关于集装箱船系泊系统动力学的实验研究：波浪条件、泊位位置及系泊绳类型之间的耦合效应

《Ocean Engineering》：Experimental study on the mooring system dynamics of container ships: Coupling effects of wave conditions, Berth locations, and mooring line types

本研究通过物理模型试验，分析不同波浪条件（波高0.8-1.5m，周期14-18s）下，5万DWT集装箱船在三个泊位及三种系泊系统（HMSF+聚酯、HMSF+尼龙、全尼龙）中的动态响应，揭示波浪参数、泊位位置与系泊线刚度的耦合影响，提出优化系泊设计的建议，并提供基准数据集验证数值模型。

　　在现代航运和港口运营中，大型集装箱船的安全系泊是一个极为关键的问题。尤其是在波浪主导的港口环境中，船舶在系泊时可能受到波浪、洋流、风力以及过往船舶交通等多种因素的影响，从而引发过度运动、系泊缆绳过载，甚至对港口基础设施造成损害。因此，研究如何优化系泊系统设计，确保船舶在恶劣海况下的安全，成为港口工程领域的重要课题。本研究以喀麦隆西南部的基里港口（Kribi Deepwater Port）二期工程为背景，通过系统性的物理模型试验，深入探讨了不同波浪条件、系泊位置以及系泊缆绳类型对船舶运动和系泊力的影响，旨在为港口工程提供科学依据和实践指导。

基里港口二期工程包括两个大型集装箱泊位（泊位C和泊位D），并配有延长的防波堤，以提供相对安全的系泊环境。前期研究已确认这些泊位在波浪条件下的可操作性，但缺乏对船舶动态响应机制的深入分析。本研究则通过实验，进一步揭示了波浪参数、泊位暴露程度以及缆绳刚度之间的相互作用，为港口的系泊系统设计提供了重要的参考。

船舶在波浪中的动态响应是一个复杂的多因素问题。已有研究表明，长周期波浪（如涌浪和重力波）是引发船舶共振运动的主要因素。这些波浪能够激发较大的水平运动，如横摇、纵荡和漂移，对船舶的稳定性构成威胁。特别是在某些特定港口，如印度洋的汉班托塔港和日本的志布志港，研究人员发现，外部波浪引发的港口振荡往往主导了船舶的动态响应。同样，在西班牙的蓬塔朗塞拉港，研究人员利用小波变换分析，识别了由重力波激发的特定港口共振模式，并展示了船舶横摇如何导致漂移运动。这些研究虽然揭示了波浪周期对船舶运动的敏感性，但多集中于单一环境因素的分析，缺乏对波浪高度和周期共同作用的系统研究。

本研究则致力于填补这一知识空白。通过控制实验条件，我们考察了波浪高度（Hs）从0.8米到1.5米、波浪周期（Tp）从14秒到18秒之间的变化对船舶运动和系泊力的影响。同时，我们还对比了三种不同的系泊系统：类型A（HMSF+聚酯缆绳）、类型B（HMSF+尼龙缆绳）和类型C（全尼龙缆绳）。实验结果显示，Hs和Tp的变化对船舶运动有显著放大作用，其中漂移运动的最大增幅可达277%。此外，不同泊位的位置对船舶运动的严重程度也有明显影响，暴露程度较高的泊位表现出更剧烈的响应。

系泊缆绳的刚度在影响船舶运动和系泊力方面起到了决定性作用。类型A的系泊系统由于使用了刚性较高的聚酯缆绳，能够承受较大的系泊力，但在极端条件下存在过载的风险。相比之下，类型C的全尼龙缆绳虽然提供了更大的灵活性，却可能导致船舶在波浪作用下产生过大的位移。因此，系泊系统的选择需要在系泊力和船舶位移之间找到最佳平衡点。这种平衡不仅取决于缆绳的材料特性，还受到泊位暴露程度和波浪条件的共同影响。

