吉順莉

(江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

大型海上作業(yè)平臺和碼頭在設(shè)計時需要考慮船舶靠泊過程的作用力載荷，由于現(xiàn)代船舶的大型化發(fā)展，船舶靠泊過程的沖擊作用力不斷增加，一旦碼頭或海上平臺結(jié)構(gòu)在船舶沖擊作用力下發(fā)生破壞，容易導(dǎo)致船體受損等嚴(yán)重事故。因此，研究船舶靠泊過程的動力學(xué)特性，開發(fā)針對船舶靠泊過程的撞擊力測試系統(tǒng)，提升碼頭結(jié)構(gòu)的安全性非常重要。

本文建立了船舶靠泊過程的動力學(xué)模型，結(jié)合動力學(xué)特性分析，設(shè)計一種船舶靠泊過程的撞擊力測試系統(tǒng)，并詳細介紹測試系統(tǒng)的原理。

1 船舶靠泊過程的動力學(xué)分析

1.1 靠泊過程動力學(xué)建模

將船舶的靠泊方式分為平行靠泊和斜向靠泊2 種，具體如下：

1)平行靠泊

理想情況下，船舶平行靠泊受到的沖擊力最小，當(dāng)船舶平行靠泊時，船首、船尾與碼頭呈平行線，船首、船尾靠近碼頭的速度相同。但現(xiàn)實情況中，船舶的平行靠泊很難實現(xiàn)，一方面原因是船舶動力裝置位于船尾，船首位置的轉(zhuǎn)向控制難度大；另一方面是因為港口碼頭的靠泊位置空間有限，船舶平行靠泊所占的空間太大。

2)斜向靠泊

斜向靠泊是最常見的船舶靠泊方式，此時船舶的縱軸線與碼頭水平線之間呈一定的夾角，船舶在動力系統(tǒng)、風(fēng)浪載荷作用下，船首或船尾斜向上與碼頭接觸。在船舶斜向靠泊時，船體與碼頭存在唯一接觸點，確保斜向靠泊時船舶與碼頭的可靠性非常重要。

建立船舶斜向靠泊的運動坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 船舶斜向靠泊的運動坐標(biāo)系統(tǒng)Fig. 1 Motion coordinate system of ships berthing obliquely

建立船舶靠泊過程的動能方程為：

式中：E0為船舶靠泊過程的撞擊動能；m為船舶的重量； ρ為船舶靠泊過程的有效動能系數(shù)，取0.8；V?為船舶斜向靠泊的速度。

根據(jù)能量特性原理，斜向靠泊的動能均被船體和碼頭防撞結(jié)構(gòu)吸收，即

式中：Fmax為船舶靠泊過程的最大撞擊力。

定義C1和C2分別為船體和碼頭防撞結(jié)構(gòu)的彈性變形系數(shù)，則

進而可建立船舶斜向靠泊過程的動力學(xué)模型為：

可知，船舶質(zhì)量越大、速度越快，靠泊過程產(chǎn)生的撞擊力越大。

1.2 靠泊過程外在載荷計算

船舶靠泊過程中，除了受到自身重力外，還要受到海風(fēng)、海浪等沖擊作用力，在進行船舶靠泊過程力學(xué)分析時，需要分別進行建模。

1)海風(fēng)對船體的壓力

將海風(fēng)作用力分解為垂直于碼頭和平行于碼頭2 個分力，分別為：

式中：Fx為海風(fēng)作用在船舶上的水平作用力；Fy為海風(fēng)作用在船舶上的縱向作用力；Ax和Ay分別為2 個方向的受風(fēng)面積；Vx和Vy分別為2 個方向的海風(fēng)速度；ζ1和ζ2均為海風(fēng)的風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)。

船舶斜向靠泊過程的海風(fēng)作用力曲線如圖2 所示。

圖2 船舶斜向靠泊過程的海風(fēng)作用力曲線Fig. 2 Sea wind force curve during oblique berthing

2)水流作用力

水流對船舶靠泊過程的作用力建模為：

式中：Cxr為水流的分散系數(shù)；V為水流的速度；B為船舶吃水線以下的面積之和。

2 船舶靠泊過程的撞擊力測試系統(tǒng)開發(fā)

2.1 船舶靠泊撞擊力測試系統(tǒng)的整體設(shè)計

針對船舶靠泊過程的撞擊力測量問題，建立船舶靠泊的撞擊力測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)從功能原理上可以分為傳感器層、接口層和用戶層3 部分，原理圖如圖3所示。

圖3 船舶靠泊的撞擊力測試系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of impact force testing system for ship berthing

