系泊系统分析计算软件概述.pdf

系泊系统分析计算软件概述系泊系统分析计算软件概述 孙明坤 大连理工大学， 辽宁大连 （116023） 摘摘 要：要：由于船舶停靠码头时受力情况复杂，缆绳破坏造成破坏严重，对此已有许多模型和 数值研究物理模型试验造价高，通用性差，而利用计算机程序对系泊系统进行数值模拟的 应用软件弥补了这一不足在国外系泊系统分析软件已经被广泛应用设计单位和科研院所， 但是国内对这类软件的述及很少 因此， 本文对目前国际上应用比较广泛的几个软件进行介 绍，以便给国内单位提供信息参考和使用开发借鉴 关键词：关键词：系泊系统，应用软件，船舶位移 1. 背景背景 码头前系泊的船舶与缆绳、护舷共同组成系泊系统系泊的船只没有完全的被固定，它 可以随着潮汐，货物的装载、卸载等做升沉运动，同时由于风、水流、波浪等外在环境因素 作用而产生震荡，包括 6 个自由度的运动（即纵移、横移、升沉、横摇、纵摇、回转） 由 外海传来的波浪，或附近船舶航行兴起的波浪，会使在港内停泊的系泊船产生运动有时会 发生这样的情况，虽然波浪振幅不是很大，却会使船舶产生较大幅度的运动，严重的会影响 装卸作业，且延长船舶在港内的停泊时间，使相应的费用增加，有时甚至发生断缆等事故而 招致更大的损失。

船舶运动中对码头设施的碰撞将影响结构强度和码头稳定性因此，船舶 靠泊时需保证正常作业下不发生大的运动响应，并保证港口操作的安全 对于船舶的运动问题， 通常情况下国内是用物理模型试验对实际情况进行模拟， 得到所 需参数， 为实际工程提供允许系泊及装卸作业的条件 模型试验是检验解析理论和数值方法 正确性的主要依据，但是在实验中许多因素是不可模拟和不可控制的，而且具有费用高，周 期长等缺点，只宜在设计最后阶段使用克服这一不足的主要途径是数值模拟，数值模拟需 要时间短，经济效益好，可以随时增加分析功能，并且通用性好对于此方面的数值模拟国 外起步较早，取得了一些成果，且已开发出有实用意义的应用软件但是国内的研究尚且不 多， 基于数值模拟研究成果的应用软件更是少之又少 系泊系统分析计算软件对于系泊缆绳 的选取、系泊设备的设计、码头方案的设计，系泊方式的确定都有着重要的指导意义，而且 软件通常采用友好的用户界面形式，使软件的使用更简单，更准确，因此是未来解决船舶码 头安全和作业效率问题的发展趋势 土木工程结构的分析计算软件已经被广泛应 用，例如 Ansys，PKPM，SAP 等；专门用于设计 计算港口水工结构物的商业软件，也已经得到广 泛推广，例如排架结构设计计算软件、高桩码头 结构设计计算软件等。

系泊系统的计算分析，是 介于船舶工程、海洋工程的边界领域，由于其系 统的复杂性产生的比较晚但是随着港口船舶事 业的发展，各方面对这种软件的需求越来越急迫国外这种软件应用已经很普遍，不但设计 单位、 研究单位运用其进行研究， 甚至有些高校已经把对系泊系统分析软件的使用作为一门 课程进行专门学习,见 Fig1但是国内这种软件的发展相对缓慢，使用者很少，而且国内尚 没有开发自己的相关软件 不但如此论及系泊系统分析计算软件的文章也不多， 缺少必要的 搜集整理 因此本文对系泊系统分析计算软件进行整理和归纳并作以简单的介绍， 目的在于Fig.1 Shi-mooring 系泊系统分析软件界面 -1- 给设计单位和码头管理单位提供必要的信息，给以后开发这种软件的人用作参考、借鉴 2. 软件使用概况软件使用概况 系靠方式应该随不同的环境荷载作用而不同， 如果系靠方式不合理某根缆绳所受张力就 会超过拉力极限时而发生断裂， 然后外力在余下的缆绳中重新分配， 结果很有可能导致全部 缆绳崩断 对系靠系统建立合理的数学模型， 用数值模拟的方法对系泊体系的内力进行分析 预报可以有效的减少损失的发生 同样可以由程序计算出船舶作业的允许条件， 可以提高码 头的运营效率。

