朱一鳴 王虎虎 陸云昊

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.中船融資租賃（上海）有限公司 上海200120）

引 言

船舶在錨泊時(shí)會隨著風(fēng)浪流的變化而產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)錨鏈與船體之間會產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。由于雙體船在水線以下具有兩個(gè)潛體及穩(wěn)定鰭等附體，其與錨鏈的相對運(yùn)動(dòng)可能會迫使錨鏈碰擦甚至纏繞進(jìn)潛體或穩(wěn)定鰭。與潛體碰擦可能會導(dǎo)致船體油漆的脫落，對船舶水線以下的防腐帶來極大隱患；同時(shí)也會影響錨鏈及船體鋼板的使用壽命。纏繞進(jìn)潛體或穩(wěn)定鰭會對船舶收錨帶來不利影響，甚至有可能損傷穩(wěn)定鰭。

小水面雙體船艏錨布置一般有3種方案，即將艏錨置于片體外側(cè)、片體中間及連接橋中間。艏錨布置方案不僅與船體總布置有關(guān)，還與錨泊地水文環(huán)境影響下錨鏈與船體的相對運(yùn)動(dòng)有關(guān)。下頁表1為國內(nèi)外部分部分典型雙體船艏錨布置方案。

由表1可知，若僅配置單錨，則均將艏錨置于連接橋中間；若配置雙錨，則有片體外側(cè)、片體中間及連接橋中間3種方案［1］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，在環(huán)境條件變化時(shí)，會出現(xiàn)錨鏈繞進(jìn)艏部潛體內(nèi)側(cè)，致使錨鏈與船體外板摩擦，出現(xiàn)船體油漆脫落等現(xiàn)象。尤其船舶周圍海流為往復(fù)流時(shí)，碰擦現(xiàn)象更為嚴(yán)重。林偉國［2］、范井峰［3］等人就此問題采用靜態(tài)懸鏈線方法分析原因，并提出解決方案。但懸鏈線方法無法反映每一時(shí)刻船舶與錨鏈之間的相對運(yùn)動(dòng)，故采用時(shí)域模擬仿真以及模型試驗(yàn)方法是必不可少的。

表1 國內(nèi)外部分典型雙體船艏錨布置情況

本文首先提出某小水線面雙體船艏錨布置方案并分析優(yōu)劣，確定艏錨布置方案。采用時(shí)域模擬仿真與模型試驗(yàn)方法對雙體船錨泊狀態(tài)進(jìn)行分析，模擬在往復(fù)流與風(fēng)浪環(huán)境條件下船體運(yùn)動(dòng)過程和船體與錨鏈的相對運(yùn)動(dòng)情況，了解船體與錨鏈可能發(fā)生接觸的環(huán)境載荷特性，為實(shí)船拋錨作業(yè)提供參考。

1 艏錨布置方案

根據(jù)本船的結(jié)構(gòu)形式，錨裝置有3種布置方案。分別如下頁圖1 -圖3所示。這3種方案均是對稱布置。

1.1 方案1：錨位于片體外側(cè)

錨鏈筒出口點(diǎn)位于片體的外側(cè)，如下頁圖1所示。在片體外側(cè)出口點(diǎn)的位置設(shè)置錨架。該方案無需設(shè)置錨唇或錨穴，施工較為方便。但錨機(jī)需橫向布置，占用較多的甲板空間，錨架外觀形式較為繁復(fù)，超出船體較多，在靠碼頭時(shí)有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。

1.2 方案2：錨位于片體中央

錨鏈筒出口點(diǎn)位于片體的中央，如下頁圖2所示。在片體中央出口點(diǎn)的位置設(shè)置錨架。該方案施工較為方便，錨機(jī)布置在甲板兩側(cè)，占用較少的甲板空間。但由于水下潛體首部過于前突，為了避免收放錨時(shí)的摩擦及碰撞，需設(shè)置較大的錨架。

1.3 方案3：錨位于連接橋中央

錨鏈筒出口點(diǎn)位于連接橋上，如下頁圖3所示。錨置于連接橋中央。在連接橋上設(shè)置錨穴，錨收藏于錨穴中。形式簡潔內(nèi)斂，錨機(jī)布置占用較少的甲板空間。

圖1 方案1-布置圖

圖2 方案2-布置圖

圖3 方案3-布置圖

從總布置要求角度出發(fā)，方案3形式內(nèi)斂且占用較少甲板空間，比方案1和方案2更具優(yōu)勢。但由于船舶實(shí)際處于風(fēng)、浪、流等復(fù)雜環(huán)境中，錨鏈與船體碰擦情況需要進(jìn)一步的模擬驗(yàn)證。本文以艏錨布置方案3為時(shí)域模擬仿真和模型試驗(yàn)對象進(jìn)行探究。

2 時(shí)域模擬仿真

2.1 基本理論

對于船舶的錨泊系統(tǒng)，其時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程可寫作［4］：

式中：m為船舶質(zhì)量，kg；為附加質(zhì)量，kg；為勢流阻尼，N·s / m；為粘性阻尼，N·s / m；為船舶承受的環(huán)境載荷（包括風(fēng)載荷、流載荷、一階波浪力、二階波浪力和錨鏈張力），N。

