基于實(shí)船測(cè)量的船舶結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)特性研究

何帥康, 陳曉東, 崔洪宇,2, 季順迎

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

北極海冰覆蓋面積的持續(xù)減少使其航線的適航性不斷提高,但其在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也為船舶冰區(qū)操縱和航行安全帶來了全新挑戰(zhàn)[1]。船舶在冰區(qū)航行時(shí)主要受海冰、波浪、螺旋槳、風(fēng)等激勵(lì)的影響,其中海冰對(duì)船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響人員的健康狀態(tài)與設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞等問題[2-4]。海冰作用下的船體振動(dòng)特性變化取決于船-冰相互作用過程中的冰載荷特性。因此,對(duì)船舶結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量分析,有助于理解船-冰相互作用機(jī)理,并為船舶冰區(qū)航行的舒適性評(píng)估和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析提供數(shù)據(jù)支撐[5-6]。

實(shí)尺度測(cè)量是獲取結(jié)構(gòu)冰激響應(yīng)最準(zhǔn)確、有效的方式[7]。冰激振動(dòng)的實(shí)尺度測(cè)量最早開展于海洋工程結(jié)構(gòu),如燈塔、橋墩、海洋平臺(tái)、沉箱等,并取得了系統(tǒng)的研究成果[8-9]。相比于結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單的海洋工程結(jié)構(gòu),船舶受結(jié)構(gòu)復(fù)雜與航行線路多變等條件的制約,實(shí)船測(cè)量的工作開展相對(duì)較少。國(guó)外學(xué)者依托PSRV S.A. AgulhasⅡ號(hào)極地科考船開展了相對(duì)系統(tǒng)的冰激振動(dòng)測(cè)量,其中Suominen等[10]在2012年3月于巴倫支海開展的全尺度測(cè)量試驗(yàn),對(duì)駕駛室區(qū)域的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量,并根據(jù)ISO 2631-1規(guī)范的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估了艙室的舒適度,結(jié)果表明冰區(qū)航行的振動(dòng)是海面航行的10倍。Soal等基于S.A. AgulhasⅡ船2013—2014年度的南極航行,測(cè)量了駕駛室甲板的振動(dòng)速度變化,并綜合ISO 2631-1和ISO 6954—2000規(guī)范研究了船體振動(dòng)的激勵(lì)機(jī)制和振動(dòng)水平,對(duì)比發(fā)現(xiàn)碎冰區(qū)航行的冰激振動(dòng)高于連續(xù)式破冰過程所產(chǎn)生的振動(dòng)。Omer等[11]同樣采用ISO 2631-1規(guī)范中的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了該次南極航行中船員對(duì)波激振動(dòng)和冰激振動(dòng)的反應(yīng)程度,冰激振動(dòng)加速度可達(dá)到500 mm/s2,造成了船員的嚴(yán)重不舒適。國(guó)內(nèi)研究主要來源于“雪龍”號(hào)歷年的南北極考察和內(nèi)河船結(jié)冰期的破冰試驗(yàn)。季順迎等[12]通過分析2015—2016 年中國(guó)第32 次南極科學(xué)考察過程中測(cè)量的船體振動(dòng)數(shù)據(jù),通過分析時(shí)域內(nèi)的船體振動(dòng)加速度峰值發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)隨航速和冰厚的增大而增大的變化規(guī)律;龐福振等[13-14]在松花江開展了實(shí)船破冰試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果表明船舶破冰振動(dòng)的影響主要集中在船艏海冰作用區(qū)域,且船體局部振動(dòng)與結(jié)構(gòu)固有頻率密切相關(guān)。目前國(guó)外的船體冰激振動(dòng)相關(guān)研究主要關(guān)注駕駛室的適居性評(píng)價(jià),國(guó)內(nèi)由于極地航次較少,冰激振動(dòng)的分析較為有限,需要系統(tǒng)地分析破冰過程對(duì)船體振動(dòng)的影響,揭示船體冰激振動(dòng)特性。

