張 琳，周維星，陳三桂，張 濤

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

砰擊是船體與波浪相互作用而產(chǎn)生的一種瞬時(shí)高度非線性的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象[1]。在惡劣的海況中，砰擊現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。砰擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值非常大的瞬時(shí)載荷。一方面，砰擊產(chǎn)生的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)載荷會(huì)對(duì)船體局部強(qiáng)度造成很大的損壞；另一方面，砰擊產(chǎn)生巨大彎矩會(huì)引起船體的震蕩， 造成船體總縱強(qiáng)度的下降[2]。有資料顯示，水動(dòng)力砰擊載荷對(duì)常規(guī)船體結(jié)構(gòu)的破壞約占總破壞量的10%[3]。

隨著軍艦向高速化、深海化發(fā)展，砰擊對(duì)軍艦的影響也越來越嚴(yán)重，砰擊產(chǎn)生的巨大載荷不僅會(huì)影響軍船上各種靈敏設(shè)備的正常工作，更為嚴(yán)重還會(huì)損壞各種艦載武器設(shè)備，造成戰(zhàn)斗力的下降[4]。對(duì)于高速航行的M 艇，波浪的砰擊對(duì)其的損壞更為嚴(yán)重。與常規(guī)單體船不同，M 艇由于連接橋的存在，在波浪中航行時(shí)除了遭受縱向波浪載荷外，連接橋還遭受橫向波浪載荷（橫向彎矩、縱搖有關(guān)扭矩、對(duì)開剪切力、橫向?qū)﹂_力和水平扭矩）的作用。側(cè)片體與主船體之間要受到流體的相互作用，加之一個(gè)片體受到的流體作用力將通過連接橋傳到主船體，從而對(duì)整個(gè)船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)和遭受的載荷產(chǎn)生作用，導(dǎo)致了在波浪中異于常規(guī)單體船的響應(yīng)[5-7]。

本文通過對(duì)1 艘高速M(fèi) 型艇型線的模擬，設(shè)計(jì)制作出該M 型艇玻璃鋼模型，并應(yīng)用該模型在拖曳水池中進(jìn)行了高航速砰擊測(cè)試試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的分析，研究該M 型艇的不同工況下重心處的垂向加速度與船底砰擊壓力大小及分布規(guī)律，并將規(guī)則波工況的加速度與砰擊壓力計(jì)算結(jié)果與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證波長(zhǎng)對(duì)加速度與砰擊壓力的影響大小，為后續(xù)結(jié)構(gòu)修正以及設(shè)備安裝提供支持。

1 高速M(fèi) 型艇砰擊測(cè)試模型

1.1 相似理論

在M 型艇的砰擊試驗(yàn)中，要測(cè)量重心處的垂向加速度與船底的砰擊壓力，需盡可能反映實(shí)船在海上砰擊載荷作用下的響應(yīng)本質(zhì)和特征，故須同時(shí)滿足船模與實(shí)船之間幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似[8]。

M 型艇的流體重力相似，按照常規(guī)的的耐波性試驗(yàn)要求，包括以下3 個(gè)方面：

1）按照拖曳水池的造波條件以及拖車航速，選定合適的船模縮尺比。為保證船模與實(shí)船的幾何相似，船模的結(jié)構(gòu)外形應(yīng)與實(shí)船保持一致。水池造波要素（波長(zhǎng)與波高）與船模的拖曳航速亦按縮尺比選定，保證船模與實(shí)船運(yùn)動(dòng)相似[9]。

2）由于高速M(fèi) 型艇在波浪中航行時(shí)，慣性力起主導(dǎo)作用，取弗勞德數(shù)相等，保證以重力為主要作用的流體動(dòng)力相似。

1.2 砰擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)拖曳水池的造波條件以及拖車航速，同時(shí)避免池壁效應(yīng)，選取模型縮尺比λ=1:5。根據(jù)實(shí)船型線以及縮尺比，建立M 型艇三維模型，如圖1（a）所示。考慮船模重量選取玻璃鋼作為材料，加工制作出M 型艇試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1（b）所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇L(zhǎng)為2.349 m，船寬為0.847 m，吃水為0.147 m。

為保證高速M(fèi) 型艇試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠囼?yàn)過程中只有縱搖與垂蕩2 個(gè)自由度，設(shè)計(jì)如圖2 所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b裝置。通過與導(dǎo)航桿配合的導(dǎo)航架限制試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋M蕩、橫搖、首搖；通過有一定彈簧預(yù)緊力的彈簧連接環(huán)限制試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目v蕩，依靠上述裝置保證縮比模型在試驗(yàn)過程中只有縱搖和垂蕩2 種運(yùn)動(dòng)。

圖 1 M 型艇模型船F(xiàn)ig.1 Test model of M-boat

圖 2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b裝置Fig.2 Test mounting device of model

1.3 測(cè)點(diǎn)分布及試驗(yàn)工況

在高速M(fèi) 型艇的重心位置布置一個(gè)加速度傳感器，以船尾0 站為原點(diǎn)，重心坐標(biāo)為（846，0，158），以mm 計(jì)。加速度測(cè)點(diǎn)位置如圖3 所示。

