基于船舶操縱模擬器的大型滾裝船泊穩條件試驗方法

陳立家, 王冰, 魏天明, 許毅

(1.武漢理工大學航運學院,湖北 武漢 430063;2.武漢理工大學內河航運技術湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430063;3.武漢理工大學計算機與人工智能學院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

系泊船舶的穩定是保證船舶安全系泊作業、提高裝卸效率的基本前提。隨著工業生產的迅速發展,能源和化工等行業大型工程不斷地新建與擴建,其對大型化設備與物資的需求也越來越大。大件設備和大件模塊往往需要通過水路運輸,因此大型滾裝船應運而生。由于碼頭前沿水域高程條件和水深條件的限制,以及大型滾裝船自身質量大、重心高、慣性大,受風、流的影響大,運動狀態難以控制等特點,大型滾裝船?？客ǔ２捎枚】肯挡捶绞?。丁靠系泊,即船舶與滾裝碼頭的前沿線垂直,呈“丁”字形,并由若干系泊纜繩將其與岸上系船墩連接在一起。該系泊方式可借鑒的經驗較少,對環境要求較嚴格。因此,需要對大型滾裝船的系泊安全進行分析,確定安全作業的極限環境條件。

從研究方法上來看,國內外學者對船舶系泊問題和環境載荷的分析主要采用理論計算、船舶物理模型試驗、實船試驗和OPTIMOOR軟件分析等方法。劉明維等[1]建立了船閘浮式系船柱受荷響應力學模型,反映船舶纜繩系纜力與浮式系船柱柱身應變的關系。QI等[2]對碼頭系泊的液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)船的水動力性能進行了系泊模型試驗研究,在試驗過程中考慮了風、浪、流等環境因素對碼頭系泊系統的影響,并分別測定了不同海況下系泊系統的六個自由度運動響應和纜繩張力。董勝等[3]通過物理模型試驗對青島萬達游艇碼頭項目進行了研究,測定了擬建碼頭附近水域的船舶泊穩條件。NGUYEN等[4]采用物理模型試驗的方法,研究靠近港口的過往船舶所產生的波浪對系泊船舶運動和系泊纜繩張力的影響,測定了系泊船舶在不同海況下不規則波浪中的運動量和受力。周斌等[5]以中小型LNG船為目標船型,利用OPTIMOOR軟件計算船舶運動和系泊纜繩受力。LEE等[6]使用OPTIMOOR軟件,對船舶的敏感性進行分析,識別船對船過駁系泊中的影響因素,并基于試驗結果建立了船對船系泊的安全標準。

雖然對船舶系泊分析的研究已有較多研究成果,但對大型滾裝船丁靠系泊模擬的研究較少,且在研究過程中對環境因素有的進行了大量簡化,有的采用定常設定的方式,未能反映出真實的動態環境場。為此,本研究提出一種基于船舶操縱模擬器的大型滾裝船泊穩條件試驗方法。采用理論推導與數值仿真相結合的方法,對系泊船舶的受力狀態進行分析,以分離式船舶運動數學模型MMG(mathematical model group)為基礎,構建系泊大型滾裝船運動數學模型,并將其運用于船舶操縱模擬器中,基于實時模擬的動態環境場計算系泊船體運動量、系泊纜力和護舷反作用力;采用時域耦合方法,分析在不同環境載荷作用下的泊穩狀況。以湛江港某4萬t滾裝船系泊為例,驗證模型的正確性以及該模型用于開展船舶泊穩條件試驗的可行性,并最終確定該船安全系泊的極限環境條件。

1 船舶系泊運動建模

為更好地描述大型滾裝船系泊運動,以船體本身為參照,建立以船舶重心為坐標原點的附體坐標系,如圖1所示:xoy與水平面重合;x軸與船舶首尾線重合,正方向指向船首;y軸與正橫方向平行,正方向指向右舷;z軸垂直于xoy平面,正方向向上。

