基于ANSYS-AQWA的垫挡船码头靠泊特性分析_袁培银.pdf

第 42 卷第 3 期重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Vol 42No32023 年 3 月JOUNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVESITY(NATUAL SCIENCE)Mar 2023DOI:103969/jissn1674-069620230311基于 ANSYS-AQWA 的垫挡船码头靠泊特性分析袁培银1，李渝锋1，赵宇2，张哲1(1 重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074;2 重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074)摘要:船舶逐步向标准化、大型化的方向发展，有效减少或避免大型船舶对码头碰撞是工程领域亟待解决的问题。采用 ANASYS-AQWA 仿真软件，基于三维势流理论与时域分析方法，结合山区河流水流湍急、流量变幅大的特点，采用数值分析的方法，研究了船舶在不同系泊方式下的系泊运动响应特性。研究结果表明:0和 180的浪向角对纵荡幅值响应算子的影响最明显;90的浪向角对横荡、垂荡和横摇响应较大，对纵荡、纵摇和艏摇影响较小;2-7-2 系泊方式对于船舶的横向运动限制更好;4-4-4 系泊对于船舶的纵向运动限制更好。关键词:船舶工程;三维势流理论;垫挡船;幅值响应算子;系泊特性;码头靠泊中图分类号:U6759;X7363文献标志码:A文章编号:1674-0696(2023)03-078-06Characteristics of Cushion Ship Berthing at DockBased on ANSYS-AQWAYUAN Peiyin1，LI Yufeng1，ZHAO Yu2，ZHANG Zhe1(1 School of Shipping and Naval Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2 College of Architecture and Urban Planning，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)Abstract:Ships are gradually developing in the direction of standardization and large scale It is an urgent problem to besolved in the engineering field to effectively reduce or avoid the collision between large ships and wharves Based on thethree-dimensional potential flow theory and time-domain analysis method，and in combination with the characteristics ofturbulent flow and large flow variation in mountainous rivers，the mooring motion response characteristics of ships underdifferent mooring modes were studied by adopting the numerical analysis method and ANASYS-AQWA simulation softwareThe research results show that the wave direction angles of 0 and 180 have the most obvious effect on the amplituderesponse operator of surge，and the wave direction angle of 90 has a larger response to sway，heave and roll，and a smallerimpact on surge，pitch and yaw The 2-7-2 mooring mode has a better restriction on the lateral movement of ships，while the4-4-4 mooring mode has a better restriction on the longitudinal movement of shipsKey words:ship engineering;three-dimensional potential flow theory;cushion ship;amplitude response operator;mooringcharacteristics;wharf berthing0引言随着经济迅猛发展，三峡库区通航船舶数量逐步增加，码头附近靠泊作业的船舶吨位陡增。往来船只众多，停靠船舶与码头发生碰撞事故时有发生，碰撞事故不仅会增加了码头维修费用，还会对船员和码头工作人员安全产生隐患。三峡大坝建成后，三峡库区水位上升，水面变宽，水域面积增大;另外，水位抬高导致水深和过流面积的大幅度增加，水流明显变缓1。随着航道优化，三峡库区的船舶也逐步向标准化、大型化的方向发展。因此，开展三峡库区系泊船舶水动力性能分析，对于工程建设、防灾减灾具有十分重要意义。学界对码头系泊船舶运动特性进行了相关的研收稿日期:2021-03-19;修订日期:2021-11-23基金项目:重庆市教委科研项目(KJZD-K202200703)第一作者:袁培银(1987)，男，黑龙江依安人，副教授，博士，主要从事船舶与海洋结构物方面的研究。