本文依托“雪龍”號(hào)科考船在我國(guó)第8次北極科考,對(duì)航線冰情和船體結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)不同冰況下的船體振動(dòng)特性進(jìn)行了深入分析。采用ISO 6954—2000規(guī)范對(duì)船體冰激振動(dòng)和艙室舒適性進(jìn)行定量評(píng)估,并對(duì)船體振動(dòng)的概率分布特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定振動(dòng)分布特性的主要影響因素。

1 “雪龍”號(hào)科考船冰激船體振動(dòng)測(cè)量

為研究船舶結(jié)構(gòu)與海冰相互作用過程中的振動(dòng)響應(yīng)特性,在2017年“雪龍”號(hào)科考船我國(guó)第8次北極科學(xué)考察中開展了船體振動(dòng)加速度和海冰信息的船基測(cè)量。

1.1 “雪龍”號(hào)科考船振動(dòng)測(cè)量方案

由于船舶在航行過程中與海冰的碰撞部位主要集中在船體艏部,因此將加速度傳感器布置于振動(dòng)較為強(qiáng)烈的艏尖艙區(qū)域,如圖1所示?！把垺碧?hào)科考船的船體主要參數(shù),如表1所示。船體振動(dòng)主要測(cè)量船體縱向(船長(zhǎng)方向)、垂向(型深方向)、橫向(型寬方向)加速度。動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀設(shè)置低通抗混濾波用于消除高頻噪聲的影響;采樣頻率設(shè)置為500 Hz以避免原始振動(dòng)信號(hào)在采樣中的失真。

表1 “雪龍”號(hào)極地科考船的主要參數(shù)

圖1 “雪龍”號(hào)振動(dòng)測(cè)試中的設(shè)備布置示意圖

此外,在駕駛臺(tái)甲板處和主甲板處布置防水防寒視頻攝像機(jī)以監(jiān)測(cè)識(shí)別冰情參數(shù),其主要包括海冰類型、海冰密集度和海冰厚度。海冰圖像參數(shù)信息有助于分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果和冰船相互作用機(jī)理。

1.2 北極航行路線及航線冰情

在我國(guó)第8次北極科學(xué)考察中,“雪龍”號(hào)科考船由上海出發(fā),經(jīng)白令海峽至楚科奇海,然后穿越北極中央航道抵達(dá)斯瓦爾巴群島附近。根據(jù)船基海冰圖像監(jiān)測(cè)識(shí)別的航線周圍海冰密集度分布,如圖2所示。“雪龍”號(hào)于2017年8月2日駛?cè)氡鶇^(qū),8月19日駛出冰區(qū),冰區(qū)航行約18 d。由于科考過程中北極處于融冰期,航線上主要為密集度較低的碎冰,僅在部分海域遭遇密集度較高的浮冰。

(圖中:① 2017年8月2日,“雪龍”號(hào)進(jìn)入冰區(qū)地點(diǎn); ② 2017年8月19日,“雪龍”號(hào)駛出冰區(qū)地點(diǎn))

1.3 船體冰激振動(dòng)特性分析

船舶在冰區(qū)航行時(shí),會(huì)受到海冰、波浪、螺旋槳、風(fēng)等多種因素產(chǎn)生的載荷及動(dòng)態(tài)激勵(lì)[15]。這里主要考慮海冰、波浪和螺旋槳的影響來分析船體振動(dòng)特性。其中:海冰和波浪對(duì)船體的砰擊是瞬時(shí)激勵(lì),激起的船體振動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間衰減[16];螺旋槳往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)屬于穩(wěn)態(tài)振動(dòng),在工程中螺旋槳激振力主要考慮軸頻激振力和高頻激振力(葉頻和倍葉頻激振力)[17]。

