不同姿態(tài)下救生艇高空自由下落的動力學(xué)特性

張大朋，嚴(yán) 謹(jǐn)，趙博文

（1.廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021）

0 引 言

海上結(jié)構(gòu)物在入水過程中會受到很大的沖擊載荷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部的安全，因此對海上結(jié)構(gòu)物入水問題進(jìn)行研究具有重要意義。海上結(jié)構(gòu)物入水是一個(gè)典型的非線性問題［1］。飛機(jī)迫降入水、空投魚雷、救生艇拋落和航天飛行器水上回收等都是典型的結(jié)構(gòu)物入水問題。結(jié)構(gòu)物在入水過程中會面臨人員安全、結(jié)構(gòu)損傷破壞和器件失效等方面的諸多問題，因此研究結(jié)構(gòu)物入水問題對于船舶和水下武器等結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度設(shè)計(jì)而言具有重要意義。VON KARMAN［2］在研究結(jié)構(gòu)物入水問題時(shí)，從理論層面推導(dǎo)了入水沖擊載荷的計(jì)算公式。WANGER［3］考慮了入水過程中水面升高的情況，使理論解更接近真實(shí)情況。隨著理論研究的不斷深入，試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究不斷增多。CARCATERRA等［4］和YETTOU等［5］開展了楔形體入水試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)物質(zhì)量、入水角度和入水速度對結(jié)構(gòu)表面壓力的影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對不同外形的結(jié)構(gòu)物入水問題開展了大量試驗(yàn)和數(shù)值仿真工作［6-10］，內(nèi)容涉及空投魚雷、航行器回收和彈塑性結(jié)構(gòu)入水等，但很少對救生艇高空自由下落入水問題進(jìn)行研究。

作為一種典型的海上結(jié)構(gòu)物，救生艇是船上最主要的救生工具，是船上人員用于自救或援救其他海上遇險(xiǎn)人員的專用救生工具。救生艇從船上降落到水面上一般有自由下落、拋落、用吊艇架釋放和用模擬裝置釋放等多種形式［11-13］。與其他形式相比，自由下落耗時(shí)較短，通常在情況比較危急時(shí)采用。有必要對這種緊急情況下的救生艇下落過程進(jìn)行仿真分析。

1 救生艇高空自由下落計(jì)算模型的建立

1.1 救生艇幾何模型

1.1.1 救生艇的幾何參數(shù)

本文的計(jì)算模型為一艘長度接近8 m的剛性充氣救生艇，其在水線以下的外形為典型的楔形，舭部橫向斜升角為22°。該救生艇的三維模型圖和中橫剖面圖分別見圖1和圖2，主尺度參數(shù)見表1。

圖1 救生艇的三維模型圖

圖2 救生艇的中橫剖面圖

表1 救生艇的主尺度參數(shù)

1.1.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域的固定坐標(biāo)系原點(diǎn)為船尾垂線與中縱剖面基線的交點(diǎn)，x軸指向船首為正，y軸指向左舷為正，z軸垂直向上為正。艇體在距離水面h=15 m的高度處自由下落。背景區(qū)域大?。洪L度方向的邊界距離艇首和艇尾分別約為2.5倍艇長；寬度方向的邊界距離救生艇兩舷側(cè)約2倍艇長；頂部邊界距離甲板為下落高度h；底部邊界距離船底為2h。

1.2 救生艇幾何模型的網(wǎng)格劃分

當(dāng)結(jié)構(gòu)物落入水中時(shí)，在入水前期會激起自由液面（水介質(zhì)）的劇烈運(yùn)動。因此，對自由液面處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，z方向的網(wǎng)格逐層遞減，平穩(wěn)地過渡到大的背景網(wǎng)格。同時(shí)，對重疊區(qū)域做落體運(yùn)動的軌跡進(jìn)行加密，其尺寸與重疊網(wǎng)格區(qū)域的尺寸相同，以確保重疊交界面插值的準(zhǔn)確性。生成的重疊網(wǎng)格數(shù)量約為115萬個(gè)，背景區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量約為306萬個(gè)，總計(jì)約有421萬個(gè)網(wǎng)格。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 救生艇以水平姿態(tài)自由下落時(shí)的動力學(xué)響應(yīng)