在港口工程中，系泊系统的性能直接影响到船舶的安全和港口的运营效率。已有研究表明，系泊缆绳的预张力和泊位的几何形状对船舶的动态响应具有重要影响。然而，泊位位置相对于防波堤等保护结构的影响仍需进一步系统研究。虽然现场特定分析的重要性已被广泛认可，但当前的研究多集中于单一泊位的评估，缺乏对同一港口内不同泊位之间系统性比较的探索。这种比较有助于识别和量化“暴露”这一关键变量对船舶运动的影响，从而为制定更加精准的系泊策略提供依据。

在实际应用中，系泊缆绳的材料选择具有重要的工程意义。低伸长率的缆绳（如HMPE）适用于保持船舶位置，而更具弹性的缆绳则适合在复杂海况下提供缓冲。已有案例表明，通过使用较柔软的尼龙缆绳，可以在不显著增加船舶运动幅度的情况下，大幅降低系泊缆绳的峰值张力。这种调整不仅有助于延长缆绳的使用寿命，还能提高港口的运营安全。然而，对于港口工程师而言，如何在相同的动态条件下，系统性地比较不同传统系泊材料的性能，仍然是一个亟待解决的问题。

本研究通过物理模型试验，系统地比较了三种系泊系统在不同波浪条件和泊位位置下的表现。实验数据不仅揭示了Hs和Tp对船舶运动的放大效应，还明确了不同泊位位置对船舶运动的敏感性。此外，研究还分析了系泊缆绳刚度对系泊力和船舶位移的调节作用。这些发现为港口工程提供了重要的理论支持和实践指导，尤其是在面对复杂和极端海况时，如何优化系泊系统设计，以确保船舶的安全和港口的高效运营。

在实验方法上，本研究采用了高精度的物理模型测试，结合先进的数据采集和分析技术，如快速傅里叶变换（FFT）分析，以量化船舶运动和系泊力的频谱特性。通过这种分析方法，我们能够识别出船舶运动和系泊力的主要频率成分，并进一步探讨它们如何受到波浪参数、泊位位置和缆绳刚度的共同影响。此外，实验还涵盖了多种波浪条件和泊位位置，为研究提供了丰富的数据支持。

实验结果表明，波浪高度和周期的联合作用对船舶运动和系泊力具有显著影响。在较高的波浪条件下，船舶的运动幅度和系泊力均呈现上升趋势，而波浪周期的变化则进一步放大了这种效应。特别是在长周期波浪作用下，船舶的运动幅度可能达到临界值，从而增加系泊系统的过载风险。因此，在设计系泊系统时，必须充分考虑波浪条件的复杂性，特别是在波浪周期较长的情况下，需要采取更加谨慎的设计策略。

此外，泊位位置的暴露程度对船舶运动的严重性也有明显影响。暴露程度较高的泊位，由于受到更多波浪能量的直接冲击，船舶的运动幅度和系泊力均较大。这种差异不仅影响船舶的安全性，还可能对港口的基础设施造成额外负担。因此，在港口规划和设计过程中，需要综合考虑泊位位置的暴露程度，以及其对船舶运动和系泊力的影响，以优化整体的系泊系统布局。

在系泊系统的设计和优化方面，本研究强调了材料选择的重要性。不同类型缆绳的刚度差异，直接影响了系泊系统的性能。例如，类型A的系泊系统虽然能够承受较大的系泊力，但其刚性可能导致在极端条件下出现过载。而类型C的系泊系统则提供了更大的灵活性，但可能在某些情况下导致船舶位移过大。因此，在实际工程中，需要根据港口的具体条件，选择合适的缆绳类型，以实现最佳的系泊效果。

综上所述，本研究通过系统的物理模型试验，揭示了波浪条件、泊位位置和系泊缆绳类型对船舶运动和系泊力的综合影响。研究结果不仅为基里港口的系泊系统设计提供了科学依据，也为其他面临类似波浪主导环境的国际港口提供了重要的参考。在港口工程实践中，这些发现有助于工程师们更好地理解和应对复杂的海况，从而确保船舶的安全和港口的高效运营。