“雪龍”號(hào)采用四葉對(duì)稱流線型可調(diào)螺距槳,主機(jī)選用六缸二沖程的往復(fù)式柴油機(jī),敞水航行時(shí)的螺旋槳轉(zhuǎn)速為103 r/min,由此可推算出其典型的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)頻率,即軸頻1.72 Hz,葉頻6.86 Hz,柴油機(jī)排氣脈沖激勵(lì)頻率10.3 Hz。

在敞水航行工況下的典型船體振動(dòng)響應(yīng),如圖3所示。圖3(a)為UTC時(shí)間2017年7月21日0:04—0:06時(shí)間段敞水航行時(shí)的振動(dòng)加速度時(shí)程變化。實(shí)船振動(dòng)加速度信號(hào)中包含船舶運(yùn)動(dòng)信息和結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度信息?？紤]到船舶航行中航速變化較小,可視為恒航速運(yùn)動(dòng),因此影響振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的是船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)。船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)是指在風(fēng)浪作用下,于平衡位置附近所作的周期性振蕩運(yùn)動(dòng),包括橫搖,縱搖、搖首、縱蕩、橫蕩和垂蕩,其中對(duì)船舶影響較大的是橫搖、縱搖和垂蕩。圖3中也可以看出敞水航行中明顯的船舶橫搖和垂蕩周期,一般在10 s以內(nèi)。圖3(b)為對(duì)船體振動(dòng)加速度時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后得到的頻譜。由于振動(dòng)的主要頻率均在20 Hz頻率以下,并且Heyn等在冰區(qū)航行的船體振動(dòng)時(shí)頻分析中同樣發(fā)現(xiàn)冰激振動(dòng)的能量主要集中在低頻范圍,這里僅關(guān)注低階存在的多個(gè)峰值,對(duì)應(yīng)的頻率及描述列于表2中。

表2 敞水航行中典型的船體振動(dòng)頻率

圖3 敞水航行典型的振動(dòng)加速度響應(yīng)

冰區(qū)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)所受冰載荷特性主要由結(jié)構(gòu)型式、海冰形態(tài)、船-冰相互作用速度等因素決定。根據(jù)海冰的表層形態(tài)特點(diǎn),北極融冰期的海冰主要表現(xiàn)為三種類型:碎冰、平整冰和冰脊。三種冰區(qū)航行工況下典型的冰情圖像和船體振動(dòng)加速度響應(yīng),如圖4所示,相關(guān)的航行信息和海冰參數(shù)列于表3中。Tan等[18]在破冰過程中的數(shù)值模擬中計(jì)算出船舶垂蕩、橫搖、縱搖的周期分別是8.5 s,10.0 s,6.5 s。可見冰區(qū)航行中船舶周期性運(yùn)動(dòng)的周期較大,不會(huì)影響到船舶振動(dòng)。本文將重點(diǎn)分析海冰碰撞作為砰擊載荷下的船體瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)及特性,未對(duì)船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析與討論。

表3 選取工況的航行信息和環(huán)境參數(shù)

圖4 不同冰況下的典型結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性

圖4(a)～圖4(c)為UTC時(shí)間2017年8月8日18:06—18:08在碎冰區(qū)航行的海冰圖像和船體振動(dòng)加速度。北極中央航道融冰期的碎冰尺寸較大,海冰上表面融池較少,仍表現(xiàn)出平整冰的分布特征[19]。在船舶與大面積浮冰相互作用時(shí),海冰主要表現(xiàn)為劈裂破壞模式,在圖4(a)中可以觀察到貫穿浮冰的劈裂裂紋的存在。船舶在碎冰區(qū)會(huì)與海冰發(fā)生多次碰撞,每次碰撞都會(huì)引起船體振動(dòng),這在圖4(b)振動(dòng)加速度時(shí)程中可以很好地體現(xiàn)。加速度頻譜的最大幅值一般出現(xiàn)在船體結(jié)構(gòu)一階固有頻率處,且橫向(沿船寬方向)振動(dòng)幅值最大。由此可見,大面積碎冰與船體作用時(shí)會(huì)呈現(xiàn)劈裂破壞和彎曲破壞的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制[20],且由劈裂破壞占主導(dǎo)。此時(shí)船-冰作用力的橫向分量是海冰破壞的主要因素,振動(dòng)幅值隨船-冰作用力的差異而變化。

