長艏樓船型艏艉砰擊響應(yīng)試驗(yàn)分析

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

長艏樓船型越來越多應(yīng)用于遠(yuǎn)洋救生打撈船的設(shè)計，該船型具有平行中體較短，艉部線型扁平，艏部型深較高且具有大外飄的特點(diǎn)。在航行過程中，長艏樓船型除了承受大幅的艏砰擊附加彎矩外，還會在隨浪航行下遭遇艉砰擊現(xiàn)象，產(chǎn)生顯著的振動響應(yīng)，進(jìn)而影響船體的總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度。目前對于砰擊問題的主要研究方式為模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真[1]，包括艏砰擊[2]、艉砰擊[3]，以及斜浪工況下船體的彎扭聯(lián)合響應(yīng)[4-5]，借助試驗(yàn)分析特殊船型砰擊響應(yīng)的非線性效應(yīng)[6]。數(shù)值仿真一般基于勢流理論和計算流體力學(xué)方法對砰擊載荷進(jìn)行預(yù)報[7],進(jìn)而研究船舶在波浪中的非線性運(yùn)動響應(yīng)與砰擊現(xiàn)象[8-9]。相比數(shù)值仿真，試驗(yàn)分析方法在砰擊問題的研究上往往更加直觀和可靠。現(xiàn)有的砰擊響應(yīng)研究多針對艏砰擊現(xiàn)象，鮮有針對一船型同時進(jìn)行艏艉砰擊響應(yīng)的研究報道。為此，根據(jù)長艏樓船型艏部大外飄及艉型扁平的特點(diǎn)，基于分段模型試驗(yàn)綜合分析艏艉砰擊載荷下船體典型剖面處的垂向彎矩響應(yīng)，分析浪向、波高以及航速對響應(yīng)特性的影響，為結(jié)構(gòu)的抗砰擊強(qiáng)度評估提供支撐。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎貌Ａт摬牧希Ｐ脱卮L方向在第5、10、15站處被分為4段，分段間隙長度為20 mm，見圖1。各分段通過測量梁相互連接成一個整體，梁剛度取主船體中橫剖面處的垂向抗彎剛度。船模在波浪中運(yùn)動時，可通過分段間隙處測量梁上布置的應(yīng)變傳感器記錄船體梁的波浪彎矩動響應(yīng)。同時將1臺伺服式浪高儀安裝在位于模型前約1.5 m處的水池測量小車上。

圖1 分段模型測量梁

模型試驗(yàn)采取自航方式，船模的設(shè)計及航行狀態(tài)應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似的條件，即弗勞德數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)相似。

(1)

(2)

式中：下標(biāo)s表示實(shí)船參數(shù)；m為模型參數(shù)；V為航速；L為船長；g為重力加速度；t為時間。

船模的縮尺比λ為36，實(shí)船與船模彎矩響應(yīng)的換算關(guān)系為λ4，該船船長L=136 m，型寬B=22.4 m，型深D=10 m，艏艉部線型見圖2。

圖2 線型及艏艉輪廓

2 艏艉砰擊下船體梁垂向彎矩響應(yīng)

根據(jù)耐波性要求，迎浪工況下船舶可以在高航速和高海況下航行，而隨浪工況下，考慮到航行安全性，往往需要對航速和航行海況進(jìn)行限制，試驗(yàn)工況設(shè)置見表1。

表1 模型試驗(yàn)工況

注：航向角0°為艉隨浪工況，航向角180°為迎浪工況，在0°～180°之間間隔30°設(shè)置斜浪工況。

測量5站船艉剖面、10站船中剖面及15站船艏剖面處的船體梁垂向彎矩響應(yīng)。

通過將垂向彎矩響應(yīng)測量值從時域到頻域的轉(zhuǎn)換，獲取響應(yīng)的低頻成分和高頻成分，見圖3。

圖3 B17工況λ/L=0.8時的彎矩響應(yīng)時歷

其中與遭遇波浪頻率一致的低頻成分即為波浪彎矩成分，其余高頻成分即為砰擊振動與船體梁自振發(fā)生共振所產(chǎn)生的砰擊振動彎矩成分。合成彎矩為低頻波浪彎矩與高頻砰擊彎矩之和[3]。

