船舶模型水池碰撞試驗(yàn)研究

李良偉，杜儉業(yè)

(中國(guó)人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161)

0 引 言

船舶碰撞事故不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)對(duì)海洋和生態(tài)環(huán)境帶來破壞性的危害[1–2]。由于船舶碰撞現(xiàn)象極其復(fù)雜，船體運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)損傷、海洋環(huán)境等諸多細(xì)節(jié)難以用理論模型進(jìn)行全面、真實(shí)的表達(dá)，為此有必要開展相關(guān)模型試驗(yàn)，為理論分析、數(shù)值仿真等相關(guān)技術(shù)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。從20世紀(jì)60年代開始，國(guó)外相繼開展了大量的船舶碰撞試驗(yàn)工作，其中比較有代表性的包括：Woisin[3]先后完成了12艘船舶模型的碰撞試驗(yàn)，模型比例從1/12到1/17.5不等，試驗(yàn)總體方案是將撞擊船模型放置于傾斜鋼軌上，采用自由下滑的方式撞擊被撞船模型；為研究不同類型船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)抵抗船舶撞擊的能力，Wevers等[4]完成了24組模型試驗(yàn)，撞擊模型試驗(yàn)總體方案與文獻(xiàn)[3]基本一致，試驗(yàn)所采用的模型比例為1/15和1/10；Kitamura[5]討論了油船結(jié)構(gòu)的碰撞損傷失效問題，撞擊船首用高強(qiáng)度鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，被撞船模型為標(biāo)準(zhǔn)VLCC的舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)模型（見圖1）；Carlebur[6]在港口完成了4組不同撞擊速度條件下的實(shí)船碰撞試驗(yàn)研究（見圖2），測(cè)量了2船相撞時(shí)被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的撞深、撞擊力以及舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變和2船剛體運(yùn)動(dòng)情況；Tabri[7–9]開展了船舶碰撞的縮比模型試驗(yàn)，探討了船舶不同碰撞角度條件下的碰撞力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性（見圖3）。

總體而言，實(shí)船海上碰撞試驗(yàn)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、控制難，基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的船舶模型碰撞試驗(yàn)研究成為碰撞試驗(yàn)的主要方向之一。由于海上碰撞特性與船舶運(yùn)動(dòng)、相對(duì)位置、海洋環(huán)境等諸多因素密切相關(guān)，有必要研究提出能夠模擬較為真實(shí)的海上碰撞環(huán)境的試驗(yàn)方案，從而為理論研究工作提供有力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。本文在充分總結(jié)分析以往船舶海上模型碰撞試驗(yàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠模擬船舶海上碰撞環(huán)境的模型試驗(yàn)方案，并運(yùn)用船舶拖曳水池開展了系列模型碰撞試驗(yàn)，探討了不同撞擊速度和撞擊角度對(duì)被撞船模型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷特性的影響，試驗(yàn)研究結(jié)果可為更好地理解船舶實(shí)際場(chǎng)景下碰撞后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及船舶碰撞仿真方法的驗(yàn)證提供支撐。

1 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為有效控制模型試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和成本，將主要考慮在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬船舶碰撞環(huán)境，為開展碰撞響應(yīng)特性研究提供支撐，碰撞模型試驗(yàn)的總體考慮為：能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)船海上碰撞時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)與船體結(jié)構(gòu)損傷特性，能夠支撐不同撞擊角度、撞擊速度條件下的船舶碰撞響應(yīng)特性研究，便于安裝相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)，為驗(yàn)證碰撞理論及數(shù)值仿真方法提供支持。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头桨冈O(shè)計(jì)

1.1.1 撞擊船模型

為實(shí)現(xiàn)在拖曳水池中開展不同撞擊速度條件下的碰撞試驗(yàn)，撞擊船模型采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)以便于調(diào)整模型的重量分布及拖曳速度；撞擊船的首部采用鋼質(zhì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并用導(dǎo)向螺栓與船體連接，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)加裝不同結(jié)構(gòu)形式的撞頭，同時(shí)提供一定的撞擊動(dòng)能，也能夠在撞頭和平臺(tái)之間加裝力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。撞擊船模型的設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

