間最小間隔均為0.003 s。反力測量范圍為0.5～200 N，測試相對(duì)誤差≤4%；變位測量范圍為5 cm，測試相對(duì)誤差≤5%。

圖2 造波設(shè)備Fig.2Wave?making equipment

表1 船舶特征尺度數(shù)據(jù)Tab.1Vessel′s characteristic data

圖3 儲(chǔ)運(yùn)船及導(dǎo)管架模型Fig.3Storage vessel model and jacket model

圖4 護(hù)舷模擬曲線Fig.4Simulation curve of fenders

2 模型相似、試驗(yàn)組別及試驗(yàn)方法

依據(jù)水池條件和波浪模型試驗(yàn)規(guī)程要求選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸邽?：33。試驗(yàn)對(duì)象為具有3000t級(jí)運(yùn)輸能力的儲(chǔ)運(yùn)船。船舶的特征尺度數(shù)據(jù)如表1所示。模型船完全依照模型比尺由原型船線性縮小得來，可以保證線性尺度相似。同時(shí)通過合理的配重布局，使模型船的重心、橫傾及縱傾周期等特征尺度數(shù)據(jù)符合動(dòng)力相似條件。導(dǎo)管架模型由鋼管焊接而成，包括鋼管尺寸在內(nèi)完全由原型按1：33的比例縮小，在結(jié)構(gòu)上滿足幾何相似的前提下，同時(shí)保證鋼管架模型的剛度不低于實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度。儲(chǔ)運(yùn)船和導(dǎo)管架模型如圖3所示。

護(hù)舷傳感器可以測量反力和壓縮變位，通過軟件計(jì)算得到護(hù)舷吸收能量。依據(jù)工程實(shí)際情況選用橫向護(hù)舷類型為SCK2000H,E1.7（最大反力為2007kN，最大吸收能量為1764kJ，允許壓縮量200 cm），縱向護(hù)舷類型為SCK1600H,E1.7（最大反力為1286kN，最大吸收能量為903 kJ，允許壓縮量160 cm），安裝均采用一板兩鼓形式。橫向護(hù)舷與縱向護(hù)舷的標(biāo)定曲線與目標(biāo)曲線的比較示例如圖4所示，可見擬合情況較好。

試驗(yàn)時(shí)，水池水深為0.67 m，波浪方向?yàn)閷?duì)船舶穩(wěn)定最為不利的橫向波浪，試驗(yàn)未考慮流、風(fēng)等因素的影響。對(duì)于不規(guī)則波浪的模擬采用JONSWAP譜。首先在軟件輸入目標(biāo)波浪的特征參數(shù)，經(jīng)軟件計(jì)算轉(zhuǎn)化為造波信號(hào)驅(qū)動(dòng)造波機(jī)工作，同時(shí)實(shí)時(shí)采集實(shí)際制造波浪的特征參數(shù)，經(jīng)過數(shù)次較準(zhǔn)、復(fù)核，最終得到的波浪誤差≤2%，波浪場中布置的浪高儀陣列保證了波浪場的均勻性。

試驗(yàn)波高選用有效波高1.5 m，譜峰周期選用與船舶橫搖周期相同的7.5 s，通過改變護(hù)舷與船體之間的間隙，采集不同護(hù)舷間隙下，船體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)。間隙絕對(duì)誤差可保證在±1 mm范圍內(nèi)，換算到原型誤差為±33 mm。對(duì)目標(biāo)間隙為0 mm的工況，可以保證間隙為0，但護(hù)舷有微壓縮，模型中測量得到的各個(gè)橫向護(hù)舷初始反力在0.1～0.2 N范圍內(nèi)變化，換算到原型約為3.6～7.2 kN。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)由六個(gè)運(yùn)動(dòng)分量（橫蕩、縱蕩、橫傾、縱傾、垂蕩、回轉(zhuǎn)）來體現(xiàn)，動(dòng)力響應(yīng)通過護(hù)舷吸收能量來體現(xiàn)。試驗(yàn)組次匯總?cè)绫?所示。

表2 不同間隙試驗(yàn)工況匯總（縱向護(hù)舷間隙為0 mm）Tab.2Summary of gap?series test(surge gap∶0 mm)

