系泊船舶艉部与重心运动量差异的试验研究

张先波，杨亚先，吕迎雪，黄宣军，孙士勇（.中交天津港湾工程研究院有限公司 中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 00；.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 00；.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 000）



系泊船舶艉部与重心运动量差异的试验研究

张先波1，杨亚先2，吕迎雪1，黄宣军1，孙士勇3
（1.中交天津港湾工程研究院有限公司 中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；3.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

摘要：通过对40车滚装船在波浪作用下的尾部踏板与重心位置运动对比船舶系泊物理模型试验，得到了在相同的试验条件下，系泊船舶各运动量在艉部踏板和重心位置的差异，并分析了造成差异的原因，研究成果对沿海及内河槽车滚装船装卸作业有重要的参考价值。

关键词：重心；艉部；作业；船舶运动量

引 言

在进行船舶系泊物理模型试验时，一般都是通过测定船舶重心处的运动量和装卸作业允许的船舶运动量作对比，看其是否满足船舶装卸作业的要求［1～5］。但对于滚装船而言，本身无装卸设备，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。所以，为了汽车进、出船舱安全，对于船舶艏、艉踏板处的运动量也有限制要求。

基于上述原因，本文以 40槽车滚装船为例，开展了系泊船舶在波浪作用下船舶艉部踏板和重心位置运动量差异的物理模型试验研究。

1 船舶尺寸与试验条件

试验船型采用 40车滚装船，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

1.1 试验水位及波浪

试验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。试验采用的波浪要素见表2。

表2 试验波浪要素

1.2 系缆布置及护舷

试验缆绳为 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）。

滚装船码头护舷均采用500H 拱型橡胶护舷，设计反力344 kN，设计吸能72 kJ（变形52.5 %），最大反力为476 kN （变形55 %）。系缆柱及护舷布置见图1。

图1 系缆布置图及护舷位置

2 试验方法

2.1 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 。

2.2 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要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《波浪模型试验规程》给出的公式进行计算。

2.3 数据分析

纵移向船艏方向为正，横移离开码头为正，升沉向上为正，纵摇船艏向下艏艉向上为正，横摇甲板离开码头为正，回转船艏离开码头为正。

3 研究成果分析

本次研究进行了不同波浪条件的船舶重心和艉部运动量差异的对比，波浪当波高和周期较小时，船舶重心和艉部的运动量略有差别，但总体差别不大，但当波浪波高和周期都增大时，运动量差异就会呈现不同程度的变化，有的略有差别，有的变化明显。总之，在船舶的运动的六个运动量中，线位移量（纵移、横移、升沉）有变化，角度量（纵摇、横摇、回转）则变化不大。

通过比较分析不同波浪条件下的运动量差异，为今后艏、艉上下汽车的滚装船系泊作业提供参考。限于文章篇幅，本文只针对H4%波高为0.8 m，波浪平均周期为5 s的研究成果进行分析说明。

3.1 90°波浪时船舶艉部与重心的运动量差异

通过分别对比满载和压载装载度时船舶重心和艉部运动量，发现系泊船舶的六个运动量中角度（纵摇、横摇、回转）的变化量不大，而位移（纵移、横移、升沉）却呈现出不同程度的变化。

1）船舶三个位移运动量中升沉变化较大，运动量差异值在50 %左右，横移也出现超过20 %的差异，且运动量都是船艉时大于重心处；对于三个角度运动量来说，变化幅度不大，均未超过15 %。

2）在波浪用下，船舶各运动量并不是相互孤立的，造成船舶重心和艉部运动量差异是船舶各运动量共同作用的结果。分析造成运动量差别的原因，船舶纵摇肯定是造成升沉差别较大的因素之一，由于纵摇的原因，使得船舶重心和艉部运动的幅度产生差别，从而造成重心和艉部的升沉差别较大，一般情况下船舶艉部的升沉大于重心处；同样，由于回转的原因，使得船舶重心和艉部横移也会产生差别，一般情况下船舶艉部的横移大于重心处。