(a)俯視圖

1.1 風載荷計算

大型滾裝船在以丁靠方式系泊時,船舶處于無速、無舵效狀態,且其受風面積比同噸位的一般貨船的大,故風力對船舶運動的影響尤為顯著。風速通常由平均風速vm和時變風速vt組成,其表達式為

vwind=vm+vt

(1)

時變風載荷的動力效應通過風譜體現?；贒avenport風譜,利用諧波疊加的方法,通過確定風速的時域歷程來模擬時變風,然后加入平均風來模擬隨機風。作用在船舶上的風載荷可以用Hughes公式進行計算,以縱蕩方向的風載荷為例:

(2)

式中:ρ為空氣密度;Cx,wind,α為縱蕩方向的風力系數,下標α為風舷角;Af為水線上船體正面投影面積。

當船舶處于系泊運動狀態時,風載荷力矩(以艏搖力矩為例)可表示為

(3)

式中:Cwind,α為艏搖方向的風力系數;As為水線上船體側面投影面積;L為船舶總長。

1.2 水流載荷計算

水流的流速隨時間的變化是相對緩慢的,在對大型滾裝船水下部分所承受的水流載荷進行計算時,考慮恒定、均勻水流的干擾,縱蕩方向的水流載荷的計算如下:

(4)

式中:ρsea為海水密度;Cx,current為縱蕩方向的水流壓力系數;vcurrent為水流流速;d為船舶吃水。

水流作用在船體水下部分幾何中心處的艏搖力矩:

(5)

式中:g為重力加速度;Ccurrent為艏搖力矩系數;Lw為船舶水線長。

1.3 波浪載荷計算

在對系泊船舶進行波浪載荷計算時,考慮船體受到的波浪力隨時間的正弦變化,而波浪力大小與船舶與波浪間的相對位置有關,因此將波浪力計算式寫為

(6)

式中:Fm,wave為波浪力幅值,其引起船舶各自由度運動的具體計算方法參照文獻[7];ξ′為波浪力坐標系中船舶的位置;λ為波長。

1.4 系泊纜力計算

系泊纜力的計算目前多使用文獻[8]的計算模型。該模型給出了船舶在風、流作用下的計算式,但未給出船舶受到的波浪載荷的計算式。因此,在上述風、流模型的基礎上,將波浪載荷加入計算模型中,得到船舶系泊纜力FL的計算式:

(7)

系泊系統一般都有多根系泊纜繩。由于各纜繩的受力情況類似,故纜繩對船舶的總系泊纜力可以用各纜繩系泊纜力之和表示。將系泊纜力在船舶坐標系中進行矢量分解(如圖2中纜繩拉力示意圖所示,A點為船上導纜孔,B點為岸上系纜墩),得到系泊纜力各方向分力的計算模型,船舶縱蕩方向上的系泊纜力計算式為

圖2 纜繩拉力示意圖

(8)

式中:n為纜繩數量;i為纜繩序號;αi為導纜孔與系纜墩連線的水平夾角;θ為船首向。

纜繩作用在船舶上的力矩(以艏搖力矩為例)可表示為

ML=

(9)

式中:xi、yi為纜繩i的導纜孔的x、y軸坐標值。

1.5 護舷反作用力計算

當船舶與護舷發生接觸時,采用赫茲接觸定律[9]計算接觸力:

(10)

式中:Rs為船舶接觸點處的曲率半徑;Rb為護舷接觸點處的曲率半徑;νs為船體材料的泊松比;νb為護舷材料的泊松比;Es為船體材料的楊氏模量;Eb為護舷材料的楊氏模量;δ為接觸時的形變量。

以縱蕩方向為例,護舷對船舶產生的力可表示為

Fx,F=fsin(φ-φ)

(11)

以艏搖力矩為例,作用在船舶上的力矩可表示為

MF=fxccos(φ-φ)-fycsin(φ-φ)

(12)

式中:φ為船首與正北方向夾角;φ為碼頭方向;xc、yc為碰撞點的x、y軸坐標值,其可以采用點面碰撞來求解。

1.6 船舶系泊系統數學模型

基于MMG分離建模的思想[10],針對裸船體、螺旋槳、舵的結構構建船舶運動的基本數學模型。為實現系泊船舶運動數值預報,根據系泊作業要求,將系泊纜力、護舷反作用力和力矩施加到船舶六自由度運動模型中,得到系泊纜繩-船舶-護舷耦合模型:

式中:m為船舶質量;vx、vy、vz分別為船舶在x、y、z軸方向上的速度分量,即船舶的縱蕩速度、橫蕩速度、垂蕩速度;ωx、ωy、ωz分別為船舶繞x、y、z軸的角速度大小,即船舶的橫搖角速度、縱搖角速度、艏搖角速度;Fx、Fy、Fy分別為船舶在x、y、z軸方向上所受合外力大小;下標H、P、R、L、F、wind、wave、current分別表示水、槳、舵、纜繩、護舷、風、浪和流;Ixx、Iyy、Izz分別為繞x、y、z軸的船舶慣性張量大小;Mx、My、Mz分別為船舶在x、y、z軸方向上所受合外力矩大小。

因為系泊作業時槳和舵往往處于停止狀態,所以將模型中的槳力和舵力置零。船體水動力采用基本的橫流模型來確定。

計算系泊系統運動的步驟如下:第一步,根據MMG模型計算船舶在自由狀態時的運動模型,確定船位和導纜孔位置;第二步,將船位和速度傳給護舷作用力模型,以便確定護舷反作用力,同時計算風、浪、流等環境載荷,并將其傳給系泊纜力模型,根據模型計算纜繩系泊纜力;第三步,將計算得到的纜繩受力、護舷反作用力傳遞給系泊系統,用于求解船舶位置和速度等參數;第四步,重復第二步和第三步,直到船舶運動量不在許可范圍內,結束計算。在各次循環中,須檢驗纜繩的張力是否超過其破斷載荷。

2 仿真試驗平臺和流程設計

2.1 仿真試驗平臺

利用船舶操縱模擬器對大型滾裝船的系泊作業進行數值模擬,其優勢在于能夠實現模型解算和人機交互。將構建的船舶系泊運動數學模型以動態庫方式鏈接到船舶操縱模擬器仿真平臺,通過輸入船型參數和系泊參數等數據,即可計算在設定條件下的船體運動量、纜繩張力、護舷反作用力。這些信息在解算完成后被輸入場景仿真模塊中,駕駛控制臺和視景顯示系統顯示出整體視景畫面,操作員在三維虛擬環境中操作相關設備,體驗接近實際的系泊操作。同時,信息輸入到信息存儲單元[11],通過提取實時的仿真數據,可以對船舶系泊安全進行全面分析。圖3為使用船舶操縱模擬器進行系泊試驗的場景。

圖3 船舶操縱模擬器系泊試驗場景

2.2 試驗流程設計

基于船舶操縱模擬器的大型滾裝船泊穩條件試驗一般包括以下幾個步驟,具體流程見圖4。

圖4 大型滾裝船泊穩試驗流程

運用面向對象的Visual C#編程語言為大型滾裝船系泊運動數學模型編程,并將程序導入船舶操縱模擬器中,對船舶操縱模擬器進行功能拓展,用于泊穩仿真試驗:首先,對仿真環境進行建模,建立電子海圖、三維視景模型、船舶模型,并逐一驗證,確保在仿真環境下的模擬環境與實際水域環境一致,以及模擬船模與真實系泊船舶的尺度和操縱特性的相似性[12];其次,根據試驗要求確定模擬試驗方案,將船舶以丁靠方式置于碼頭前,根據確定的纜繩布置方案系帶纜繩,并調整各纜繩初始系泊纜力;最后,采用人機交互試驗的方法,運用船舶操縱模擬器進行實時船舶系泊操縱模擬試驗。使用模擬器實時監控并記錄風浪流環境、船舶運動信息和系泊纜力數據,選取相應的泊穩指標,結合相關規范,調整不同環境參數,直至獲得大型滾裝船的泊穩條件。