圖4(d)～圖4(f)為UTC時(shí)間2017年8月8日12:26—12:28在平整冰區(qū)航行的海冰圖像和船體振動(dòng)加速度。由于“雪龍”號(hào)冰級(jí)較低,在進(jìn)入平整冰區(qū)前船舶會(huì)主動(dòng)減速、緩慢航行以減小冰阻力[21]。船舶采用連續(xù)式破冰方式穿行冰區(qū),海冰的主要破壞模式表現(xiàn)為彎曲破壞。此時(shí)的船舶平均航速為4.2 kn,海冰平均厚度為2.1 m,與圖4(a)中所示的碎冰區(qū)航行航速和冰厚相近,因此加速度的時(shí)域變化范圍相近。而由于彎曲破壞模式下海冰破碎長(zhǎng)度較小,導(dǎo)致加速度時(shí)程表現(xiàn)出持續(xù)性變化特征。連續(xù)式破冰模式下的船舶與海冰發(fā)生多次碰撞,振動(dòng)能量高于同冰厚同航速下的碎冰區(qū),導(dǎo)致平整冰冰區(qū)航行的振動(dòng)幅值明顯高于碎冰區(qū)。從圖4(f)中可以看出平整冰區(qū)橫向振動(dòng)幅值是同冰厚同航速下碎冰區(qū)的2倍,而垂向振動(dòng)幅值達(dá)到同冰厚同航速下碎冰區(qū)的3倍,可見振動(dòng)幅值與海冰破壞模式密切相關(guān),彎曲破壞模式占比的增多導(dǎo)致垂向振動(dòng)幅值變化更為顯著。

圖4(g)～圖4(i)為UTC時(shí)間2017年8月9日20:24—20:26在冰脊區(qū)域航行的海冰圖像和船體振動(dòng)加速度。在圖4(g)中可以清晰地觀察到冰脊的脊?fàn)钶喞卣?。冰脊是由平整冰在外力作用下相互擠壓或剪切,在冰內(nèi)應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度后發(fā)生破壞和堆積,并隨著內(nèi)部的破碎冰重新凍結(jié)而形成,其固結(jié)層厚度一般為平整冰的2倍～3倍[22-23]。船舶與冰脊作用會(huì)產(chǎn)生劇烈的結(jié)構(gòu)振動(dòng),在圖4(h)中可以明顯看出船體碰撞冰脊時(shí)的加速度變化,且隨著船舶的行進(jìn)加速度變化不斷衰減。但由于傅里葉變換會(huì)造成幅值的平均化,導(dǎo)致冰脊區(qū)的船體振動(dòng)幅值與圖4(c)碎冰區(qū)航行的振動(dòng)幅值較為接近。此外,冰脊區(qū)船體垂向與橫向振動(dòng)幅值的比值相比于圖4(c)碎冰區(qū)航行的振動(dòng)幅值同樣有較明顯的增大,即冰脊區(qū)海冰的彎曲破壞模式占比高于碎冰區(qū)。

2 冰區(qū)航行的船體振動(dòng)特性評(píng)價(jià)

船體振動(dòng)的定性分析難以滿足冰激振動(dòng)評(píng)估的需求,以下將基于ISO 6954規(guī)范中的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析冰區(qū)航行中的船體振動(dòng)特性。

