2024, Vol. 46
2. 中国船级社质量认证有限公司技术中心，北京 100006;
3. 舟山惠生海洋工程有限公司 结构部，浙江 舟山 316261;
4. 喷水推进技术重点实验室，上海 200011
2. Technology Center, China Classification Society Certification Co., Ltd., Beijing 100006, China;
3. Department of Structure, Zhoushan Wison Offshore and Marine Co., Ltd., Zhoushan 316261, China;
4. Science and Technology Laboratory on Waterjet Propulsion, Shanghai 200011, China
随着全球双碳战略的逐步推进，船舶大型化发展成为一种趋势，出现了越来越多的大外飘船舶[1]。大外飘船舶在波浪中航行时，当航速较大或遭遇海况较为恶劣时，船首部结构与波面之间会发生严重的砰击。首部砰击一方面会使船体结构造成严重的损坏，影响船舶航行安全性；另一方面会引起船体大幅的运动，影响船上人员的舒适性和设备的正常使用[2-3]。因此，大外飘船舶的砰击问题一直是国内外造船界广泛关注的研究热点之一。
对船体首部砰击载荷模型试验研究主要有2种方法，一种是采用二维楔形体模型开展自由落体入水砰击试验；另一种是采用弹性船体模型，将船体沿船长方向分成多个分段，开展波浪中砰击试验。Zhao等[4]采用二维楔形体模型开展了自由落体入水砰击试验，测量了楔形体从一定高度下落入水时的砰击压力，并和全非线性数值计算结果比较，验证了其全非线性数值方法模拟楔形体入水砰击是可靠的。王强[5]分别采用二维楔形体模型和三维船首模型开展了自由落体入水砰击试验，分析了不同位置处压力分布特点，研究了底部升角、入水速度和三维效应对砰击压力的影响。Wang等[6]采用二分段船模对一艘化学品船开展了零航速不规则波中的砰击试验，测量了船体运动、船中剖面垂向弯矩和船首部砰击压力，研究了砰击压力与入水速度之间的关系和砰击发生的概率。张楷弘[7]采用七分段船模对一艘集装箱船开展了砰击模型试验，研究了海况和航速对船首外飘砰击载荷的影响。陈占阳等[8]对一艘集装箱船开展了砰击模型试验，基于试验测量得到的外飘砰击压力时历数据，提出了一种外飘砰击压力时间分布模型。夏齐强等[9]采用四分段船模对某大型船舶开展了砰击模型试验，分析了砰击对船中剖面垂向弯矩的影响，研究了砰击载荷与外飘角和船体梁刚度之间的关系。焦甲龙等[10]采用大尺度分段自航模型在实际海浪环境中对某大型船舶开展了砰击模型试验，基于近海测试数据研究了三维海况下首部砰击诱导的瞬态冲击载荷及全船颤振响应特性。
本文分别采用刚体模型和四分段弹性模型对某大外飘船开展了砰击模型试验，测量了船体运动和船首部外飘砰击压力，通过2种试验得到的砰击压力比较，分析不同试验方法对砰击压力测量结果的影响。根据船首部不同位置的砰击压力结果，研究船首部砰击压力空间分布规律。
1 模型试验方法针对大外飘船，分别采用刚体模型和弹性体模型在中国船舶及海洋工程设计研究院大型拖曳水池开展了砰击载荷模型试验研究，该船模主尺度参数如表1所示。
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表 1 船模主尺度参数 Tab.1 Principal dimension parameters of ship model |
刚体船模采用木质材料制作，船模尾部左右两侧各配置一套螺旋桨和舵装置，如图1所示。试验包括零航速试验和有航速试验，有航速试验采用自由自航方式开展。船模上布置有螺旋桨和舵机械传动机构、舵角和航向测试系统、舵角和螺旋桨转速控制系统、无线数据传输模块以及供电装置等。通过控制螺旋桨转速实现船模航速，通过自动舵系统保持船模航向。试验采用陀螺仪测量船模横摇和纵摇运动，通过在船首、重心和船尾布置加速度传感器测量3个位置的垂向加速度，船体的垂荡运动通过重心处垂向加速度二次积分得到，通过在船底和舷侧布置压力传感器测量首部砰击压力，如图2所示。
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图 1 刚体船模示意图 Fig. 1 Diagram of rigid ship model |
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图 2 压力传感器布置示意图 Fig. 2 Diagram of pressure sensor layout |
为了在试验中真实地反映模型的弹性效应，弹性船模采用符合一定相似准则的“分段模型”，在#5站、#10站和#15站处断开，将整个船体分为4段，船模分段采用玻璃钢材料制作，每个分段上设置1个或2个金属基座，基座上安装有管夹。4个船体分段通过管夹与一根钢管制成的龙骨梁固定连接，船体表面通过柔性材料进行连接以保证水密性，从而将各个分段拼接成一个整体，如图3所示。船模的总纵弯曲载荷由龙骨梁承受，船体分段不参与总纵弯曲。龙骨梁为一根连续的变截面空心圆形钢梁，基于垂向刚度相似的原则，截面尺寸由断开处船体剖面的垂向刚度确定。采用有限元方法对龙骨梁和船体外壳组成的弹性模型开展振动模态分析，并将得到的一阶垂向振动频率与目标值进行比较，从而得到合理的龙骨梁尺寸。
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图 3 分段船模示意图 Fig. 3 Diagram of segmented ship model |
弹性船模试验包括零航速试验和有航速试验，有航速试验采用自由自航的方式，方法和刚体船模相同。弹性船模试验除了测量船体横摇和纵摇运动，首、中、尾加速度以及首部砰击压力外，还通过在龙骨梁上粘贴应变片测量船体#5站、#10站和#15站剖面的垂向弯矩和剪力。
2 结果分析开展刚体船模和分段弹性船模不同波高迎浪下的规则波试验，得到了船体垂荡和纵摇等运动时历，以及不同位置砰击压力时历，本文试验工况如表2所示。
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表 2 模型试验工况 Tab.2 Conditions of model test |
开展了刚体船模和分段弹性船模在规则波波高0.12 m、波长/船长为1.0、迎浪时的砰击模型试验，试验时船的航速为1.31 m/s。
图4和图5分别为小波高下刚体船模和分段弹性船模在小波高迎浪下的垂荡和纵摇运动时历，图6～图11为2个船模不同位置的砰击压力时历。可以看出，当波高较低时，船体运动幅度较小，船体首尾部未发生明显的颤振现象，砰击压力的幅值不大，2个船模试验得到的运动时历和压力时历结果吻合较好。
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图 4 小波高下垂荡运动时历 Fig. 4 Time series of heave motion in moderate wave |