對于錨鏈張力的求解，國內(nèi)外研究很多，發(fā)展成熟［5-8］。常見的為懸鏈線法，其方程形式為：

式中：x為距離錨點(diǎn)的長度，m；y為距地底高度，m；G為錨鏈單位長度的質(zhì)量，kg；Th為錨鏈水平張力，N。

2.2 船體建模

通過建模軟件建立雙體船面元模型，如圖4所示。利用水動(dòng)力分析軟件，在頻域下進(jìn)行水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算和時(shí)域下雙體船錨泊系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)耦合分析。

圖4 雙體船模型

2.3 錨泊系統(tǒng)模擬

雙體船主要船型參數(shù)見表2。

考慮實(shí)船使用環(huán)境，調(diào)研實(shí)地海況，采集流速、流向等數(shù)據(jù)，為數(shù)值仿真提供計(jì)算輸入。模擬船體從初始位置到最終狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程，考察在運(yùn)動(dòng)過程中船體的六自由度運(yùn)動(dòng)軌跡以及船體和錨鏈的相對位置關(guān)系，找出運(yùn)動(dòng)過程中錨鏈與船體最可能相碰的位置點(diǎn)，以觀察船體與錨鏈之間的位置關(guān)系。風(fēng)浪流環(huán)境參數(shù)見下頁表3。

表2 船型參數(shù)

表3 數(shù)值模擬環(huán)境條件參數(shù)

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5為數(shù)值仿真中船體與錨鏈相對運(yùn)動(dòng)結(jié)果，錨鏈與船體之間碰擦統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

圖5 船體與錨鏈相對運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真結(jié)果

表4 纏繞校核結(jié)果

由表4可知，船體受到風(fēng)浪流等環(huán)境載荷時(shí)，錨鏈與船體發(fā)生碰擦的可能性大大增加，甚至有纏繞現(xiàn)象。當(dāng)海流與風(fēng)浪同向或者夾角大于135°時(shí)，船體與錨鏈發(fā)生碰撞纏繞的概率較大。

3 模型試驗(yàn)

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)尺度和海洋工程水池模型試驗(yàn)設(shè)施條件與能力，確定實(shí)體和模型之間的縮尺比為λ= 45。在試驗(yàn)進(jìn)行之前，根據(jù)風(fēng)浪流夾角布置好造流管，兩個(gè)方向造流管長度各為12 m，確保試驗(yàn)過程中模型及其運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定的流場范圍內(nèi)，如圖6所示。

圖6 造流管布置圖（101工況）

試驗(yàn)開始階段，流向?yàn)槲擦鳎飨蚺c船首夾角為0°），風(fēng)浪與流向及船模保持相應(yīng)角度，待船舶運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定階段后，更改流向?yàn)槭紫蛄鳎飨蚺c船首夾角為180°），在船舶運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定階段后，停止試驗(yàn)，完成整個(gè)試驗(yàn)過程。試驗(yàn)工況與表3保持一致。在船首主甲板中線處安裝高清攝像頭，對整個(gè)試驗(yàn)過程中的錨鏈與船體相對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行記錄，纏繞校核結(jié)果見表5。

表5 模型試驗(yàn)纏繞結(jié)果

錨鏈與船體相互作用以及船體水平運(yùn)動(dòng)情況 參見圖7和圖8以及下頁的圖9-圖12所示。

圖7 101工況船體與錨鏈碰擦情況

圖8 104工況船體與錨鏈碰擦情況

圖9 105工況船體與錨鏈碰擦情況

圖10 101工況船體水平面運(yùn)動(dòng)軌跡

圖11 105工況船體水平面運(yùn)動(dòng)軌跡

圖12 106工況船體水平面運(yùn)動(dòng)軌跡

試驗(yàn)中，當(dāng)船體承受艏向或艉向風(fēng)浪流載荷時(shí)，易與船體發(fā)生接觸；而在其他方向上，錨鏈與船體發(fā)生碰擦的可能性較小。此時(shí)，船體周圍流場較為復(fù)雜，船體與錨鏈運(yùn)動(dòng)無明顯規(guī)律，船體易與錨鏈發(fā)生碰擦。

結(jié)合數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)海流與風(fēng)浪同向或者夾角較大時(shí)，船體受到環(huán)境載荷影響，產(chǎn)生較大的偏蕩往復(fù)運(yùn)動(dòng)，錨鏈?zhǔn)芎Ａ骷按w運(yùn)動(dòng)影響較大，運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，從而導(dǎo)致船體與錨鏈發(fā)生碰撞纏繞的概率較大。當(dāng)風(fēng)浪與海流夾角在90°附近時(shí)，錨鏈與船體運(yùn)動(dòng)范圍干涉較小，發(fā)生碰撞纏繞的概率相對較低。

4 結(jié) 語

本文提出3種雙體船艏錨布置方案，從總布置角度，以艏錨布置方案3為研究對象，通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)方法，探究該方案在實(shí)際海況下，船體與錨鏈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及船體與錨鏈碰擦情況。結(jié)果表明：海流與風(fēng)浪同向或夾角較大時(shí)，船體周圍流場復(fù)雜，船體受到較大的環(huán)境載荷，船體發(fā)生較大的偏蕩運(yùn)動(dòng)，錨鏈的運(yùn)動(dòng)具有不確定性，易發(fā)生碰撞纏繞現(xiàn)象。該結(jié)果可為實(shí)船錨泊作業(yè)以及今后類似船型艏錨布置設(shè)計(jì)提供借鑒。