系泊滚装船在波浪作用下的运动响应

张先波，李姗，孙运佳，刘志远

（中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建水动力重点实验室，天津300222）

系泊滚装船在波浪作用下的运动响应

张先波，李姗，孙运佳，刘志远

（中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建水动力重点实验室，天津300222）

通过对40槽车滚装船在不同波浪下的系泊模型试验，揭示了系泊船舶分别随波高变化和波浪周期变化其运动量的变化规律，讨论了不同波向对船舶运动的影响，研究成果对沿海及内河槽车滚装船系泊作业具有重要的参考价值。

滚装船；系泊；作业；船舶运动量

0 引言

滚装船本身无装卸设备，一般在船侧或船的首、尾有开口斜坡连接码头，装卸货物时，汽车直接开进或开出船舱。这种船的优点是装卸效率高，船舶周转快和水陆直达联运方便；缺点是重心高，稳性较差，船舶受波浪影响较大，进行系泊作业时对波浪条件要求较高。基于上述原因，以40槽车滚装船为例，结合文献[1-3]中关于船舶装卸作业允许运动量的要求，通过船舶系泊物理模型试验的方法，研究船舶运动量分别随波浪波高和波浪周期的变化关系。

1 船舶尺寸及试验条件

本次试验采用40槽车滚装船，考虑满载和压载两种载度，船型尺度以及有关动力参数见表1。

表1 试验船型的尺度及动力参数Table1 Ro-ro scale and parameters

1）试验水位及波浪

表2为试验采用的波浪要素，进行了满载设计低水位和压载设计高水位测定，其中设计高水位4.04 m，设计低水位0.53 m。

表2 试验波浪要素Table2 Wave parameters

2）系缆布置及护舷

缆绳为72 mm的尼龙缆，其破断力为740 kN，单根缆绳的允许拉力为333 kN。系缆方式为1-2-2-2-2布置（艏缆1根，艏艉横缆2根，艏艉倒缆2根，艉缆2根）。

滚装船码头护舷采用500H拱型橡胶护舷，设计反力344 kN，设计吸能72 kJ（变形52.5%），最大反力476 kN（变形55%）。系缆布置及护舷见图1。

图1 系缆布置图及护舷位置Fig.1 Ship mooring figure and fenders'locations

2 试验方法

1）试验比尺

试验在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中进行，采用正态模型设计，模型几何比尺λ为1∶30，试验波浪采用不规则波，谱型采用JONSWAP谱，γ取3.3。

2）护舷及缆绳的模拟

护舷模拟确保模型护舷的反力-变位曲线及能量吸收曲线与原型相似。

缆绳模拟保证缆绳的长度和弹性相似，模拟的缆绳弹性曲线和理论曲线基本一致。缆绳的长度为脱缆钩到出缆孔的距离与出缆孔到绞车的距离之和；缆绳的受力-伸长曲线按JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》给出的公式进行计算。

3）数据分析

考虑到车辆都是经由艏艉踏板上、下船，所以试验船舶是以艏部踏板处的X、Y、Z为准。

3 研究成果分析

3.1 系泊船舶运动量随波浪波高的关系

试验表明，系泊船舶的运动量随波高增大而增大。90°波浪作用时，船舶的横移和横摇随着波高的增大变化幅度较大，45°和0°波浪作用时船舶的纵摇和升沉变化较为明显。图2和图3是波浪平均周期6 s时系泊船舶横移和横摇随波高的变化曲线。

对于满载和压载两种不同船舶装载状态，船舶的运动量变化规律不尽相同。相同的波高下，满载和压载两种状态下90°波浪作用时船舶运动量均大于45°和0°时。在满载时，45°波浪作用时船舶运动量大于0°波浪作用时；压载时，则是0°波浪作用时船舶运动量大于45°波浪作用时。

表3列出了满载和压载状态下船舶在90°波浪平均周期为6 s时的船舶运动量。

通过对试验结果的分析可以得到：

1）系泊船舶的各运动量都随着波高增大而呈现出增大的趋势。

2）波浪条件相同的试验条件下，90°波浪作用时对船舶的作用比45°和0°时更加显著，船舶运动量明显大于45°和0°波浪时。

3）对比船舶的各运动量变化，90°波浪对船舶的横移和横摇运动量影响更显著，45°和0°波浪对船舶的纵摇和升沉影响较为明显，而船舶的纵移和回转随着波高增大增幅较小。

4）满载和压载两种不同的船舶装载状态下，船舶的运动量也不尽相同。满载状态下，90°波浪作用时船舶运动量大于45°和0°波浪作用时，45°波浪作用时船舶的运动量大于0°时；压载状态下，0°波浪作用时船舶的运动量大于45°时。