表3和表4分别列出了90°波浪作用时满载和压载装载度下重心和艉部运动量及其差异的比较，表中：差异=（重心-艉部）/重心。

表3 90°波浪满载时船舶运动量比较

表4 90°波浪压载时船舶运动量比较

3.2 45°波浪时船舶艉部与重心的运动量差异

1）45°波浪作用下，系泊船舶的六个运动量中横移和升沉变化较大，其他运动量则变化不大（满载时横摇变化较为明显）。

2）船舶运动量中升沉和横移变化较大，且运动量都是船艉时大于重心处；其中满载时，横移和升沉比压载时变化更大，幅度达100 %以上。

正如 90°波浪时所分析，船舶纵摇是造成升沉差别较大的因素之一，且船舶艉部的升沉大于重心处；由于回转的原因，使得船舶重心和艉部横移也会产生差别，一般情况下船舶艉部的横移大于重心处。表5和表6分别列出了45°波浪作用时满载和压载装载度下重心和艉部运动量及其差异的比较。

表5 45°波浪满载时船舶运动量比较

表6 45°波浪压载时船舶运动量比较

3.3 0°波浪时船舶艉部与重心的运动量差异

在0°波浪自船艏至船艉传播的作用下，系泊船舶的六个运动量中升沉变化较大，其他运动量则变化不大。

1）船舶三个位移运动量中升沉变化较大，运动量差异值基本都在60 %左右，且运动量都是船艉时大于重心处；其他运动量变化幅度不大，均未超过20 %。

2）通过 0°波浪可以分析，在波浪作用下，船舶艏艉随着波浪此起彼伏，造成艏艉升沉运动量大于重心处的运动量。

表7和表8分别列出了90°波浪作用时满载和压载装载度下重心和艉部运动量及其差异的比较。

表7 0°波浪满载时船舶运动量比较

表8 0°波浪满载时船舶运动量比较

4 结 语

1）波浪条件不同对于船舶重心和艉部运动量的影响也有不尽相同。波向为90°和45°时，船舶重心和艉部的横移和升沉也有所不同，波向为0°时，主要是船舶升沉有所不同，且均是艉部的运动量大于重心处。

2）波浪用下，船舶的各运动量并不是相互孤立的，而是相互耦合，造成船舶重心和艉部运动量的差异是船舶各运动量共同作用的结果。

3）对于系泊作业的船舶，当对船舶艏、艉运动量也有要求时，为了工程安全起见，在进行系泊试验时，应对船舶的艏、艉运动量进行测定。

参考文献：

［1］ 张先波.浙江舟山液化天然气（LNG） 接收及加注站项目一期工程船舶系泊物理模型试验研究报告（滚装船码头部分）［R］.天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2015， 5.

［2］ 黄宣军.浙江舟山液化天然气（LNG） 接收及加注站项目一期工程船舶系泊物理模型试验研究报告（LNG码头部分）［R］.天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2015， 3.

［3］ 黄宣军.河北沧州黄骅港LNG项目系泊船舶运动物理模型试验研究报告［R］.天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2014， 9.

［4］ 聂鸿鹏.海南中油深南LNG储备库项目配套码头工程船舶泊稳试验研究报告［R］.天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2013， 5.

［5］ 张先波.广厦（舟山）能源集团有限公司黄泽山油品中转储运项目船舶系靠泊物理模型试验研究报告［R］.天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2012.

Physical Model Study of Ship Motion Differences between Stern and Center of Gravity for Moored Ro-Ro Ship

Zhang Xianbo1， Yang Yaxian2， Lyu Yingxue1， Huang Xuanjun1， Sun Shiyong3
（1.CCCC Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics， CCCC Tianjin Port Engineering Institute， Tianjin 300222， China；2.CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China；3.CCCC Third Harbor Consultants Co.， Ltd.， Shanghai 200032， China）

Abstract：Based on 40 tank car ro-ro mooring ship physical model tests ， the difference of ship motions between the center of gravity and stern are compared in the same wave conditions， the causes of the differences are analyzed.Research results can be Considered as an important reference value on coastal and inland water ro-ro mooring operation.

Key words：center of gravity；stern；operation；ship motions

中图分类号：U661.33+8

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0013-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160203

收稿日期：2015-07-13

作者简介：张先波（1982-），男，工程师，主要从事港口海岸及近海工程试验研究。