全封閉救生艇碰撞試驗研究

陳景昊

（中國船級社溫州辦事處，浙江 溫州 325000）

作為船舶與海洋設施的最后一道生命保障設備，救生艇在海上遇險逃生及救助他船過程中發(fā)揮著尤為重要的作用。兩舷降落式全封閉救生艇，憑借其操作便捷，便于維護保養(yǎng)以及安全可靠，在油船、集裝箱船和甲板運輸船等多型船舶上廣泛使用。由于海上海況較為惡劣，尤其是在棄船需要用到救生艇逃生的時候，母船劇烈的橫搖和縱搖將導致倒臂式救生艇與船舷發(fā)生劇烈碰撞?；诖耍瑖H海事組織海上安全委員會，經(jīng)MSC.226(82),MSC.274(85),MSC.321(89) 和MSC.323(89)修正的 MSC.81(70)《經(jīng)修正的救生設備試驗建議》第1部分[1]要求，所有兩舷降落式全封閉救生艇在初次認可時需要進行碰撞試驗，用以模擬救生艇在降放過程中與船舷發(fā)生碰撞。孫奔奔[2]對大型救生艇艇體結構碰撞進行了相應研究，利用非線性有限元軟件對艇體受鋼球體撞擊和艇體撞擊母船船舷進行了計算分析及研究，按照相關對公約和規(guī)則的要求設置相應的工況，依次對各個速度撞擊下典型位置的響應情況、能量轉換情況及其應力和應變變化規(guī)律進行研究。周傳璋[3]對救生艇與救生艇設備的試驗和檢查進行了介紹，并對碰撞試驗的要點進行了分析。劉普星[4]等人基于安全水平法（Safety-Level Approach，SLA）對某典型救生艇結構強度進行了相應的校核和衡準。文中對風險識別和風險分析、艇體結構強度衡準的制定（包括外載荷衡準的合理性和許用撓度的合理性）、強度衡準的合理性驗證等進行了分析，并結合某9.35m 和5.25m 兩款救生艇進行了實艇試驗，應用安全水平分析對其進行衡準和研究，為救生艇的技術標準制定和救生艇的設計提出了有益建議。李牧之[5]等人對護舷在船舶碰撞中的保護作用進行了研究，通過建立護舷的幾何模型、橡膠護舷的材料模型、復合材料護舷的材料模型，結合數(shù)值仿真方法對船體、護舷和碼頭碰撞特性進行分析，對不同型式、不同材料和不同工況的碰撞性能進行計算，提出了一種新型復合材料的護舷設計方案，基于船舶靠泊撞擊進行了仿真計算驗證，結合材料力學性能參數(shù)選擇合適的材料，從能量轉換角度對護舷防護性能進行分析，驗證了方案的可靠性。吳立洋[6]結合兩種護舷的結構特點和材料模型，建立有限元模型，針對典型作業(yè)工況進行計算研究，分析對比護舷結構的變形量與船體碰撞后的反作用力及壓強，為靠泊工況船舶防撞護舷結構的設計提出了有益建議。

1 救生艇概述

1.1 實艇艇型概述

本次試驗所選取的全封閉救生艇艇體材料為阻燃性纖維增強材料，其主要參數(shù)見表1。

表1 救生艇主要參數(shù)

表2 動力響應模態(tài)參數(shù)

表3 測點最大比率值時的加速度（單位：g）

在碰撞試驗過程中，救生艇中的乘員采用沙包模擬，對典型位置采用與實際相同的安全帶以及卡扣將模擬人體的100kg 重物牢固的綁扎在座位上。

1.2 護舷結構

在救生艇設計時往往會布設護舷結構，根據(jù)實際的作業(yè)工況和救生艇型式，選擇合適的護舷結構可以有效地提高防撞性能，大大降低救生艇與母船碰撞時產(chǎn)生劇烈的沖擊，改善艇內(nèi)乘員的舒適度，目前常規(guī)的護舷結構多數(shù)采用橡膠或者新型復合材料制成。橡膠材料具有吸能強，反作用力小，優(yōu)異的防腐蝕性能以及性價比高的優(yōu)勢，在防撞領域得到了廣泛的應用，本艇防撞護舷結構采用橡膠材料制成，具體結構參數(shù)見圖1。

2 救生艇碰撞試驗

由于救生艇材料多數(shù)為阻燃式纖維增強材料，護舷結構材料為復合材料，材料性能較難確定，因此在實際評估時，目前均采用實艇碰撞試驗進行研究。

2.1 試驗概況

根據(jù)該型艇的主要參數(shù)信息，碰撞試驗需要在模擬滿負載時，將救生艇吊高625mm，釋放后擺動撞擊剛性墻表面（用以模擬船舷），碰撞時艇的速度為3.5m/s，試驗時艇的受沖擊側應安裝合適的護舷結構，該護舷結構應與救生艇實際護舷結構相一致。碰撞試驗的示意圖見圖2。