圖5 運(yùn)動(dòng)過程示例（有間隙）Fig.5Hydrograph of motion(some gap）

圖6 船舶輕微上水（橫向間隙100～500 mm）Fig.6Little green water(sway gap∶100～500 mm)

3 船舶與固定護(hù)舷的間隙對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響

當(dāng)橫向護(hù)舷間隙500～300 mm、縱向護(hù)舷間隙0 mm時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)除縱蕩方向受到限制外，其他5個(gè)自由度依然呈無約束自由狀態(tài)。橫蕩及橫搖運(yùn)動(dòng)的時(shí)間過程線跨0對(duì)稱性較好，參見圖5-a。

當(dāng)橫向護(hù)舷間隙100 mm、縱向護(hù)舷間隙0 mm時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)除縱蕩方向受到限制外，其他5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)也受到不同程度的影響。表現(xiàn)為橫蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間過程線跨0對(duì)稱性不好，參見圖5-b；但橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)間過程線跨0對(duì)稱性依然較好，參見圖5-c。

當(dāng)橫向護(hù)舷間隙500～100 mm、縱向護(hù)舷間隙0 mm時(shí)，船舶升沉運(yùn)動(dòng)未見受到橫向護(hù)舷的干擾。周期7.5 s、有效波高1.5 m的橫向不規(guī)則波作用時(shí)，大浪作用時(shí)船舶輕微上水。

當(dāng)橫向和縱向間隙均為0 mm、橫向護(hù)舷無初始?jí)毫Γ▽?shí)際壓力約3～7 kN）時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)除縱蕩方向受到限制外，其他5個(gè)自由度均受到不同程度的干擾。表現(xiàn)為所有6個(gè)運(yùn)動(dòng)分量的時(shí)間過程線跨0對(duì)稱性均不太好（升沉運(yùn)動(dòng)分量略好）。船舶姿態(tài)在波浪作用過程中回歸到0位置（初始位置）較為困難（見圖7）。

當(dāng)橫向和縱向間隙均為0 mm時(shí)，不規(guī)則波序列中的大波作用時(shí)船舶升沉運(yùn)動(dòng)有時(shí)有所增大。周期7.5 s、有效波高1.5 m的橫向不規(guī)則波作用下，大浪作用時(shí)船舶上水較橫向護(hù)舷有間隙時(shí)顯著（見圖8）。

圖7 運(yùn)動(dòng)過程示例（無間隙）Fig.7Hydrograph of motion(sway gap∶0）

圖8 船舶中度上水(橫向無間隙，無初壓力)Fig.8Some green water(sway gap∶0,initial pressure∶0)

當(dāng)橫向和縱向均為0 mm、橫向護(hù)舷初始?jí)毫?00 t時(shí)（實(shí)際壓力約100±1 t）時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)全方位受到限制。表現(xiàn)為所有6個(gè)運(yùn)動(dòng)分量的時(shí)間過程線跨0對(duì)稱性均不好。船舶姿態(tài)在波浪作用過程中回歸到0位置（初始位置）很困難（見圖9）。

當(dāng)橫向、縱向間隙均為0 mm、橫向護(hù)舷初始?jí)毫?00 t時(shí)（實(shí)際壓力約100±1 t）時(shí)，不規(guī)則波序列中的大波作用于船舶時(shí)，升沉運(yùn)動(dòng)較此前橫向護(hù)舷有間隙和初始?jí)毫πr(shí)兩種情況有所減小，如圖9所示。周期7.5 s、有效波高1.5 m的橫向不規(guī)則波作用時(shí)，大浪作用時(shí)船舶上水較橫向護(hù)舷無初始?jí)毫r(shí)顯著（見圖10）。

4 船舶與固定護(hù)舷的間隙對(duì)護(hù)舷吸收能量的影響

實(shí)驗(yàn)中在測量觀察船體運(yùn)動(dòng)同時(shí)，也記錄了護(hù)舷吸收的能量并整理如下。表3給出了不同間隙試驗(yàn)橫向、縱向護(hù)舷的壓縮量和吸收能量試驗(yàn)結(jié)果的匯總。圖11分別給出了橫向、縱向護(hù)舷的吸收能量與橫向護(hù)舷間隙的關(guān)系試驗(yàn)曲線。

圖11和表3可以看出，橫向護(hù)舷間隙在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，橫向、縱向護(hù)舷的吸收能量基本無變化。