2.1 浪向角的影響分析

B01～B07為0航速、低波高試驗(yàn)工況，船中剖面處的垂向彎矩響應(yīng)(見表2)，砰擊彎矩響應(yīng)隨浪向角的變化趨勢見圖4。

圖4 0航速下船中剖面砰擊彎矩響應(yīng)

艉隨浪和艉斜浪的試驗(yàn)工況中發(fā)生了較明顯的艉砰擊現(xiàn)象，而迎浪工況下艏砰現(xiàn)象并不明顯。迎浪工況下的艏砰擊彎矩響應(yīng)值整體較小，隨浪工況下的艉砰擊彎矩響應(yīng)值在λ/L為0.6至0.8時達(dá)到最大，當(dāng)λ/L小于1.2時，艉砰擊響應(yīng)值整體較高，當(dāng)λ/L大于1.6時，砰擊彎矩響應(yīng)值則很小。橫浪工況下，彎矩響應(yīng)的合成成分、波浪成分及砰擊成分均較小。

表2 0航速，λ/L=0.8時船中剖面垂向彎矩響應(yīng) N·cm

在無航速、低波高下，無論從砰擊成分的量值還是其在合成成分中的占比來看，艉砰擊下的砰擊彎矩響應(yīng)顯著大于艏砰擊，這與長艏樓船型艉部扁平和淺吃水的特點(diǎn)相關(guān)，因?yàn)榧词乖谛》鹊纳梁涂v搖運(yùn)動下，隨浪航行下的艉部船體也易發(fā)生明顯的出水現(xiàn)象，引起扁平艉部的砰擊。

B08～B10為高航速，低波高迎浪試驗(yàn)工況，其垂向彎矩響應(yīng)隨浪向角的變化趨勢見圖5。

圖5 高航速，低波高下船中剖面砰擊彎矩響應(yīng)

在120°的艏斜浪下，彎矩響應(yīng)的合成成分略大于波浪成分，艏砰擊響應(yīng)很小。對于迎浪和150°艏斜浪工況，當(dāng)λ/L介于0.8～1.4之間時，彎矩合成成分明顯高于波浪成分。其中迎浪工況砰擊成分對合成成分的最大占比達(dá)到了20%，而150°艏斜浪工況砰擊成分的占比則達(dá)到了13%。迎浪下船體的砰擊彎矩響應(yīng)總體要高于艏斜浪。

2.2 波高的影響分析

選取航速為15 kn，波高分別為2.9，4，6.6和9.0 m的迎浪試驗(yàn)工況以及航速5 kn，波高分別為6.6 m和9.0 m的隨浪試驗(yàn)工況，分析波高變化對彎矩響應(yīng)的合成及砰擊成分的影響。

迎浪工況下各剖面的彎矩響應(yīng)隨波長的變化見圖6，在艏砰擊的作用下船中剖面的彎矩響應(yīng)最大，船艏次之，船艉最小。隨著波高的增加，砰擊彎矩的響應(yīng)值顯著增加，且砰擊彎矩與波高之間存在非線性變化特性，而砰擊成分在合成成分中的占比在波高增加到一定程度后的變化幅度很小，具體數(shù)值見表3。

圖6 不同波高下典型剖面的彎矩響應(yīng)

表3 不同波高下船中剖面砰擊彎矩響應(yīng)

隨浪工況下船體在艉砰擊作用下的彎矩響應(yīng)規(guī)律與艏砰擊相似，但相同波高下，其砰擊彎矩與占比值遠(yuǎn)小于艏砰擊工況，一方面由于艉隨浪試驗(yàn)工況的航速較小，另一方面船艏較高的型深及大外飄線型使船艏在波高增加時的入水區(qū)域迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致砰擊彎矩響應(yīng)的顯著上升。