3 大型滾裝船系泊仿真模型

3.1 試驗船型參數

以湛江港某重大件滾裝船碼頭項目為依托進行仿真試驗,選用滿載的4萬t滾裝船為研究對象。試驗船型參數見表1,其尺度和操縱性能等與真實船的一致。

表1 試驗船型主要參數

3.2 系泊系統布置

不同噸級的船舶使用的系泊纜繩數量不同,根據布置原則確定該4萬t滾裝船的系泊纜繩數量共8根。8根纜繩采用全倒纜的系纜方案,關于船舯呈對稱分布,分別為2根艉纜、2根艉倒纜、2根艏纜和2根艏倒纜。系泊纜繩布置方式見圖5。系泊纜繩均為截面尺寸為36 mm×20 mm的超高分子量的聚乙烯繩,8根繩的彈性、長度和質量相似;每根繩的最小破斷力為790 kN,安全系數為2,即其允許的最大工作載荷取395 kN。碼頭上布置4組DA-A600H標準反力型橡膠護舷,每組最大壓縮變形為55%,反力標準值為412 kN,4組護舷反力合計1 648 kN。

圖5 系纜方案布置方式

3.3 動態環境參數

基于該滾裝碼頭區域的水文、氣象觀測數據,假定在1 s內風的特征要素不發生變化,根據第1.1節的理論,循環計算出每秒的風場數據,完成3 h隨機風的實時模擬。采用碼頭水域年測的平均波浪高度0.4 m和0.5 m,波浪和風的方向設置為同一個方向,實現對規則波的實時模擬。流場為均勻同向的定常流場,流向分別為310°(漲潮流)和130°(落潮流),流速均為0.3 m/s。

船舶?？繒r所受到的風、浪、流的方向的定義見圖6。定義環境載荷的入射方向與x軸正向的夾角為環境載荷的入射角,其中:當風、浪入射角為310°時,船舶為迎風、浪狀態;當流向為130°時船首迎流,當流向為310°時船尾迎流。

圖6 環境載荷方向

為分析大型滾裝船在風、浪、流共同影響下的泊穩特性,在考慮船舶左、右舷橫向受力的基礎上,根據風、流、波浪參數出現頻率的大小,對泊穩的環境條件進行有效的預設,確定2組不同的環境參數,具體見表2。

表2 邊界條件預設

4 大型滾裝船泊穩分析

4.1 泊穩衡準指標

目前國內外對船舶泊穩標準尚無統一規定?？紤]到大型滾裝船系泊的特點,選取船體運動量、系泊纜力、護舷反作用力這3個主要控制指標進行系泊安全評判。

系泊滾裝船在風、浪、流等環境條件滿足安全作業要求的情況下,通過船上跳板與碼頭相連,進行水平裝卸作業。大型滾裝船載貨體積和載貨質量比普通貨船的大,在不同裝載狀態下船舶穩性變化大。為使船舶保持一定的平衡狀態,確保跳板、活動車輛等特殊設備的正常使用,便于貨物裝卸,船舶不能產生大幅度的垂蕩運動。文獻[13-15]均對船舶運動量作出限制要求。對于滾裝船采用船尾靠泊作業時的運動量,文獻[15]給出了更嚴格的限制標準,規定了作業期間船舶六自由度運動量的允許值。若六個自由度的運動量未超出允許值,則認為系泊是安全穩定的,在運動量足夠小的情況下船舶的穩性可以得到很好的保證。

系泊纜繩是線彈性的,在系泊作業過程中長期處于拉伸狀態,伴隨有逐漸明顯的彈性變形效應,其張力急劇增大。當纜繩最大張力大于其破斷載荷時,系泊作業的安全穩定性遭到破壞。因此,本研究在大型滾裝船運動的基礎上疊加系泊纜繩的彈性變形,考慮發生彈性變形時系泊纜繩的張力變化。國內規范對纜繩載荷的限制標準沒有給出準確規定,參考文獻[16]對船用系纜允許負荷的規定:鋼絲繩不超過其破斷強度的55%,尼龍繩以外的化纖繩不超過其破斷強度的50%,尼龍繩不超過其破斷強度的45%。高強度纖維繩可參照一般化纖繩,允許負荷取破斷強度的50%。以纜繩受力是否超出安全負荷對纜繩進行破斷分析。在碼頭前沿設置的護舷設備對船舶泊穩性有著至關重要的作用,其主要由護舷壓縮量決定,多依據文獻[13]和[17]計算。與載荷規范相比,文獻[13]不僅考慮了船舶正?？坎?而且考慮了船舶異?？坎葱袨?考慮的因素更為精細、全面和合理。因此,參照文獻[13]對護舷壓縮量的規定,最大反作用力引起的形變不得超過52.5%的壓縮形變量。當護舷反作用力超過其設計反力時,則認為護舷強度不滿足要求。