圖 3 加速度測(cè)點(diǎn)布置位置Fig.3 Location of acceleration monitoring point

為測(cè)試M 型艇在高速航行過程中船底的砰擊壓力的大小及分布規(guī)律，在高速M(fèi) 型艇船底面布置11 個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，如圖4 所示。為保證模型船的強(qiáng)度，主船體對(duì)稱位置只布置一個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)如表1所示。

圖 4 砰擊壓力測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.4 Coordinates of slamming pressure monitoring points

為研究M 型艇實(shí)船以不同航速在惡劣海況中頂浪航行時(shí)，船底面受到的砰擊壓力大小及分布規(guī)律，選取如表2 所示的實(shí)船規(guī)則波工況與表3 所示的不規(guī)則波工況，以模擬M 型艇航行時(shí)的真實(shí)海況。

表4 與表5 給出的是通過縮尺比換算得到M 艇試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛脑囼?yàn)工況。

表 1 砰擊壓力測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)Tab.1 Coordinates of slamming pressure

表 2 實(shí)船規(guī)則波工況Tab.2 Regular wave conditions of unmanned ship

表 3 實(shí)船不規(guī)則波工況Tab.3 Irregular wave conditions of unmanned ship

1.4 遭遇頻率計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的周期

表 4 M 型艇模型規(guī)則波試驗(yàn)工況Tab.4 Regular wave condition of test model

表 5 M 型艇模型不規(guī)則波試驗(yàn)工況Tab.5 Irregular wave conditions of test model

遭遇頻率

其中λ 為試驗(yàn)波長(zhǎng)；v 為試驗(yàn)航速。

計(jì)算各工況砰擊過程中對(duì)應(yīng)的遭遇頻率計(jì)算結(jié)果如表6 所示。

2 規(guī)則波測(cè)試結(jié)果分析

由于造波機(jī)功率等因素的影響，實(shí)際試驗(yàn)中波浪的波高很難達(dá)到試驗(yàn)工況的設(shè)定值，按照行業(yè)規(guī)范，要求實(shí)際試驗(yàn)波高誤差小于10%。圖5 給出工況8 中造波機(jī)所造波浪的波浪曲線。工況8 中波浪的實(shí)際波長(zhǎng)為5 635 mm，波高為83.407 5 mm，與設(shè)定的90 mm波高誤差為7.8%。

圖6 為M 型艇砰擊前與砰擊時(shí)姿勢(shì)圖，由圖可以看出在工況8 中M 型艇中部受到的砰擊較大。

表 6 各工況砰擊過程中的遭遇頻率Tab.6 Encounter frequency during slamming process at various conditions

圖 5 工況8 的波浪圖Fig.5 Evolution of wave in condition 8

圖 6 砰擊過程M 型艇姿勢(shì)圖Fig.6 Typical posture of M-boat during slamming

2.1 加速度測(cè)試結(jié)果分析

通過遭遇頻率的計(jì)算結(jié)果，用FIR 濾波器將每個(gè)工況下大于10 倍遭遇頻率的噪聲濾除，得到本次試驗(yàn)的加速度與砰擊壓力結(jié)果。圖7 給出的是工況8 重心處垂向加速度的時(shí)域曲線與經(jīng)過傅里葉變換的頻譜圖。可以看出M 型艇模型船在頂浪航行時(shí)，受到的砰擊能量主要集中小于20 Hz 的低頻段。

圖 7 工況8 中重心處的加速度的時(shí)域曲線與頻域圖像Fig.7 Evolution of acceleration at center of gravity and corresponding spectrograph in condition 8

分析各工況重心處的加速度時(shí)程曲線，得到每個(gè)工況下的最大垂向加速度amax。將加速度時(shí)程曲線中所有大于amax/3 的垂向加速度極值求均值得到加速度有效值（三一值）aeff，計(jì)算得所有規(guī)則波工況下的加速度測(cè)量結(jié)果如表7 所示[11]。根據(jù)縮比公式，實(shí)船重心處的加速度與模型重心處的加速度相同，故實(shí)船加速度的最大值與有效值可參見表7。

表 7 規(guī)則波重心處加速度測(cè)量結(jié)果Tab.7 Acceleration test results at the center of gravity under all regular wave condition

圖8 給出的是當(dāng)航速波高相同時(shí)，重心處的加速度隨航速的變化曲線。可以看出隨波長(zhǎng)的增加，重心處的加速度呈先增大后減小的趨勢(shì)。

2.2 砰擊壓力測(cè)試結(jié)果分析

砰擊壓力測(cè)試結(jié)果是隨時(shí)間的脈沖響應(yīng)曲線。圖9給出的是工況8 中測(cè)點(diǎn)5 處的砰擊壓力隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯鰷y(cè)點(diǎn)5 處受到嚴(yán)重的砰擊作用，這會(huì)使船體的極限載重能力喪失，危及船舶安全。