2.3 航速的影響分析

選取2.9，6.6，13.6 m的低、中、高3種波高的迎浪試驗(yàn)工況，分析船中剖面的彎矩響應(yīng)，不同航速對彎矩響應(yīng)的合成成分及砰擊成分的影響見表4。3種波高下船舯剖面彎矩響應(yīng)隨航速的變化見圖7。

表4 不同航速下船中剖面砰擊彎矩響應(yīng)

圖7 不同航速下船中剖面彎矩響應(yīng)

在低波高下，砰擊彎矩響應(yīng)隨著航速的上升而明顯的增加，但砰擊成分在合成成分中的占比變化不大，約為20%左右。在中、高波高下，砰擊彎矩響應(yīng)以及其占比值隨著航速的上升增加幅度較小，但砰擊成分占比值均在50%左右，當(dāng)波高達(dá)到13.6 m時，部分工況的砰擊成分占比超過60%，最大值達(dá)到61.9%?？梢姡谳^低波高下，砰擊彎矩響應(yīng)對航速的變化更為敏感，當(dāng)波高較大時，砰擊彎矩響應(yīng)的量值和占比值普遍較大，航速的影響程度相對低波高工況要減弱許多。

綜合模型試驗(yàn)結(jié)果，艉砰擊彎矩響應(yīng)最大值發(fā)生在航速5 kn，波高9 m的工況，彎矩響應(yīng)值為 9 986 N·cm，砰擊成分占比為20.4%。艏砰擊彎矩響應(yīng)最大值發(fā)生航速10 kn，波高13.6 m的工況，響應(yīng)值為129 453 N·cm，砰擊成分占比為60.1%。模型試驗(yàn)沒有將艏艉砰擊響應(yīng)設(shè)置在同樣的海況和航速下進(jìn)行比較，而是依據(jù)實(shí)際安全航行的限界進(jìn)行工況設(shè)計。由于長艏樓船型艏外飄明顯，且在高海況高航速下，船舶多采取迎浪航行，而艉隨浪工況下，船舶一般需要規(guī)避高速及高海況的航行狀態(tài)。因此，船體在實(shí)際航行中，艏砰擊下的船體梁彎矩響應(yīng)遠(yuǎn)大于艉砰擊的作用。雖然艉砰擊作用對船體總載荷的影響不及艏砰擊，但其對艉部局部結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的的位移和應(yīng)力響應(yīng)[10]卻是不容忽視的。

3 結(jié)論

1)船體在砰擊載荷作用下的彎矩響應(yīng)分為兩部分，一是與遭遇波浪頻率一致的低頻波浪彎矩成分，二是砰擊振動與船體梁自振發(fā)生共振產(chǎn)生的高頻砰擊附加彎矩成分。

2)對于艏砰擊和艉砰擊，迎浪和隨浪航行的彎矩響應(yīng)均大于其對應(yīng)的斜浪工況；響應(yīng)值隨著波高的增加顯著的上升，但砰擊成分在合成成分中的占比當(dāng)波高升高到一定程度后變化較小。在較低波高下，砰擊彎矩對航速的變化更為敏感，當(dāng)波高較大時，航速的影響程度相對低波高工況有所減弱。

3)綜合分析長艏樓船型的艏砰擊和艉砰擊現(xiàn)象，在低航速，低海況下，艉砰擊的響應(yīng)值及占比均大于艏砰擊。而從船舶安全航行的限界范圍來看，由于艉砰擊現(xiàn)象發(fā)生的海況遠(yuǎn)低于艏砰擊，其對船體總合成彎矩的影響遠(yuǎn)弱于艏砰擊的作用。因此在船體結(jié)構(gòu)抗砰擊強(qiáng)度評估時應(yīng)更關(guān)注艉砰擊對局部強(qiáng)度和振動的影響。