2.1.1 物理量變化

圖3為艇體從h=15 m高度處垂直自由下落過程中的垂向加速度、垂向速度和垂向力的時(shí)歷曲線。艇體入水時(shí)，其加速度在t=1.77～1.81 s的極短時(shí)間內(nèi)增大至300 m/s2以上，方向由豎直向下變?yōu)樨Q直向上。同時(shí)，艇體的垂向速度在方向相反的垂向加速度的作用下瞬間減小。在t=3.00 s之后，艇體的加速度逐漸衰減至0，下落過程中產(chǎn)生的能量不斷被消耗，速度逐漸趨向于0，最終靜浮在水面上。在艇體入水初期，其濕表面積迅速增加，水體對救生艇的垂向力瞬間增大至1×106N，艇底受到的抨擊壓力在此刻達(dá)到峰值。

圖3 艇體從h=15 m高度處垂直自由下落過程中的垂向加速度、垂向速度和垂向力的時(shí)歷曲線

圖4為艇體垂直自由下落過程中的下落距離和體旋轉(zhuǎn)角度。由圖4a可知，艇體落入水中之后，其底部周圍的介質(zhì)由氣體變成了液體，受到水的阻滯作用，艇體的下落速度減緩，下落距離緩慢增加，在t≈2.38 s

時(shí)下落距離達(dá)到最大，約為16.21 m。由圖4b可知，在艇體入水瞬間，縱搖角度瞬間增大，部分水體從艏部溢到甲板上，從而加劇了艇體的艏傾。在艇體入水之后，其周圍的水體將其從水下抬出，艇體的縱搖角度減小。入水過程對救生艇橫搖自由度的影響很小，橫搖的幅度和頻率均較小，橫搖時(shí)歷曲線中的峰值和谷值基本上都是由甲板上浪引起的。艏部上浪之后水體沿甲板流到中部，導(dǎo)致左右舷側(cè)受力不均，艇體沿x軸方向搖晃。艏搖的時(shí)歷曲線與橫搖和縱搖的時(shí)歷曲線有所不同。艇體入水之后在轉(zhuǎn)艏方向并不是左右搖擺的，而是一直偏向右舷，這主要是由左右舷側(cè)周圍不均勻流場導(dǎo)致的。

圖4 艇體垂直自由下落過程中的下落距離和體旋轉(zhuǎn)角度

2.1.2 自由液面

圖5為典型時(shí)刻的自由液面。由圖5可知，艇體撞水之后艏部吃水會增加，艇體出現(xiàn)嚴(yán)重的埋艏現(xiàn)象。艏部周圍的水體沿著艏柱和舭部爬升，同時(shí)舷側(cè)的水流被艇體向外推開，形成一個(gè)波峰。當(dāng)t=2.47 s時(shí)，艇體的艏部已完全浸入水中，大面積的水流涌到甲板上。當(dāng)t=1.99～2.47 s時(shí)，艇體的排水體積和吃水不斷增加，導(dǎo)致其浮力不斷增大，同時(shí)該過程中與艇體接觸的水體積累了部分能量，迅速將艇體托起，波峰向外擴(kuò)散并匯入周圍水域。在t=3.35 s之后，水體的動能不斷耗散，艇體脫離水面之后其排水體積明顯減少，此時(shí)重力占主導(dǎo)作用，艇體在下沉過程中對底部水體產(chǎn)生擠壓作用，將其向外推開，從而在兩舷側(cè)形成t=4.79 s時(shí)刻的波峰，該波峰明顯低于觸水時(shí)的波峰。

圖5 典型時(shí)刻的自由液面

2.2 不同初始姿態(tài)下的艇體入水特性

下面選取橫傾10°、艏傾20°和艉傾20°等3種初始下落姿態(tài)作為研究對象，對不同下落姿態(tài)下的入水過程進(jìn)行計(jì)算，并與垂直下落的情況相對比，探究下落姿態(tài)對艇體入水過程中的水動力特性的影響。

2.2.1 物理量對比

圖6為不同初始姿態(tài)下的艇體垂向加速度和垂向速度對比。由圖6a可知，4種初始姿態(tài)下的艇體垂向加速度曲線高度重合，說明艇體以不同下落姿態(tài)入水時(shí)的加速度變化趨勢幾乎一致。由圖6b可知，橫傾10°時(shí)的速度曲線的走勢比較平緩，說明該情況下艇體入水之后對水面的擾動作用較小?？傮w來說，艇體以不同姿態(tài)入水時(shí)的速度變化規(guī)律比較相似。

