李良偉，杜儉業(yè)

(中國人民解放軍92942部隊，北京 100161)

0 引 言

船舶碰撞事故不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，也會對海洋和生態(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，船體運動、結(jié)構(gòu)損傷、海洋環(huán)境等諸多細節(jié)難以用理論模型進行全面、真實的表達，為此有必要開展相關(guān)模型試驗，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60年代開始，國外相繼開展了大量的船舶碰撞試驗工作，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，模型比例從1/12到1/17.5不等，試驗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，撞擊模型試驗總體方案與文獻[3]基本一致，試驗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，撞擊船首用高強度鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，被撞船模型為標準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船碰撞試驗研究（見圖2），測量了2船相撞時被撞船舷側(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船剛體運動情況；Tabri[7–9]開展了船舶碰撞的縮比模型試驗，探討了船舶不同碰撞角度條件下的碰撞力和運動響應(yīng)特性（見圖3）。

總體而言，實船海上碰撞試驗實施風(fēng)險大、成本高、控制難，基于實驗室環(huán)境的船舶模型碰撞試驗研究成為碰撞試驗的主要方向之一。由于海上碰撞特性與船舶運動、相對位置、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的海上碰撞環(huán)境的試驗方案，從而為理論研究工作提供有力的試驗數(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)境的模型試驗方案，并運用船舶拖曳水池開展了系列模型碰撞試驗，探討了不同撞擊速度和撞擊角度對被撞船模型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷特性的影響，試驗研究結(jié)果可為更好地理解船舶實際場景下碰撞后的運動規(guī)律及船舶碰撞仿真方法的驗證提供支撐。

1 模型試驗方案設(shè)計

為有效控制模型試驗風(fēng)險和成本，將主要考慮在實驗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，碰撞模型試驗的總體考慮為：能夠同時實現(xiàn)模擬實船海上碰撞時的船舶運動與船體結(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)測試系統(tǒng)，為驗證碰撞理論及數(shù)值仿真方法提供支持。

1.1 試驗?zāi)Ｐ头桨冈O(shè)計

1.1.1 撞擊船模型

為實現(xiàn)在拖曳水池中開展不同撞擊速度條件下的碰撞試驗，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，同時提供一定的撞擊動能，也能夠在撞頭和平臺之間加裝力傳感器實現(xiàn)對碰撞力的實時監(jiān)測。撞擊船模型的設(shè)計方案如圖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備浮力，便于調(diào)整吃水和撞擊角度；中間為測試段，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，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、塑性變形等參數(shù)測量。被撞船模型的設(shè)計方案如圖5所示。

1.2 試驗?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)方案設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)設(shè)計的主要目的是能夠在試驗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)，同時兩船之間具有一定的相對速度和相對角度?；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，同時也能實現(xiàn)在撞擊發(fā)生時，鋼絲繩在瞬態(tài)沖擊力作用下斷裂，實現(xiàn)撞擊船和拖車的自動分離，既能保護拖車，也能確保撞擊船撞擊后處于自由運動狀態(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)計時則需要同時考慮拖曳水池的外部環(huán)境及撞擊船的運動特性，為此，將撞擊船模型布置與被撞擊船模型運動方向垂直的方向，用細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)試驗需要，調(diào)整與撞擊船運動方向的夾角，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)計如圖7所示。

1.1 試驗地概況 試驗在旱農(nóng)中心河村旱作節(jié)水基地進行，試驗地塊前茬為玉米，土壤為黃土質(zhì)淡褐土性土，有機質(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 模型試驗實施及結(jié)果分析

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

2.1 模型試驗實施

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，在尾部進行壓載。為進一步增大撞擊船的動能，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)成試驗所需的相對角度，被撞船模型及其系泊狀態(tài)如圖9所示。

2.1.3 撞擊力測量

撞擊力的測量采用壓力傳感器，撞擊力信號通過動態(tài)信號系統(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摩擦的影響。

2.2 試驗結(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)合試驗水池拖車的拖曳能力，選取了4組典型的試驗工況開展了模型水池碰撞試驗，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隨著撞擊速度和角度的變化出現(xiàn)不同的運動現(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)場撞擊情況觀察可知：

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

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

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將引起抬首現(xiàn)象，從而導(dǎo)致撞擊位置的偏差。

2.2.3 測試結(jié)果

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

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)果與國外實船碰撞試驗規(guī)律較為接近[6]；同時，隨著撞擊角度的減小，碰撞力近似呈線性下降趨勢。

2）撞擊速度和撞擊角度對碰撞力持續(xù)時間和碰撞力峰值持續(xù)時間影響明顯。撞擊速度越大，碰撞力的持續(xù)時間也越短，且峰值持續(xù)時間也非常短。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)時間增長，且峰值持續(xù)時間也相對增長。

3 結(jié) 語

本文在充分總結(jié)國外船舶碰撞模型試驗研究工作的基礎(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動、結(jié)構(gòu)損傷等多種特性響應(yīng)規(guī)律的試驗方案，并解決了不同撞擊速度與撞擊角度狀態(tài)設(shè)定、碰撞力測量等關(guān)鍵問題，并結(jié)合現(xiàn)有拖曳試驗水池環(huán)境，完成了系列模型碰撞試驗實施，該試驗方案設(shè)計及實施過程能夠作為后續(xù)開展船舶碰撞理論研究及數(shù)值仿真方法驗證提供技術(shù)支撐。