船舶在装货、卸货和休船时大部分停靠在码头。码头环境空旷、开放,所以时刻经受着风、浪、流的联合作用[4,5]。为了限制船体的运动,一般采用系泊的方式加以限制。所以,系泊系统的作用至关重要,尤其碰到十年一遇和五十年一遇的恶劣工况时,系泊缆的布置显得更加重要[6,7]。
对于系泊系统的研究,国外学者开始的比国内早。1960年,蛟岛等人便开始研究船舶系统[8],得出了相关的结论。此外,为抑制偏向震荡和系泊缆拉力还可以通过增加吃水和增加单位长度系泊缆重量等方法。
米田等人研究了双系泊问题,得出了一系列结论:当风速不是很大时制荡锚才能够限制偏向震荡;当两系泊缆夹角较小时,两舷系泊缆上交互作用着的冲击载荷与单系泊情况大小差不多;但是,在左舷和右舷夹角为 时,船舶基本上不产生偏向震荡;在系泊缆夹角为 以上、风向偏出系泊缆线外 时,随着偏角的增大,偏向震荡再次出现;在这种情况下,系泊缆所受到的拉力反而比单系泊的情况受到的拉力更大。米田等人后来又进行了试验,证明了这个结论的正确性。
频域模拟和时域模拟是常用的两种方法[9],用于模拟波浪和结构物(船舶和码头)之间相互作用这一类问题。在现实中,系泊系统由码头、护舷和系泊缆组成,是一个非线性的系统,所以船舶的运动情况也比较复杂,运动方程不再是简单的正弦或余弦函数,像这种多个因素组合影响的问题可以通过时域耦合的方法来解决。常用的时域耦合方法有格林函数法,Isaacson和Cheung曾经用摄动开展理论和格林函数法对时域做了研究。
码头系泊问题实际上可以归结为水流和结构物之间的作用问题[10]。不同于固体与固体之间的碰撞作用,流体与固体作用时存在绕射问题。有限元法是解决绕射问题的方法之一。利用变分原理,将绕射问题转化为求函数极值问题,控制方程以及边界条件决定了这个函数。但有限元法同样存在不足[11-13]:模型划分的单元数量不是无穷的,是有限制的。所以在具体操作时,将模型分为两个部分,内部和外部。内部使用有限元法而外部求助于其他方法。这里方法有以下几种:级数解法、无限元法和积分法[14,15]。
2、 国内研究现状
国内的研究者对系泊系统也做了大量的研究,在学习西方已有成果的基础上,取得了很丰富的成果。系泊系统的研究在我国时间并不长。最先研究系泊系统的是刘建成[16]等人。刘建成等人最先设计了一种简单的单点系泊系统,虽然结构相对简单,但是将风、浪和流的作用考虑了进来,并在采油海域实施,具有相当的实用性。实际上,风、浪和流的作用是个统计量,变化规律难以掌握,所以普遍用风流力系数来近似简化问题,将高阶方程简化为一阶函数,这样三个函数就可以线性叠加,大大简化了问题的复杂性。这一方法在实际中已经得到验证,是可行的。
范菊、黄祥鹿[17]二人利用频域方法,研究了较低频率低速震荡下,阻尼力的变化情况。相位的数值可以通过分析频域得到。再采用摄动理论推导得出二阶的系泊缆张力响应函数,最后对比算例和相应的时域结果,频域方法所得的结果与时域方法所得的结果基本一致。
对于船舶计算方面的研究,特别是在复杂环境条件下的受力计算方面,前人给出了很多的方法和经验。针对系泊这一类问题,比较权威且应用广泛的是国际石油公司提出的经验计算公式。这些经验公式在实践中得到了验证,但是一直以来还没有一家机构能够给出船舶受到波浪力时的计算方法,这是一个专业难题,亟待解决。所以,对于大部分的码头系泊问题研究者采用了试验的方法。虽然船舶受波浪力很难用计算公式解决,但是系泊缆张力是可以的,目前已经开发出了专门用于计算系泊缆的受力的软件。国内的很多专家在此基础上为系泊缆张力的计算做出了贡献。向溢、谭家华率先提出了两种重要的方法:蒙特卡洛算法和混沌算法[18];之后杨启等人利用这一结果,进一步改进了方法,推出了模矢搜索法,这一方法较之前的方法来说,提高了效率和准确度。这两种方法思路相同,系泊系统平衡时的方程是一个非线性的方程组,将这个方程组转化成优化问题就可以了。 系泊系统研究现状和发展趋势:http://www.chuibin.com/yanjiu/lunwen_206623.html