圖6 不同初始姿態(tài)下的艇體垂向加速度和垂向速度對比

圖7為不同初始姿態(tài)下的艇體下落距離和垂向力對比。由圖7a可知，初始姿態(tài)對艇體下落和入水階段的位移量沒有造成很大影響。入水結(jié)束之后，除了以艏傾20°的姿態(tài)下落時(shí)的艇體質(zhì)心會在靜水面以下，其余幾種下落姿態(tài)下的艇體質(zhì)心均在靜水面以下。由圖7b可知，4種下落姿態(tài)下的艇體垂向力變化趨勢幾乎一致，只是在觸水瞬間產(chǎn)生的垂向力峰值不同。當(dāng)艇體觸水時(shí)，水對以垂直下落的姿態(tài)下落和以橫傾10°的姿態(tài)下落的艇體的反作用力最大，以艉傾20°的姿態(tài)下落次之，以艏傾20°的姿態(tài)下落最小。

圖7 不同初始姿態(tài)下的艇體下落距離和垂向力對比

圖8為不同初始姿態(tài)下的艇體旋轉(zhuǎn)角度對比。由圖8可知，當(dāng)t=2.00～2.50 s時(shí)，橫搖曲線快速上升并達(dá)到第一個(gè)波峰。該過程中艇體右舷對周圍水體的擾動使水體積累了部分動能，將艇體托舉至靜水面以上，并大幅度向左舷傾斜。此后艇體在重力的作用下快速跌落并向右舷搖晃，橫搖曲線快速上升，當(dāng)t=4.50 s左右時(shí)達(dá)到第二個(gè)波峰。在縱搖曲線中，橫傾10°的曲線與垂直下落的曲線在t=2.00 s時(shí)高度重合。在t=2.00 s之后，艏艉部分流場的分布不均勻?qū)е?條縱搖曲線的走勢有所不同。橫傾10°的縱搖曲線在t=3.00 s之后又出現(xiàn)了一個(gè)波峰，說明艇體又經(jīng)歷了一次艏傾運(yùn)動。橫傾10°的艏搖曲線在艇體下落和入水過程中經(jīng)歷了平穩(wěn)下降、快速跌落和緩慢下降等3個(gè)階段。從艇體觸水到t=3.00 s之前，左右兩舷側(cè)的排水體積不同導(dǎo)致水體對兩舷側(cè)的作用力分布不均，艇體產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)艏力矩并在該力矩的作用下轉(zhuǎn)向右舷。當(dāng)t=3.00～4.75 s時(shí)，橫搖曲線迅速跌落至-45°左右，艇體快速向右舷偏轉(zhuǎn)，在t=4.75 s之后艇體和水的動能逐漸衰減，艇體在慣性的作用下緩慢向右舷偏移。

圖8 不同初始姿態(tài)下的艇體旋轉(zhuǎn)角度對比

以艏傾20°的姿態(tài)下落與以艉傾20°的姿態(tài)下落的入水過程有一定的相似之處。艇體傾斜入水過程中出現(xiàn)忽撲現(xiàn)象帶來的俯仰力矩使艇體的縱搖角度發(fā)生了很大改變。艏傾20°的橫搖曲線和艏搖曲線近乎為直線，艇體姿態(tài)在這2個(gè)自由度上幾乎沒有發(fā)生改變。艉傾20°的橫搖曲線的波動范圍大部分在0°以下，說明艇體入水之后在大部分時(shí)間內(nèi)均向右舷橫傾。艏搖曲線的總體變化趨勢是下降的，但在下降過程中會在某些時(shí)段內(nèi)小幅度上升，其中上升的幅值小于總體下降的幅值。

圖9為不同初始姿態(tài)下的艇體平移距離對比。橫蕩為艇體沿y軸的平移距離，縱蕩為艇體沿x軸的平移距離，二者的大小均是相對于固定坐標(biāo)系而言的。圖9a中：艏傾20°的橫蕩曲線近乎為一條直線，說明入水過程中艇體幾乎沒有發(fā)生y軸方向上的平移；橫傾10°和艉傾20°的橫蕩曲線為逐漸上升的曲線，其中橫傾10°的橫蕩曲線的上升速率和幅度均大于艉傾20°的橫蕩曲線。以艉傾20°的下落姿態(tài)入水之后，艇體縱搖角度的最大值將近30°，此時(shí)艇體已出現(xiàn)嚴(yán)重的埋艏現(xiàn)象，大量水體沿著艇體艏部和舷側(cè)涌到甲板上，兩舷側(cè)的水流變得不均勻，艇體處在復(fù)雜的非均勻流場中，流場的強(qiáng)非線性給艇體在y軸方向的運(yùn)動帶來了很多不確定性。圖9b中，橫傾10°和艉傾20°的縱蕩曲線關(guān)于0°上下對稱且幅值較小，說明二者在艇長方向的運(yùn)動規(guī)律比較相似，區(qū)別在于前者向艏部方向平移，后者向艉部方向移動。