另外，在拟建港口码头时，可以对待建工程进行数值模拟，从而选择最合理 的设计方案目前关于系缆力，挤靠力对码头结构的影响，都是根据规范进行粗略的计算， 通过应用程序的计算分析，可以得到更准确的船舶荷载，为码头结构的计算提供依据 国际上开发船舶海洋工程软件的公司主要有荷兰的 MARINE 及 Alkyon 等 目前已有的 船舶及海洋工程分析计算软件种类繁多，如 Termsim, Ship-mooring, DREDSIM, LIFSIM, Optimoor 等主要用于计算系泊船舶运动和内部应力的软件主要有：TERMSIM (MARINE)， Ship-mooring(Alyon), optimoor (Tension Technology international: TTI)另外 DREDSIM 用于模拟在波浪作用下，挖泥船的作业能力；LIFSIM 用于对船舶装卸作业的起 重系统进行分析等 此外还有一些软件对于船舶运行过程中对船舶进行分析的软件 这些应 用软件的开发为码头运营以及船舶作业提供了便利条件 本文主要介绍码头前系泊船舶的分 析计算软件 3. 现有软件介绍现有软件介绍 3.1 系泊系统计算模型系泊系统计算模型 目前对系泊船运动的研究已经引起了广大学者的重视， 研究系泊船运动的动力方法主要 有：Ueda提出的常系数法[1] 和Cummins提出的迟滞函数法[2]。

我国广泛应用的是迟滞函数 法根据Cummins提出的时域方法，利用频域下的波浪激振力、附加质量和辐射阻尼，然后 通过傅立叶变换得到时域下的波浪作用力、 附加质量和迟滞函数， 最后通过船舶的时域运动 方程求得船舶的运动相应和系泊系统的内部应力 根据动力学原理得到的船舶运动和系泊系 统内部应力，允许船舶有大位移，可以应用于多种波浪形式，因此应用的范围广、计算相对 准确 在对于有掩护的码头，码头前波浪影响很小，通常也可以考虑用静力模型进行计算 静力模型，即船舶受到的一切外荷载均按照等效静力考虑风荷载、水流力按照OCIMF[3] 的推荐公式和系数进行计算， 波浪力只计入定常漂移力 根据静力模型原理设计出来的软件 有一定前提条件，因此在使用时有局限性但是针对不同的需要，以静力模型为基础的软件 有其特定的使用范围 3.2 软件功能介绍软件功能介绍 工程应用软件为达到用户使用的要求， 首先分析计算功能应该满足用户的需要， 其次要 有足够的计算准确度，另外良好的用户界面也是不可缺少的环节 -2- Fig.2 系泊船舶计算自由度 随着世界经济的发展，船舶不断大型 化， 由此带来的问题日益引起人们的注意。

船舶大型化要求停靠时的水深变大，为满 足这一需求停靠码头逐渐向深海发展随 之而来的问题是恶劣的海洋环境导致船舶 系泊时船舶运动量变大，使装卸作业变得 困难， 甚至会引起断缆等恶性事件的发生因此系泊系统的动力响应分析计算的数值模 拟不断受到学者的重视对于以动力响应为 模型的系泊系统分析软件主要考虑的外界作用包括：波浪、流、风、潮汐等波浪又分为规 则波和不规则波；流又分为潮流和非潮流；风场可分为稳定场和不规则场；潮汐可分为潮流 和潮汐[4]因此基于动力响应理论的系 泊系统分析软件的计算就比较复杂有一 定难度目前普遍流行的做法是在时域 内数值模拟系泊船舶在外界条件作用下 六个自由度方向上的动力响应，见Fig2 可以对单点系泊、多点系泊、岸壁码头、 透空码头等多种码头形式进行计算荷 兰Alkyon开发的Ship-mooring是典型的 动力模型分析软件，见Fig3由于靠泊船舶缆绳和防护舷的恢复力都是非线性 的，风、水流、波浪的作用力业需要考 虑其非线性，所以数值模拟需要采用时域方法因此软件按照Cummins(1962) [2]提出的方法 在时域内求解船舶的运动方程，而系泊船舶的水动力荷载在频域内求解，然后采用Oortmerssen(1976) [5]提出的方法将频域内的水动力荷载转换到时域内[6]。