图2 波浪平均周期6 s时系泊滚装船横移运动量三分之一大值Fig.2 Significant swaying values under the action of waves of T=6 s

图3 波浪平均周期6 s时系泊滚装船横摇运动量三分之一大值Fig.3 Significantrowing values under the action of waves of T=6 s

表3 波高变化时船舶运动量三分之一大值Table3 Significantship motion values under the action ofdifferentwave heights

3.2 系泊船舶运动量随波浪周期的关系

试验表明，与系泊船舶的运动量随波高增大而增大不同，周期对船舶运动量的影响并不是随着波浪周期的增大船舶运动量也增大。90°波浪作用时，船舶的纵移出现了先增大后减小的现象，横摇也出现了从波浪平均周期为4～5 s时增幅较大，而5～6 s时增幅变缓甚至不增长的现象；在45°和0°波浪作用时，升沉和纵摇随着波浪的增大而增大，横移和横摇则变化幅度并不明显。图4和图5是波浪H4%=0.6 m时系泊船舶横移随周期的变化曲线。

对于满载和压载两种不同的船舶装载状态，

船舶的运动量变化规律不尽相同，满载时基本上都是45°波浪作用时的船舶运动量大于0°波浪时，而压载时则是0°波浪作用时的船舶运动量大于45°波浪时。同样的波浪条件下，并非90°波浪作用时船舶的各运动量都大于45°波浪和0°波浪时。升沉和纵摇随着波浪周期的增大，三个波浪方向的运动量互有大小。

表4分别列出了满载和压载状态下船舶在90°波浪波高H4%=0.6 m时的船舶运动量。

通过对试验结果的分析可以得到：

图4 H4%有效波高0.6 m时系泊滚装船横移运动量三分之一大值Fig.4 Significantswaying values under the action of waves of H4%=0.6 m

图5 H4%有效波高0.8 m时系泊滚装船横移运动量三分之一大值Fig.5 Significantswaying values under the action of waves of H4%=0.8 m

表4 波浪周期变化时船舶运动量三分之一大值Table4 Significant ship movements under the action of different wave periods

1）船舶的各运动量并非都是随着波浪周期的增大而增大，个别运动量出现了先增大后减小的现象。

2）同一波浪条件下，并非90°波浪作用时，船舶的运动量都大于45°和0°波浪时，随着波浪周期的增大，三个波浪方向的纵摇互有大小。

3）45°和0°波浪作用时，升沉随着波浪周期增大变化幅度较大，纵移、横移和横摇随着波浪周期增大变化幅度较小。

4）船舶运动量在满载状态下45°波浪时大于0°波浪时，而在压载状态下0°波浪又大于45°波浪时。

5）船舶横摇在波浪平均周期为4～5 s时增幅较大，在5～6 s时增幅变缓甚至不增长，这可能是波浪周期接近船舶的横摇周期。

6）在波浪平均周期4 s，45°波浪和0°波浪时，船舶的运动量相差不大，但是随着波浪周期的增大，波浪周期对船舶运动量的影响出现变化。

4 结语

通过对40槽车滚装船在不同波浪下的系泊模型试验，得到以下结论：

1）系泊船舶的各运动量都随着波高增大而呈现出增大的趋势，但各运动量并非都是随着波浪周期的增大而增大。

2）本次试验中，满载状态下45°波浪作用时船舶运动量大于0°波浪作用时，而压载状态下0°波浪作用时船舶运动量又大于45°波浪作用时。

3）在波浪波高相同、波浪周期由小到大的试验条件下，由于船舶的固有周期接近于波浪周期，船舶个别运动量出现了先是增幅较大到变缓甚至不增长的现象。

[1]JTS 165—2013，海港总体设计规范[S]. JTS 165—2013,Design code ofgenerallayoutforsea ports[S].

[2]OCIMF.Mooring equipmentguidelines[M].3rd Edition.2008.

[3]PIANC.Criteria for movements of moored ship in harbours[R]. Brussel:PIANC,1995.

Moored ro-ro dynamic response in different wave conditions

ZHANG Xian-bo,LIShan,SUN Yun-jia,LIU Zhi-yuan
（Tianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,CCCC Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics of CCCC,Tianjin 300222,China）

Based on 40 tank car ro-ro mooring ship physicalmodeltests under differentwave conditions,we illustrated the law ofmooring ship motion respectively in differentwave heights and wave periods,discussed the influence of the ship's motion by differentwave directions.Research results can be considered as an importantreference value on coastaland inland water ro-ro mooring operation.

ro-ro;mooring;operation;ship motions

U652.3

A

2095-7874（2015）12-0041-05

10.7640/zggwjs201512010

2015-06-23

2015-12-05

张先波（1982—），男，山东荷泽人，硕士，工程师，港口海岸及近海工程专业。E-mail：zhangxianbo@tpei.com.cn