4.2 船體運動量分析

通過求解系泊船舶六自由度運動模型,得到不同風、浪、流條件下系泊滾裝船運動量的變化數據,對其最大值進行統計并與規范值進行比較(見表3)。

表3 船舶六自由度運動量最大值對比

圖7和圖8給出了在以上兩組設定環境條件下,系泊船舶在6個自由度(縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖)上的運動變化曲線,其中“+”表示各自由度的正方向,“-”表示各自由度的反方向。

(a)沿x、y、z軸的往復平動

(a)沿x、y、z軸的往復平動

對比不同工況下船體運動量的時間歷程曲線可知,在風、浪、流等的沖擊下系泊船舶船體的運動極其不規則,由于纜繩的約束,船舶在6個自由度上的運動在不同環境下呈現出不同的特性。由于不同風速、風向、流速和浪高的隨機作用,系泊船舶產生劇烈的縱蕩運動,初始時先產生向后的位移,隨后受纜繩的影響運動幅值逐漸減小,并進行隨機的往復縱蕩運動;橫蕩運動幅度在前1 000 s內逐漸減小并開始隨風、浪、流隨機變化。與縱蕩和橫蕩運動幅值變化較大相比,垂蕩時歷曲線一直在零水平附近振蕩。系泊船舶除產生平動外,還發生轉動。在載荷突然作用時,艏搖角在前1 000 s內運動幅值逐漸減小,隨后隨風、浪、流隨機變化。橫搖和縱搖時歷曲線長期穩定在零水平附近波動。

4.3 系泊纜力分析

通過求解系泊模型,可得到系泊纜力在不同風、浪、流環境條件下隨時間的變化情況,分別繪制船舶各纜繩持續受力變化曲線,見圖9～12。

圖9 左舷各纜繩受力變化(條件1)

圖10 右舷各纜繩受力變化(條件1)

圖11 左舷各纜繩受力變化(條件2)

圖12 右舷側各纜繩受力變化(條件2)

由圖9～12可以看出,環境載荷對系泊纜繩受力有著重要影響。外界環境的劇烈變化對系泊纜繩產生較大的擾動,所有系泊纜繩張力變化顯著,且隨后纜繩受力出現了很明顯的振蕩。這是因為纜繩拉動船體運動時,船體產生六自由度運動,纜繩出現張緊和松弛交替循環的動態過程,從而造成纜繩受力的不斷振蕩。各纜繩所受力大小各不相同,船舶左右兩舷的纜繩受不對稱作用力,迎流側的比背流側的大。同側纜繩的受力非常接近,因為在系泊時船舶艏艉的運動比較相似,其時歷曲線基本接近,系泊纜力的數值大小相近。

4.4 護舷反作用力分析

通過數值計算得出在風、浪、流環境載荷作用下碼頭護舷的反作用力值,并與反力標準值進行比較。

隨著船舶與碼頭接觸過程的進行,護舷被完全擠壓,同時給予船舶反作用力使得船舶反彈離開碼頭。在系泊纜繩控制工況下,條件1和條件2下的護舷最大反作用力分別為1 324、1 079 kN,均小于護舷的設計反力標準值1 648 kN,此時該護舷完全滿足4萬t滾裝船系泊的使用要求。與條件2相比,條件1的護舷反作用力更明顯,這是因為隨著風浪流的大小和方向發生改變,船舶與碼頭接觸的著力點位置及接觸力大小發生了變化,從而使得護舷反作用力的大小也發生改變。