2.1 ISO 6954規(guī)范中的船體振動(dòng)評(píng)價(jià)

ISO 6954—2000規(guī)范,即《客船和商船適居性振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》,規(guī)定了頻率加權(quán)均方根加速度(mm/s2)和速度(mm/s)的限制,為客船和商船的振動(dòng)評(píng)價(jià)提供了指南。頻率加權(quán)均方根加速度需要將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),然后按1/3倍頻程帶加速度的加權(quán)均方根計(jì)算

(1)

式中:ar.m.s為總的頻率加權(quán)均方根加速度,mm/s2;ai為在1～80 Hz全頻帶內(nèi)1/3倍頻程的第i頻帶的加速度值,mm/s2;Wai為第i個(gè)1/3倍頻帶的加權(quán)系數(shù),具體數(shù)值可由ISO 6954—2000頻率加權(quán)曲線查得。

該規(guī)范關(guān)注的頻率范圍為1～80 Hz,且規(guī)定了振動(dòng)測(cè)量的持續(xù)時(shí)間至少為1 min。針對(duì)明顯低于2 Hz的頻率分量,測(cè)量的持續(xù)時(shí)間則至少為2 min。此外,該規(guī)范綜合考慮了整個(gè)振動(dòng)響應(yīng)譜,表征了船體整體的振動(dòng)情況[24]。表4列出了船舶不同艙室振動(dòng)評(píng)價(jià)的上下限值。高于上限值為有害振動(dòng),低于下限值為無害振動(dòng),兩者之間為可接受的振動(dòng)范圍。

表4 船舶不同艙室振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 基于實(shí)船測(cè)試的振動(dòng)評(píng)價(jià)

根據(jù)ISO 6954規(guī)范定義的頻率加權(quán)均方根加速度計(jì)算公式,對(duì)“雪龍”號(hào)在冰區(qū)航行工況進(jìn)行振動(dòng)評(píng)價(jià)。取該規(guī)范規(guī)定最短持續(xù)測(cè)量時(shí)間2 min作為一組航行工況。表5匯總了381組航行工況的振動(dòng)加速度加權(quán)均方根,包括16組敞水航行和365組冰區(qū)航行。冰區(qū)航行工況根據(jù)海冰類型分為碎冰區(qū)、平整冰區(qū)和冰脊區(qū)。統(tǒng)計(jì)工況中的振動(dòng)幅值大多處于無害振動(dòng)區(qū)間,最大振動(dòng)為166 mm/s2,仍處于可接受的振動(dòng)區(qū)間。在冰區(qū)航行中船體最大振動(dòng)是平靜海面航行的10多倍,海冰引起的振動(dòng)要遠(yuǎn)大于波浪。冰區(qū)航行的最大振動(dòng)加速度大多出現(xiàn)在橫向(沿船寬方向),此時(shí)船-冰作用過程中橫向的載荷分量主導(dǎo)海冰的破壞,且海冰主要的破壞模式多表現(xiàn)為劈裂破壞。

表5 船體振動(dòng)加速度加權(quán)均方根匯總表

由于冰脊對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的冰載荷要遠(yuǎn)大于平整冰,一般取冰脊的作用力作為結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)載荷[25]。然而,從實(shí)船的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果看,最大的冰激振動(dòng)出現(xiàn)在碎冰區(qū)航行而非冰脊區(qū)航行。這主要是“雪龍”號(hào)在穿過冰脊區(qū)時(shí)一般采用較低的航速進(jìn)行破冰航行,而在碎冰區(qū)航行時(shí)可能由于對(duì)冰情的低估導(dǎo)致較高速的破冰航行行為,因此產(chǎn)生較強(qiáng)的船體振動(dòng)。此時(shí)船舶航速變化所導(dǎo)致的振動(dòng)幅值變化高于冰厚變化所導(dǎo)致的振動(dòng)幅值變化。此外,從平均垂向/橫向振動(dòng)幅值的比值來看,平整冰區(qū)航行中的比值明顯高于冰脊區(qū)和碎冰區(qū),可見在平整冰區(qū)航行時(shí),海冰更容易發(fā)生彎曲破壞,此時(shí)彎曲破壞模式的占比會(huì)明顯高于冰脊區(qū)和碎冰區(qū)航行。