圖2 實艇自由降落試驗示意

2.2 測點的布置

在封閉艇內(nèi)用于測試的加速度傳感器需要達到以下要求：

（1）具備涵蓋本次試驗充足的頻率響應，且頻率響應需最少覆蓋0～200Hz。

（2）具備記錄整個試驗過程種所產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)的充足的容量。

（3）傳感器精度應能控制在±0.5%內(nèi)。

基于上述要求，本次試驗選取了丹麥B&K 公司生產(chǎn)的型號為4321 的4 個三向加速度傳感器，并輔以丹麥B&K 公司生產(chǎn)的型號為2692 的電荷放大器。

加速度傳感器應固定在艇內(nèi)剛性部位，使振動及滑移量盡可能小，并在艇內(nèi)的布設位置應能測量得到碰撞時，最嚴重最惡劣的受力情況，因此本次選取救生艇駕駛員座位位置（2 號測點），靠近救生艇碰撞面一側的典型座位背靠（其中1 號測點位置為護舷安裝的內(nèi)測，3 號測點位置為護舷安裝位置靠艇首100mm），背向救生艇一側靠近艇首的位置（4 號測點），詳細的測點布置圖見圖3。

圖3 救生艇碰撞試驗測點布置示意

2.3 試驗測量及分析系統(tǒng)

本試驗的基本原理為，通過安裝在救生艇內(nèi)的4 個B&K4321 型加速度傳感器獲取碰撞時各危險位置的加速度信息，通過B&K2692 型電荷放大器進行信號放大，通過P-MVAS100 型便攜式多通道測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和輸出，詳細分析流程見圖4。

突出預警過程中，根據(jù)預警指標體系中各指標值，按照預警規(guī)則庫中相應的預警規(guī)則，得到對應的初級預警結果，進而可根據(jù)初級預警結果采用極值原則得到反映不同方面的二級預警結果，最后得到終級預警結果，其警情分析模型如圖4所示。在由初級預警結果確定二級和終級預警結果的過程中，遵循最高級原則和部分指標判識原則。

圖4 救生艇碰撞試驗測試及分析流程示意

2.4 測試結果分析

2.4.1 動力響應模態(tài)評定

動力響應模態(tài)評定法是判定救生艇內(nèi)部乘員承受碰撞及沖擊載荷后損傷危險性的最佳方案之一。在動力響應模態(tài)評估中，將分析對象即人體作為作用于各向上的單一自由度的彈簧體。通過測試所獲得的加速度所激發(fā)的人體質量相對于支持座位的響應，進而進行相應的評定。

在進行動力響應分析之前，測得的加速度值應定向至座位的主軸，且動力響應分析所需的結果為人體質量相對于座位在每一坐標軸上的位移時間。

使用動力響應模態(tài)評定進行計算和衡準時，下列表達式應能得到滿足。

式中：dx—人體質量在X 人體軸線方向上相對于支持座位，按動力響應分析計算而得的同時發(fā)生的相對位移。（dy、dz亦然）

Sx —為相應降落狀態(tài)下的X 向的相對位移。（Sy及Sz亦然）

2.4.2 沖擊響應頻譜系列（SRSS）

同樣的，在進行SRSS 分析之前，測得的加速度應定向至座位的主軸，并對實艇上測得的加速度以不小于20Hz 的低通濾波器進行過濾。

使用沖擊響應頻譜系列（SRSS）進行計算和衡準時，下列表達式應能得到滿足。

式中：gx—人體質量在X 人體軸線方向上相對于支持座位，按動力響應分析計算而得的同時發(fā)生的相對加速度。（dy、dz亦然）

Gx —為相應降落狀態(tài)下X 向的相對加速度極限。（Gy 及Gz 亦然）

其中駕駛員位置（測點2）按計算公式（2）進行評定，參考應急限值進行評估，其中Gx=18，Gy=7，Gz=7。

其余乘員位置（測點1、3、4）按計算公式（2）進行評定，其中Gx=7，Gy=18，Gz=7。

最大比率值結果詳見表4。

表4 最大比率值

3 結論

本文對兩舷降落全封閉救生艇的碰撞試驗進行了研究，按照國際海事組織海上安全委員會，經(jīng)MSC.226(82),MSC.274(85),MSC.321(89) 和MSC.323(89)修正的 MSC.81(70)《經(jīng)修正的救生設備試驗建議》第1部分要求，結合某型艇進行了實艇碰撞試驗，對各測點的加速度進行測量和分析，獲取最危險位置的加速度信息，并以此進行了SRSS 最大比率值評估，評估結果最大值為0.893（小于1），滿足評估要求，驗證了該型艇碰撞性能的安全性。