根据这种方法允许 船舶在水平方向有大位移并且该软件可以计算多种外界作用，包括波浪激振力，水动力， 水静力，风荷载，水流力，缆绳力等等波浪激振力可以计算不同形式的波，包括一阶不规 则波，二阶长波，微幅波漂移力等而高频水动力反应系数则应用Cummins(1962)[2]提出的 迟滞函数法 对于这样一个大规模的应用软件， 仍然没有忽略细节问题的设计 Ship-mooring 则按照护舷三维的实际作用点进行计算， 而不是象通常的做法那样把防护舷当作一维作用力 处理；受力计算会随船舶位置变化而变化；同时软件可以计算船上任意一点的位移、速度、 加速度；可以计算特殊的外界荷载如冰荷载、过往船舶等的作用 Fig.3 应用 Ship-mooring 对单点系泊船舶的模拟 Fig.3 应用 Ship-mooring 对单点系泊船舶的模拟 根据不同的需求，系泊系统的分析软件也有根据静力模型进行设计的对于一些掩护 较好的码头，停靠作业的环境良好，船舶产生的运动量很小，因此采用静力模型计算的结果 能够满足使用者的要求 虽然使用静力模型有一定的条件限制， 但是对许多条件良好的码头， 并且对计算结果要求不高的情况下， 例如对于港口工程结构计算中这类软件是很实用的。

通 常情况下满足规范要求的允许靠泊作业条件时， 船舶的运动量都不是很大， 因此静力模型得 以广泛应用美国Tension Technology International (TTI)开发的系泊系统计算优化软件 Optimoor，采用的就是静力模型TTI在缆绳研究使用领域有着很丰富的经验该静力模型 在计算外荷载时，将外荷载按照静力考虑计算风和水流荷载时，采用OCIMF推荐的公式 及风和水流系数对于波浪荷载，它采用的方法是，通过用户给定的波高计算出波浪作用在 船上的近似静力， 然后把波浪力叠加到风荷载中 但是如果系统受到了其它类型外荷载的作 用，如冰荷载、拖船荷载或由经过的船舶对系统产生的作用力时，用户只能手工计算这些外 界因素的力和力矩，然后将结果输入到软件中，再由软件计算其余部分[7]该软件的局限性-3- 不仅在于荷载方面， 通过该模型只能求出船舶在水平面内三个自由度方向的位移即纵移、 横 移、 回转 使用Optimoor可以计算船舶在静力荷载作用下的缆绳内力、 防护舷受到的挤靠力、 码头上的系船柱受到的力等，并可以给出每根缆绳在最不利风向时的内力John F. Flory等 应用Optimoor进行了大量的分析计算，对不同属性、质量的缆绳以及不同的带缆布置情况分 别进行了计算分析，得到了满意的结果[8]。

但是对于深海码头，由于海洋环境恶劣，波浪等因素的动力作用不能被忽略，静力模 型分析计算的结果与实际情况相差很大， 因此还是应该选用以动力模型为基础的软件进行分 析计算 除了以上介绍的两个软件， 国际上还有一些系泊系统的计算软件也得到了广泛应用， 例 如我国广州船舶及海洋工程研究设计院引进的辅助分析设计软件TermSimⅡ也是采用动力 分析在时域内求解的模型[9]TermSim也是基于动力分析的软件，可以计算单点系泊系统、 多点浮体系统、岸壁码头等多种系泊系统 3.3 软件的用户界面软件的用户界面 目前开发的应用软件大多具有良好的用户界面，减小 了用户使用的难度例如，有限元分析软件 Ansys 就具有 图形输入、命令输入、命令流输入等多种输入功能，以及 文本输出、图示输出、动画输出等为满足不同的需要设计 的输出形式现在已有的系泊系统分析计算软件也同样提 供了丰富友好的用户界面，大多支持图形输入、对话框输 入、文件输出、图形输出动画显示等功能，使用户可以清 楚的了解复杂的船舶运动和受力情况，见 Fig4例如， ship-mooring 提供了。