2.3 實(shí)船振動(dòng)特性的統(tǒng)計(jì)分布

船舶與海冰的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,其產(chǎn)生的船體振動(dòng)也具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。采用統(tǒng)計(jì)方法可以對(duì)船體振動(dòng)極值進(jìn)行有效地合理預(yù)測(cè)[26-27]。這里對(duì)整個(gè)航次中船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度加權(quán)均方根進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和分布擬合,其符合廣義極值分布(generalized extreme value distribution, GEV),其概率密度圖及擬合情況如圖5所示。廣義極值分布的概率分布函數(shù)可寫作

圖5 冰區(qū)航行中船體振動(dòng)加速度加權(quán)均方根的概率密度分布圖

f(ar.m.s│k,μ,δ)=

式中,k,μ,δ分別為廣義極值分布函數(shù)的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)。

船體三個(gè)方向上振動(dòng)幅值的擬合參數(shù)列于表6中。對(duì)該分布函數(shù)進(jìn)行p值為0.05的K-S檢驗(yàn),表6中pvalue的值高于0.05表示通過假設(shè)檢驗(yàn)。由此可見,廣義極值分布函數(shù)對(duì)船體振動(dòng)加速度均方根分布均具有較高的擬合優(yōu)度。

表6 廣義極值分布的擬合參數(shù)和K-S檢驗(yàn)的p值

3 船體結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)特性分析

船體結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)特性分析包括振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值,由此可探討冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)的分布規(guī)律。

3.1 冰區(qū)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的主要影響因素

在外部激勵(lì)下,船體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出無阻尼自由振動(dòng)。Matusiak[28]發(fā)現(xiàn),在假定船舶航速和海冰厚度獨(dú)立于船舶剛度的情況下,海冰的存在可以看作船體的附加質(zhì)量,船體的固有頻率可寫作

(3)

式中:k0,ki分別為無外部激勵(lì)狀態(tài)下的船舶剛度和海冰作用下的船舶剛度;m0,mi分別為無外部激勵(lì)狀態(tài)下的船舶質(zhì)量和海冰作用下的船舶質(zhì)量。

若假設(shè)船舶剛度不變,即k0=ki,則有

(4)

船-冰相互作用下的海冰附加質(zhì)量可寫作

(5)

由此,根據(jù)測(cè)量的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)可以跟蹤船體固有頻率的變化,其主要是由海冰作用在船體上的慣性力產(chǎn)生。下面僅考慮一階固有頻率分析船舶在不同類型海冰區(qū)域航行時(shí)的頻率變化。圖6為碎冰區(qū)、平整冰區(qū)、冰脊區(qū)航行時(shí)的一階固有頻率箱線圖。

圖6 不同航行下船體振動(dòng)一階固有頻率箱線圖

從圖6中可以看出,不同類型海冰與船體作用時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率會(huì)有微小變化。在碎冰區(qū)航行中更容易出現(xiàn)較低的振動(dòng)頻率,而平整冰區(qū)容易出現(xiàn)較高的振動(dòng)頻率。這與Heyn等發(fā)現(xiàn)的未破碎冰對(duì)應(yīng)著相對(duì)較高的一階固有頻率規(guī)律相一致。此外,根據(jù)式(5),一階固有頻率從1.305 Hz下降到1.259 Hz,這相當(dāng)于6.93%的質(zhì)量增加,即海冰作用導(dǎo)致的附加質(zhì)量變化可達(dá)1 200 t。