1.1.2 被撞船模型

被撞船模型采用空心薄壁箱型鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，整體分為3段，首尾段主要是為模型提供儲(chǔ)備浮力，便于調(diào)整吃水和撞擊角度；中間為測(cè)試段，作為撞擊船碰撞接觸區(qū)域，用于研究鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)碰撞損傷特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、塑性變形等參數(shù)測(cè)量。被撞船模型的設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)設(shè)計(jì)的主要目的是能夠在試驗(yàn)水池條件下模擬海上船舶碰撞環(huán)境，撞擊船與被撞船處于自由狀態(tài)，同時(shí)兩船之間具有一定的相對(duì)速度和相對(duì)角度?；谏鲜隹紤]，提出撞擊船模型的拖曳方案和被撞船模型的系泊方案。

1.2.1 撞擊船模型的拖曳方案

基于船舶拖曳水池環(huán)境，將撞擊船模型置于拖車上，能夠沿船長(zhǎng)方向以不同航速航行；為便于控制航行過程中模型的浮態(tài)，通過4根鋼絲繩將模型與拖車固定，一方面確保船舶橫向穩(wěn)定性，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)在撞擊發(fā)生時(shí)，鋼絲繩在瞬態(tài)沖擊力作用下斷裂，實(shí)現(xiàn)撞擊船和拖車的自動(dòng)分離，既能保護(hù)拖車，也能確保撞擊船撞擊后處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。4根鋼絲繩中靠近首部的2根與拖車前端框架相連，后端2根與拖車后端框架相連。撞擊船模型的拖曳方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

1.2.2 被撞船模型的系泊方案

撞擊船模型的拖曳方案能夠?qū)崿F(xiàn)模擬不同撞擊速度條件下的自由碰撞環(huán)境，被撞船模型的系泊方案設(shè)計(jì)時(shí)則需要同時(shí)考慮拖曳水池的外部環(huán)境及撞擊船的運(yùn)動(dòng)特性，為此，將撞擊船模型布置與被撞擊船模型運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向，用細(xì)繩與周邊固定樁連接，并留有足夠的余量以便于在碰撞過程中不受到外部干擾力的影響，使其基本處于自由狀態(tài)；被撞船模型能夠根據(jù)試驗(yàn)需要，調(diào)整與撞擊船運(yùn)動(dòng)方向的夾角，模擬不同撞擊角度條件下兩船的碰撞響應(yīng)特性。被撞船模型的系泊方案設(shè)計(jì)如圖7所示。

1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)在旱農(nóng)中心河村旱作節(jié)水基地進(jìn)行，試驗(yàn)地塊前茬為玉米，土壤為黃土質(zhì)淡褐土性土，有機(jī)質(zhì)10.5 g/kg，全氮1.12 g/kg，全磷0.72 g/kg，全鉀21.6 g/kg，堿解氮53.7 mg/kg，速效氮125.0 mg/kg，速效磷6.87 mg/kg。

2 模型試驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

根據(jù)上述提出的模型試驗(yàn)方案，基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的拖曳水池環(huán)境，以研究船舶碰撞運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)損傷特性為目標(biāo)，開展了系列具體的模型水池碰撞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析工作。

2.1 模型試驗(yàn)實(shí)施

2.1.1 撞擊船模型

撞擊船模型為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，剛性撞頭安裝在船舶模型首部，剛性撞頭為半球形，由于球形撞頭自身的重量較大，導(dǎo)致船舶出現(xiàn)一定的首傾。為保持撞擊船模型正浮，在尾部進(jìn)行壓載。為進(jìn)一步增大撞擊船的動(dòng)能，在撞擊船上布置壓鐵以增大排水量, 撞擊船模型拖帶及首部撞頭如圖8所示。

2.1.2 被撞船模型

被撞船模型為鋼質(zhì)箱型結(jié)構(gòu)，3段之間用橫隔板隔開，上部開口，以方便觀察和增加壓載，設(shè)定被撞船模型的初始位置與拖曳水池構(gòu)成試驗(yàn)所需的相對(duì)角度，被撞船模型及其系泊狀態(tài)如圖9所示。

2.1.3 撞擊力測(cè)量

撞擊力的測(cè)量采用壓力傳感器，撞擊力信號(hào)通過動(dòng)態(tài)信號(hào)系統(tǒng)采集。為確保撞擊力能夠全部有效地傳遞給力傳感器，撞頭法蘭的螺栓孔直徑大于導(dǎo)向螺栓的直徑，以最大程度地消除滑動(dòng)摩擦的影響。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 碰撞工況