圖9 不同初始姿態(tài)下的艇體平移距離對比

2.2.2 自由液面對比

救生艇以橫傾10°、艏傾20°和艉傾20°等3種初始下落姿態(tài)入水之后典型時(shí)刻的自由液面變化云圖見圖10～圖12。當(dāng)初始下落姿態(tài)為橫傾10°時(shí)，艇體觸水時(shí)的橫搖角度為負(fù)值，左舷率先與水面接觸，水流沿左舷向上爬升，為保證有足夠的浮力支撐起整個(gè)艇體，艇體向右舷傾斜以增加吃水。艇體向右舷橫傾時(shí)整個(gè)甲板的上浪情況比較嚴(yán)重。

圖10 救生艇以橫傾10°的初始下落姿態(tài)入水之后典型時(shí)刻的自由液面變化云圖

圖12 救生艇以艉傾20°的初始下落姿態(tài)入水之后典型時(shí)刻的自由液面變化云圖

圖11 救生艇以艏傾20°的初始下落姿態(tài)入水之后典型時(shí)刻的自由液面變化云圖

圖12中，艇體艏部入水之后在艏部進(jìn)流段方向上激起一股浪花，水流從艇體兩肩處涌上甲板。艇體的艏部上翹，中后部向下擠壓水體并將水流向兩側(cè)推開。艇體艉部周圍被擠壓的水體迅速向上反彈，在t=3.27 s時(shí)在艇體艉部后方形成一個(gè)波峰，同時(shí)兩側(cè)自由面凹陷形成波谷。水體給艇體艉部施加了一個(gè)推動艇體向x軸正方向平移的反作用力。當(dāng)t=4.47 s時(shí)，艇體已離開觸水時(shí)的位置，原來波峰的位置變成了波谷，波谷兩側(cè)產(chǎn)生了波峰。此后，艇體緩慢向前方移動，甲板上的水體部分在艇體向前運(yùn)動過程中從艉部緩慢流出。

對于艉傾和艏傾入水而言，在艇體入水前期，二者的自由液面的變化比較相似，該變化都是由艇體下沉并將水體向艇體兩側(cè)推開引起的。不同的是，在以艉傾姿態(tài)觸水瞬間，艉部的排水體積瞬間增大，整個(gè)艉封板被水浸濕，而以艏傾姿態(tài)觸水時(shí)，艉后方的自由液面有小幅度的下降，水體不會接觸到艉封板。在t=3.20～5.60 s時(shí)段內(nèi)，艇體主要處于橫搖、橫蕩和艏搖等3個(gè)自由度的耦合運(yùn)動狀態(tài)下，甲板上的水體在該時(shí)段隨著艇體的晃蕩不斷從兩舷側(cè)流出。

3 結(jié) 語

本文以一艘剛性充氣艇為計(jì)算模型，基于動態(tài)重疊網(wǎng)格法對其從某高度處以不同姿態(tài)自由下落的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了救生艇從高空自由下落過程中各物理量的變化，并對比分析了艇體以不同下落姿態(tài)入水的動力學(xué)響應(yīng)特性，主要得到以下結(jié)論：

1）在艇體入水過程中，艇體受到水對結(jié)構(gòu)施加的各種反作用力，主要包括2種載荷，分別是觸水瞬間的沖擊力和入水過程中的撞擊力。不同初始下落姿態(tài)對艇體在入水過程中受到的沖擊載荷的影響不大。

2）艇體初始下落姿態(tài)決定了其入水之后的運(yùn)動狀態(tài)，其中橫傾入水時(shí)艇寬方向上的運(yùn)動比較劇烈，艏傾和艉傾入水時(shí)艇長方向上的運(yùn)動比較劇烈。

3）不同初始下落姿態(tài)對自由液面的總體影響的變化規(guī)律大致相同。以4種初始下落姿態(tài)入水均會出現(xiàn)水體涌上甲板的情況，其中艏傾幅度較大和艇體出現(xiàn)埋艏現(xiàn)象時(shí)甲板上浪現(xiàn)象比較嚴(yán)重。通過調(diào)整艇體初始下落姿態(tài)，可改變艇體的入水角度，進(jìn)而有效減輕甲板上浪現(xiàn)象。