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图 5 小波高下纵摇运动时历 Fig. 5 Time series of pitch motion in moderate wave |
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图 6 小波高下底部P1压力时历 Fig. 6 Time series of pressure on the bottom P1 in moderate wave |
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图 7 小波高下舷侧P2压力时历 Fig. 7 Time series of pressure on the side P2 in moderate wave |
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图 8 小波高下舷侧P3压力时历 Fig. 8 Time series of pressure on the side P3 in moderate wave |
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图 9 小波高下舷侧P4压力时历 Fig. 9 Time series of pressure on the side P4 in moderate wave |
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图 10 小波高下舷侧P5压力时历 Fig. 10 Time series of pressure on the side P5 in moderate wave |
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图 11 小波高下舷侧P6压力时历 Fig. 11 Time series of pressure on the side P6 in moderate wave |
本文开展了刚体船模和分段弹性船模在规则波波高0.20 m、波长/船长为1.0、迎浪时的砰击模型试验，试验时船模的航速为1.31 m/s。
图12和图13分别为大波高下刚体船模和分段弹性船模垂荡和纵摇运动时历，图14～图19分别为2个船模不同位置的砰击压力时历。可以看出，当波高较大时，船体运动较为剧烈，垂荡和纵摇运动幅度较大。分段弹性船模在试验过程中首尾部出现了明显的颤振现象。因此，2个试验结果有一定偏差。刚体船模试验得到的压力极值结果较分段弹性船模的压力极值结果大。砰击发生时船体底部和舷侧与波面接触，接触点与波面的相对速度较大，在极短的时间内，压力迅速达到一个较大的极值，当接触点入水后，压力又逐渐降低。当分段弹性船模首部入水时，接触点和波面接触点的速度也很大，但由于船模具有弹性，对砰击有一定的缓冲作用。从舷侧砰击压力时历还可以看出，波高较大时砰击压力极值离散度较大，每个波浪周期内砰击压力的极值并不相同。这是由于砰击是一种强非线性现象，船在航行过程中每个周期内压力测点入水时与波面接触的位置不同，相对速度不同，产生的压力不同。
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图 12 大波高下垂荡运动时历 Fig. 12 Time series of heave motion in severe wave |
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图 13 大波高下纵摇运动时历 Fig. 13 Time series of pitch motion in severe wave |
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图 14 大波高下底部P1压力时历 Fig. 14 Time series of pressure on the bottom P1 in severe wave |
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图 15 大波高下舷侧P2压力时历 Fig. 15 Time series of pressure on the side P2 in severe wave |
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图 16 大波高下舷侧P3压力时历 Fig. 16 Time series of pressure on the side P3 in severe wave |
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图 17 大波高下舷侧P4压力时历 Fig. 17 Time series of pressure on the side P4 in severe wave |
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图 18 大波高下舷侧P5压力时历 Fig. 18 Time series of pressure on the side P5 in severe wave |
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图 19 大波高下舷侧P6压力时历 Fig. 19 Time series of pressure on the side P6 in severe wave |
图20为分段弹性船模大波高下不同位置压力极值的平均值比较。可以看出，船首底部砰击压力较大。P3和P4的纵向位置相同，垂向位置不同，P3的砰击压力高于P4。P2、P4、P5和P6的垂向位置相同，纵向位置不同，越靠近船首时，测得的压力逐渐增大。由此可知，当压力测点纵向位置相同时，越靠近底部砰击压力越大；当垂向位置相同时，越靠近首部，砰击压力越大。
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图 20 不同位置压力极值 Fig. 20 Extreme pressure at different positions |
本文对大外飘船舶首部砰击压力开展了模型试验研究，分别采用刚体船模和分段弹性船模测量得到了船首部不同位置的砰击压力，通过分析2个船模砰击压力试验结果，得到如下结论：
1）当波高较小时，2种船模试验结果相差不大；
2）当波高较大时，刚体船模测量的砰击压力极值较分段弹性船模大，分段弹性船模试验结果对船体结构设计更具有参考意义；
3）纵向位置相同时，垂向位置越靠近底部砰击压力越大；垂向位置相同时，纵向位置越靠近船首砰击压力越大。
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