3.2 冰區(qū)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值的主要影響因素

振動(dòng)幅值取決于船-冰相互作用下激振力大小。影響船-冰作用力的主要因素有航速、冰厚和海冰強(qiáng)度等[29]。由于海冰強(qiáng)度同時(shí)受內(nèi)部條件、環(huán)境條件和加載速率的影響而難以定量分析,因此本文主要圍繞船舶航速和海冰厚度對(duì)振動(dòng)幅值的影響進(jìn)行分析。這里將加速度加權(quán)均方根作為振動(dòng)幅值的衡量指標(biāo)?？紤]船舶橫向的振動(dòng)最為劇烈,這里只對(duì)橫向振動(dòng)幅值的變化進(jìn)行分析。

航速和冰厚共同影響船體冰激振動(dòng)的幅值。在進(jìn)行航速和冰厚對(duì)振動(dòng)幅值的單因素分析時(shí),應(yīng)盡可能減少另一因素的影響。圖7(a)和圖7(b)分別描述了橫向振動(dòng)幅值隨航速和冰厚的變化規(guī)律。當(dāng)分析航速影響時(shí),將冰厚分為1.0～1.5 m,1.5～2.0 m和2.0～2.5 m三個(gè)區(qū)間。可以發(fā)現(xiàn),在不同的冰厚區(qū)間,航速和振動(dòng)幅值均有較為明顯的線性關(guān)系;隨著航速的增加,振動(dòng)幅值也相應(yīng)增大。當(dāng)分析冰厚影響時(shí),將船舶航速分為3.8～4.6 kn,5.9～6.4 kn和7.0～8.2 kn三個(gè)區(qū)間。同樣也可以發(fā)現(xiàn),在不同的航速區(qū)間內(nèi),振動(dòng)幅值隨著冰厚的增加而增大。

圖7 橫向振動(dòng)幅值隨船舶航速和海冰厚度的變化規(guī)律

由于航速的增加會(huì)導(dǎo)致劇烈的船體振動(dòng),因此在冰區(qū)航行時(shí)需要降低航速來減小振動(dòng)幅值以滿足其適居性。此外,航速降低會(huì)導(dǎo)致破冰效率降低、冰困事件增加的風(fēng)險(xiǎn)[30]。因此如何平衡破冰效率和振動(dòng)等級(jí)之間的關(guān)系,在不同冰況下進(jìn)行合理的航速規(guī)劃是冰區(qū)安全航行的重要問題。

4 結(jié) 論

本文對(duì)“雪龍”號(hào)極地科學(xué)考察船在北極中央航道航行時(shí)的海冰參數(shù)和船體冰激振動(dòng)加速度進(jìn)行了全程測(cè)量。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)敞水、碎冰區(qū)、平整冰區(qū)和冰脊區(qū)四種典型航行工況下的振動(dòng)特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;根據(jù)ISO 6954規(guī)范,通過振動(dòng)加速度的加權(quán)均方根對(duì)艏尖艙的振動(dòng)水平進(jìn)行了定量分析。本文的主要研究結(jié)論如下:

(1)“雪龍”號(hào)破冰船冰區(qū)航行中船體振動(dòng)的主要頻率集中在20 Hz以下,且沿型寬方向(橫向)的振動(dòng)幅值最大,但其仍處于規(guī)范中可接受的范圍。

(2)“雪龍”號(hào)破冰船在冰脊區(qū)和平整冰區(qū)的振動(dòng)頻率略高于碎冰區(qū),而受航速的影響,冰脊區(qū)和平整冰區(qū)的振動(dòng)幅值明顯低于碎冰區(qū)。

(3)廣義極值分布概率密度函數(shù)對(duì)三個(gè)方向的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)加權(quán)均方根均具有較高的擬合優(yōu)度。

(4)船體振動(dòng)頻率的變化是由海冰附加質(zhì)量的變化造成的。海冰破壞模式的不同會(huì)導(dǎo)致船體附加質(zhì)量的變化。振動(dòng)幅值主要受船舶航速和海冰厚度的影響,航速或冰厚的增加均會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)幅值的增大。