4.5 計算結果與OPTIMOOR軟件分析結果對比

為驗證船舶系泊運動數學模型的精度,同時避免使用同種軟件進行驗證時出現的誤差,采用OPTIMOOR軟件進行計算對比,按照圖7設計的系纜布置方案進行模擬計算后,得到不同環境下的系泊船體運動量(橫蕩、縱蕩、垂蕩和橫搖4個運動量)、系泊纜力和護舷受力數據。由于論文篇幅限制,只取條件1下的試驗結果進行驗證,見表4～6。

表4 相似工況下船舶4個自由度上的運動量計算結果對比

表5 各纜繩受力對比 單位:kN

表6 護舷受力對比 單位:kN

從表4～6可知,本文計算結果與OPTIMOOR軟件分析結果具有較強的一致性,這說明所建模型滿足精度的要求,進而證明了使用船舶操縱模擬器能準確地模擬船舶系泊作業過程,得到真實可靠的計算結果。通常情況下計算值還會略大于OPTIMOOR軟件的分析結果,這是因為OPTIMOOR軟件是將風、浪、流對船舶的作用看作一個準靜態問題考慮的,而船舶操縱模擬器實現了對環境的實時仿真。因此,基于船舶操縱模擬器的船舶泊穩條件試驗方法具有一定的優越性。

4.6 大型滾裝船泊穩分析

為能夠精確地描述和分析大型滾裝船在碼頭系泊時受到的風、浪、流的影響,以系泊船體運動量、系泊纜力、護舷反作用力等3項指標對其泊穩性進行評估,當系泊船體運動量小于規范值,最大系泊纜力小于允許的最大安全工作載荷,護舷反作用力小于其設計反力時,可以認為滿足泊穩要求。

通過上述計算結果可以看出,在兩種不同環境載荷作用下船舶在6個自由度上的運動量極值均未達到臨界值,其各運動狀態相對穩定,對船舶泊穩不會產生影響。兩種計算工況下8根纜繩的最大張力均小于纜繩的破斷載荷395 kN,因此在所有計算工況下該大型滾裝船碼頭系泊方案均能夠滿足泊穩的要求。當風、浪、流等環境載荷共同作用時,大型滾裝船存在向碼頭靠近的運動趨勢,擠壓碼頭護舷,但所有計算工況下護舷反作用力均小于護舷的設計反力,該護舷滿足大型滾裝船泊穩需求。由此得到大型滾裝船泊穩條件,見表7。

表7 4萬t滾裝船泊穩條件

為驗證結果的合理性和準確性,改變環境參數重復進行泊穩試驗。隨著風速、浪高、流速的增加,船舶在各自由度上的運動量最大值增大,超過了允許的運動量,不能滿足安全系泊作業要求;系泊纜力均有顯著增大,超過了安全工作載荷,導致系泊纜繩斷裂;最大護舷反作用力的變化規律與系泊纜力的相同,超過了護舷允許的反力標準值,船舶與碼頭之間發生劇烈的碰撞。因此,表7的泊穩條件可以作為船舶泊穩的極限環境條件,此時4萬t大型滾裝船的泊穩性能良好。如果實際海況劣于該海況,則整船安全會受到威脅,應停止作業。

5 結束語

基于MMG基礎理論,充分考慮風、浪、流載荷的作用,考慮系泊纜繩的線性動態特性和船舶與護舷間的相互影響,建立了大型滾裝船系泊運動的數學模型,為實現船舶操縱模擬器的功能拓展奠定了理論基礎。所提基于船舶操縱模擬器進行泊穩條件試驗的方法,具有較高的計算精度,不僅能夠模擬環境的動態變化,同時還能準確地反映系泊船體及其系泊纜繩自身形態的變化情況,具有優良的實用價值和工程意義。

雖然對大型滾裝船泊穩研究取得了較為理想的結果,但是所建立的系泊模型是基于隨機風、規則浪和均勻流假設的,如何更詳細地計入波浪力的影響,更精確地描述船舶在系泊作業時的運動數學模型還有待進一步研究。