分析砰擊壓力測(cè)試結(jié)果，得到每個(gè)工況下每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大砰擊壓力Pmax，將曲線中所有大于Pmax/3 的砰擊壓力的極值求均值得到有效砰擊壓力（三一值）Peff。其中工況8 與工況13 中各測(cè)點(diǎn)的Pmax與Peff如圖10所示。

圖 8 重心處的加速度隨波長(zhǎng)的變化曲線Fig.8 Maximum acceleration for various wave length

圖 9 工況8 中測(cè)點(diǎn)5 處砰擊壓力Fig.9 Slamming pressure evolution of point P5 in condition 8

圖 10 工況8 與工況13 中各測(cè)點(diǎn)砰擊壓力Fig.10 Maximum slamming pressure at each pressure monitoring point in condition 8 and 13

圖10 （a）為工況8，即航速為8.04 m/s，波長(zhǎng)為5 635 mm，波高為90 mm 時(shí)各測(cè)點(diǎn)的Pmax與Peff大小及分布規(guī)律?？芍诠r8 中，船中附近的砰擊壓力大于兩側(cè)的砰擊壓力，在測(cè)點(diǎn)A5處砰擊壓力取最大值。

圖10（b）為工況13，即航速為10.34 m/s、波長(zhǎng)為5 635 mm、波高為44.5 mm 時(shí)各測(cè)點(diǎn)的Pmax與Peff大小及分布規(guī)律?？芍诠r13 中，船中附近的砰擊壓力同樣大于兩側(cè)的砰擊壓力，但砰擊壓力的最大值在A2處。

選取測(cè)點(diǎn)A2，A5，A7，A9，A11，研究有效砰擊壓力沿船長(zhǎng)方向的變化規(guī)律，各工況有效砰擊壓力沿船長(zhǎng)變化曲線如圖11 所示。航速小于10.34 m/s，即中低航速時(shí)，如圖11（a）所示，從船尾到船首沿船長(zhǎng)方向有效砰擊壓力呈先減小后增大，再減小的趨勢(shì)，且船體中部受到的有效砰擊壓力最大；而當(dāng)航速為10.34 m/s，即高航速時(shí)，如圖11（b）所示，從船尾到船首沿沿船長(zhǎng)方向有效砰擊壓力呈先增大后減小，再增大的趨勢(shì)，船艏受到的有效砰擊壓力最大。

圖 11 有效砰擊壓力沿船長(zhǎng)變化圖Fig.11 Effective slamming pressure at different the ship length

3 不規(guī)則波測(cè)試結(jié)果分析

計(jì)算不規(guī)則波的平均周期如表8 所示。

分析不規(guī)則波測(cè)試結(jié)果，得到每個(gè)工況下的最大垂向加速度amax與最大砰擊壓力Pmax，經(jīng)計(jì)算得到每個(gè)工況下加速度有效值與有效砰擊壓力，通過縮尺比換算得到實(shí)船不規(guī)則波工況下的加速度有效值與有效砰擊壓力，如表9 所示。

結(jié)合不規(guī)則波工況參數(shù)可知，航速越大，有義波高越高，重心處加速度的有效值與有效砰擊壓力越大。

圖12 給出的是不規(guī)則波工況1～工況8 中砰擊壓力沿船長(zhǎng)變化曲線。除個(gè)別工況，從船尾到船首沿船長(zhǎng)方向砰擊壓力呈先減小再增大的趨勢(shì)，且在測(cè)點(diǎn)A2處砰擊壓力取最大值。

表 8 不規(guī)則波砰擊過程中的平均周期Tab.8 The average period of the irregular wave

表 9 不規(guī)則波工況的加速度有效值與有效砰擊壓力Tab.9 Effective value of acceleration and slamming pressure in irregular wave condition

圖 12 不規(guī)則波工況1～8 中砰擊壓力沿船長(zhǎng)變化圖Fig.12 Maximum slamming pressure at different the ship length in irregular wave conditions 1-8

4 結(jié) 語

通過M 艇的砰擊測(cè)試試驗(yàn)，得到規(guī)則波工況與不規(guī)則波工況下重心處的垂向加速度與船底的砰擊壓力，分析了不同工況的垂向加速度與船底的砰擊壓力變化規(guī)律。結(jié)果表明：1）在規(guī)則波工況下重心處垂向加速度的有效值均小于2 g，且隨波長(zhǎng)的增加，垂向加速度的有效值呈先增大后減小的趨勢(shì)。2）船體受到砰擊載荷時(shí)，船中的砰擊壓力大于兩側(cè)的砰擊壓力，在中低航速時(shí)，從船尾到船首沿船長(zhǎng)方向有效砰擊壓力呈先減小后增大，再減小的趨勢(shì)，且船體中部受到的有效砰擊壓力最大。而在高航速時(shí)，從船尾到船首沿船長(zhǎng)方向有效砰擊壓力呈先增大后減小，再增大的趨勢(shì)，船首受到的有效砰擊壓力最大。3）對(duì)于不規(guī)則波工況，船舶的航速越大，有義波高越高，重心處加速度的有效值與有效砰擊壓力越大。從船尾到船首沿船長(zhǎng)方向砰擊壓力呈先減小再增大的趨勢(shì)，且船首部的砰擊壓力最大。