橫向護(hù)舷間隙為500 mm時(shí)，橫向護(hù)舷的吸收能量比在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)大約9%；縱向護(hù)舷的吸收能量比在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)大約3.5%。

圖9 運(yùn)動(dòng)過程示例（橫向無間隙且施加100 t初壓力）Fig.9Hydrograph of motion(sway gap∶0,initial pressure∶100 t）

圖10 船舶上水嚴(yán)重(橫向護(hù)舷無間隙，初壓力100 t)Fig.10Heavy green water(sway gap∶0;initial pressure∶100 t)

表3 不同間隙試驗(yàn)橫向、縱向護(hù)舷的壓縮量和吸收能量試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.3Summary of fenders′energy absorbing results of the gap?series test

橫向護(hù)舷間隙為0（無初始?jí)毫Γr(shí)，橫向護(hù)舷的吸收能量比在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)小約18.7%；縱向護(hù)舷的吸收能量比在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)小約33%。

橫向護(hù)舷間隙為0（且初始?jí)毫?00 t）時(shí)，橫向、縱向護(hù)舷的吸收能量最小。橫向護(hù)舷吸收的能量比間隙在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)小約28%左右?？v向護(hù)舷吸收的能量比間隙在100～300 mm范圍內(nèi)變化時(shí)小約一半左右。

圖11 護(hù)舷吸收能量隨間隙變化曲線圖Fig.11Fenders′energy absorbing changes with gap

5 結(jié)語

基于本試驗(yàn)研究，可得以下觀點(diǎn)：

（1）僅就船舶對(duì)護(hù)舷作用而言，如果能在橫向護(hù)舷上施加初始?jí)毫ψ詈茫ㄔ跈M向護(hù)舷上施加初始?jí)毫梢詼p小船舶對(duì)護(hù)舷撞擊時(shí)的撞擊能量，特別是對(duì)減小縱向護(hù)舷的撞擊能量效果特別顯著）。

（2）就船舶運(yùn)動(dòng)自由度而言，護(hù)舷與船舶之間留有間隙較好。其優(yōu)點(diǎn)在于減小船舶對(duì)護(hù)舷的拖曳力（從而減小護(hù)舷受剪力破壞的可能）；另一方面可保證船舶在垂蕩方向運(yùn)動(dòng)的自由性，從而減小船舶在極限環(huán)境作用下甲板上水的可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示100～500 mm范圍內(nèi)間隙變化對(duì)護(hù)舷吸收能量的影響不大，故建議橫向護(hù)舷與船舶之間留有間隙，且如果考慮實(shí)際海況條件下船舶進(jìn)出的方便，可適當(dāng)加大間隙。

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Motion and dynamic response of vessel with fixed fender constraints

DONG Hang,ZHANG Ning?chuan,SUN Zhen?xiang,SONG Yue,PAN Wen?bo,ZHOU Zhuo?wei, LI Chao,TIAN Yong?jin
（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

In the process of marginal oil field development,sometimes the vessels are docked in a jacket plat?form and horizontal and vertical fenders are installed in the jacket in order to restrict the vessels.The vessels′re?sponse of motion and power in restraint of fixed fenders was researched in the function of random waves in the way of physical model test.The model test result shows that each component motion of the prototype vessel with 3 000?ton storage capacity was unrestrained and the green water was not found when the gap between the vessel and hori?zontal fenders was 500 mm and the gap between the vessel and vertical fenders was 0.The maximum energy absorp?tion of single horizontal fender was 1465kJ and 745 kJ for single vertical fender.The motion component of vessel was limited and there was some green water on deck to various degrees when the gap between fenders and the vessel was reduced.Fenders absorbed less energy compared with the case where gap between fenders and vessel was 500 mm.when the ship motion and green water are considered,it is suggested to keep appropriate gap between fenders and the vessel;when the safety of collision between fenders and the vessel are considered,it is suggested to reduce the gap appropriately.

random wave;storage vessels;fender constraints;dynamic response;motion response

U 656.3；TV 142

A

1005-8443（2015）05-0378-07

2015-05-05；

2015-05-27

董航(1989-)，男，遼寧省朝陽縣人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海工程方面工作。

Biography：DONG Hang（1989-）,male,master student.