為分析不同撞擊速度和撞擊角度條件下的碰撞響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合試驗(yàn)水池拖車的拖曳能力，選取了4組典型的試驗(yàn)工況開展了模型水池碰撞試驗(yàn)，包括2組撞擊船模型的航速3 m/s和4 m/s和3組撞擊角度（30°，60°和 90°）。

2.2.2 碰撞過程

碰撞過程中，被撞船模型和撞擊船模型會(huì)隨著撞擊速度和角度的變化出現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，被撞擊部位也出現(xiàn)塑性變形。撞擊船模型與被撞船模型碰撞過程如圖10所示，典型工況下被撞船模型撞擊區(qū)域殼板變形如圖11所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)撞擊情況觀察可知：

1）直角（90°）撞擊下，在2個(gè)模型接觸時(shí)，被撞船模型整體沿撞擊方向產(chǎn)生平動(dòng)，也會(huì)伴隨較大幅度的橫傾；待2個(gè)模型分離后，被撞船模型出現(xiàn)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)；斜角度（30°，60°）撞擊下，被撞船模型不僅會(huì)出現(xiàn)橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)也會(huì)有首搖運(yùn)動(dòng)；

2）被撞船模型排水量較大，且在撞擊船撞擊下發(fā)生橫蕩運(yùn)動(dòng)，因而附連水質(zhì)量效應(yīng)較大，使得其慣性相應(yīng)增大，從而造成其運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；撞擊船模型排水量較小，且沿船長(zhǎng)方向運(yùn)動(dòng)，附連水質(zhì)量效應(yīng)影響較小，其運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短；但由于其慣性運(yùn)動(dòng)較小，撞擊發(fā)生后其橫搖、升沉和首搖的運(yùn)動(dòng)幅度較大；

3）不同工況下被撞船模型舷側(cè)結(jié)構(gòu)被撞擊位置與初始標(biāo)記撞擊位置均有一定程度的差別。造成這一現(xiàn)象的原因是撞擊船模型在航行時(shí)將引起抬首現(xiàn)象，從而導(dǎo)致撞擊位置的偏差。

2.2.3 測(cè)試結(jié)果

圖12給出了典型工況的碰撞力時(shí)間歷程曲線，表1給出了各工況的碰撞力峰值、撞深、碰撞力持續(xù)時(shí)間和碰撞力峰值持續(xù)時(shí)間。

表1 撞擊工況及其撞擊響應(yīng)結(jié)果Tab.1 Impact conditions and impact respense results

總體分析可知：

1）撞擊速度和撞擊角度對(duì)碰撞力的影響明顯。隨著撞擊速度的增大碰撞力上升較快，且表現(xiàn)出明顯的非線性特性，具體為：工況2相對(duì)與工況1的速度僅增加了33%，而撞擊力卻增大近2倍。該結(jié)果與國(guó)外實(shí)船碰撞試驗(yàn)規(guī)律較為接近[6]；同時(shí)，隨著撞擊角度的減小，碰撞力近似呈線性下降趨勢(shì)。

2）撞擊速度和撞擊角度對(duì)碰撞力持續(xù)時(shí)間和碰撞力峰值持續(xù)時(shí)間影響明顯。撞擊速度越大，碰撞力的持續(xù)時(shí)間也越短，且峰值持續(xù)時(shí)間也非常短。在撞擊速度一定的前提下，隨著撞擊角度的減低，碰撞力持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，且峰值持續(xù)時(shí)間也相對(duì)增長(zhǎng)。

3 結(jié) 語

本文在充分總結(jié)國(guó)外船舶碰撞模型試驗(yàn)研究工作的基礎(chǔ)上，研究提出了一種能夠模擬船舶海上碰撞條件下船體運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)損傷等多種特性響應(yīng)規(guī)律的試驗(yàn)方案，并解決了不同撞擊速度與撞擊角度狀態(tài)設(shè)定、碰撞力測(cè)量等關(guān)鍵問題，并結(jié)合現(xiàn)有拖曳試驗(yàn)水池環(huán)境，完成了系列模型碰撞試驗(yàn)實(shí)施，該試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施過程能夠作為后續(xù)開展船舶碰撞理論研究及數(shù)值仿真方法驗(yàn)證提供技術(shù)支撐。