E-mail:yuan_pei_yin 163com究。在考虑影响船舶码头系泊系统的外界因素时，不能只考虑某一单个因素，影响船舶撞击的环境因素应考虑风、流、波浪和水面高度等2。高峰等3 对码头系泊过程中的环境条件、船体运动及护舷碰撞力进行了模拟计算，发现运动响应幅值、缆绳张力和碰撞力会随着频率变化而改变;胡毅等4 利用多体水动力计算软件对船码头系泊时的运动特性进行了研究，分析了 LNG 船码头系泊时的整体运动响应及系缆绳所受张力变化规律;周丰等5 设计了船舶码头系泊系统，优化了系泊系统方式，使得船舶码头系泊系统的特征量计算更加地高效;GANT 等6 通过数值计算，研究了码头系泊船舶六自由度运动响应与波浪载荷的关系;TAN Huiming 等7 利用模型试验方法，研究了在风浪流作用下的泊位长度对LNG 船舶系泊影响，试验表明:波浪力是影响船舶运动的最大因素，泊位长度对船舶运动影响不明显，但较短的泊位长度有助于降低缆索的张力;POSA-SANTOS 等8 从减少系泊船舶运动、改善泊位操作和安全条件方面出发，分析了护舷类型对系泊缆张力的影响;ITOUZON 等9 利用运动学方程，模拟了支撑结构与系泊系统之间的相互作用;ZHU Feng等10 为了解中长周期波浪对船舶动力响应的影响，基于势流理论，对 3 种典型停泊集装箱船在波浪相互作用下进行了水动力分析;刘明维等11 基于材料力学的基本理论，推导得到了船舶系缆力与浮式系船柱柱身应变之间的定量关系，并结合系缆力作用下浮式系船柱有限元模型，计算得出了浮式系船柱所受系缆力，用来评估过闸船舶的系缆安全;张婧等12 以单点系泊 FPSO 为研究对象，从 6 自由度运动和系缆张力响应出发，比较了张紧式和悬链线式系泊系统对于平台水动力性能影响，研究结果表明选取合适的内转塔位置和系泊缆与海底夹角布置方案，可有效地降低船体运动响应及系泊缆张力。笔者基于三峡库区水域的实测资料，考虑三峡库区浅水深影响，探讨了船舶的系泊方式，分析了船舶水动力性能，评估了风、浪、流联合作用下船舶的系泊安全。1计算理论11三维势流理论假设流体为无黏性、无旋、不可压缩，则可引入速度势(x，y，z，t)来描述流域内的运动13。当海洋结构物以自由面为基准时，速度势满足 Laplace方程，如式(1):2(x，y，z，t)=0(1)Laplace 方程和描述物体运动的速度势需要进行线性化处理。假定波浪和结构物的运动都较小，而流场中的速度势由入射波速度势、绕射势和辐射势叠加而成，如式(2)。(x，y，z，t)=I(x，y，z，t)+D(x，y，z，t)+(x，y，z，t)(2)式中:I为入射波速度势，表明流场中速度分布的情况;D为绕射势，表明结构物对流场内的速度产生的影响;为辐射势，表明结构物 6 个自由度的运动及振荡对流场的影响。12系缆力计算方法系泊缆在外力作用下发生形变，所产生的力为非线性14，其计算如式(3):F=Kcd2SS()n(3)式中:F为缆绳拉力，kN;d 为缆绳直径，m;Kc为缆绳弹性常数，对尼龙绳而言，Kc=156104MPa，对钢丝缆，Kc=275105MPa;n 为材料特性相关的指数，尼龙绳 n=15;S/S 为缆绳相对伸长比。如果带缆桩的坐标为(X1，Y1，Z1)，船舶在初始船位时导缆孔的坐标为(X2，Y2，Z2)，则缆绳应变14 计算如式(4):S=(X2X1)2+(Y2Y1)2+(Z2Z1)2+LoLo(4)式中:为导缆孔到系泊绞车的距离;Lo为船舶在初始位置时的缆绳原长。2模型建立21模型参数建立模型时，预先对坐标系进行定义:船长为X 轴方向，X 正方向为船尾指向船艏;船宽为 Y 轴方向，Y 正方向为右舷指向左舷;Z 轴向上为正，水线面处 Z=0，坐标原点为船尾水线面左右对称点。环境载荷作用的方向定义是与 X 轴正向的夹角，逆时针旋转为正。船舶六自由度运动响应中，沿 X轴方向运动为纵荡(surge);沿 Y 轴运动为横荡(sway);沿 Z 轴运动为垂荡(heave);绕 X 轴转动为横摇(roll);绕 Y 轴转动为纵摇(pitch);绕 Z 轴转动为艏摇(yaw)。表 1 为垫挡船与码头的主尺度参数。97第 3 期袁培银，等:基于 ANSYS-AQWA 的垫挡船码头靠泊特性分析表 1模型主尺度参数Table 1Model principal scale parameters参数模型船舶码头总长/m752952型宽/m253型深/m226吃水/m15排水量/t15781重心坐标 x3760037600重心坐标 y00840重心坐标 z1110022模型验证在进行水动力分析之前，为保证文中所建立的水动力模型数值模拟结果准确性，笔者对码头-船舶模型划分不同密度的网格，探究在网格密度变化情况下，船舶波浪响应变化趋势是否满足要求。方案1 为网格允许公差 01 m，最小网格尺寸为 1 m 的船舶有限元模型;方案 2 为网格允许公差 015 m，最小网格尺寸为 12 m 的船舶有限元模型;方案 3 为网格允许公差 02 m，最小网格尺寸为 15 m 的船舶有限元模型。在这 3 种不同网格划分下，选取相同的环境参数，分别对其进行水动力性能数值分析。图 1 为波浪入射方向为 45时，两种网格划分下的纵荡波浪幅值响应算子。图 1网格密度验证Fig 1Grid density verification由图 1 可知:这 3 种网格划分下的纵荡波浪幅值响应算子变化趋势以及具体数值几乎一致，其峰值相差仅为 1%，故可用原来的水动力模型进行相关的水动力性能分析。笔者最终采用 ANSYS 软件建立船舶-码头的湿表面模型。网格允许公差 01 m，最小网格尺寸为1 m;主船体划分 907 网格，码头划分 1 766 网格，共计 2 673 网格。码头-船舶模型如图 2。图 2码头和船舶模型示意Fig 2Schematic diagram of dock and ship model3幅值响应计算分析基于势流理论，笔者分析了浪向角对幅值响应算子(response amplitude operator，AO)影响。规定以船尾来向为