1)傳感器層

傳感器層是船舶靠泊撞擊力測試系統(tǒng)的信號采集層，使用的傳感器主要有測力傳感器和測振傳感器2 種。

2)接口層

接口層的主要功能是進行傳感器數(shù)據(jù)的處理和通信，包括信號放大器、動態(tài)信號測試儀等。一方面，接口層的部件對傳感器的數(shù)據(jù)進行過濾和初步處理；另一方面，接口層的通信模塊采用串口通信形式，將傳感器數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定的發(fā)送至用戶層的上位機中。

3)用戶層

包括撞擊力測試系統(tǒng)的顯示終端，測試系統(tǒng)面向用戶的部分，借助靠泊撞擊力測試系統(tǒng)，用戶可以獲取船舶靠泊過程的實時撞擊力數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)撞擊力超出安全閾值的情況，測試系統(tǒng)觸發(fā)報警裝置，提醒船舶操縱人員。

2.2 撞擊力測試系統(tǒng)的電阻應(yīng)變測量原理分析

為了準(zhǔn)確地對船舶靠泊過程的撞擊力進行測量，本文采用的測量方法為電阻應(yīng)變測量法，將電阻應(yīng)變片粘貼在船體結(jié)構(gòu)和碼頭防撞結(jié)構(gòu)內(nèi)，當(dāng)船體或碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變時，電阻應(yīng)變片的阻值出現(xiàn)變化，通過測量應(yīng)變片阻值的變化就可以獲取撞擊力的大小。

采用電阻應(yīng)變測量的優(yōu)勢在于：

1)應(yīng)變片的體積小、重量輕，測試和安裝方便。

2)電阻應(yīng)變測量的準(zhǔn)確度高，靈敏度高，尤其是半導(dǎo)體應(yīng)變片，精度可達0.1 μm。

3)電阻應(yīng)變測量的量程范圍廣，從小型工業(yè)設(shè)備到大型船舶系統(tǒng)的力學(xué)測試都能勝任。

4)環(huán)境適應(yīng)力強，由于碼頭位置的氣象環(huán)境較惡劣，采用電阻應(yīng)變片能適應(yīng)高溫、低溫、高濕度等外界環(huán)境。

5)可實現(xiàn)有線或無線的電信號傳輸。

6)動態(tài)響應(yīng)快。

應(yīng)變片電阻與長度、橫截面積、電阻率存在線性關(guān)系為：

當(dāng)受力變形時：

使用應(yīng)變片組成測量電橋進行船舶靠泊的撞擊力測試，電橋原理圖如圖4 所示。

圖4 應(yīng)變片測量電橋原理圖Fig. 4 Schematic diagram of strain gauge measuring bridge

該電橋中共有4 個電阻應(yīng)變片(R1=R2=R3=R1=R)，電橋電壓值為：

可知，電橋電壓值與每個應(yīng)變片的電阻和應(yīng)變相關(guān)，可得：

2.3 測試系統(tǒng)的傳感器設(shè)計

在設(shè)計撞擊力測試系統(tǒng)的傳感器時，采用彈性元件材料，將測量電橋內(nèi)置在彈性元件中，其主要原因在于：

1)彈性材料的強度極限和屈服極限高，能適應(yīng)船舶的沖擊作用力；

2)沖擊韌性好，且能適應(yīng)高溫和低溫環(huán)境；

3)可通過模具一次成型。

本文選用的彈性材料為40CrNiMoA，將測量電橋集成在碼頭的鼓型護舷中，鼓型護舷形狀特征如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)的鼓型護舷形狀特征Fig. 5 Shape characteristics of drum fender of test system

鼓型護舷的規(guī)格如表1 所示。

表1 鼓型護舷的規(guī)格表Tab. 1 Specification table of drum fender

2.4 撞擊力測試系統(tǒng)的船舶靠泊撞擊力測試

系統(tǒng)選擇船舶參數(shù)排水量3 000 t，船長150 m，船寬15 m，吃水深度5.5 m，測得一定時間的船舶靠泊過程撞擊力信號如圖6 所示。

圖6 船舶靠泊測試系統(tǒng)的撞擊力信號Fig. 6 Impact force signal of ship berthing test system

3 結(jié) 語

船舶靠泊過程的撞擊力測試系統(tǒng)可以采集靠泊過程的力學(xué)信號，防止船舶和碼頭出現(xiàn)嚴(yán)重的碰撞事故。本文結(jié)合靠泊過程的動力學(xué)模型和電阻應(yīng)變技術(shù)，開發(fā)船舶靠泊過程的撞擊力測試系統(tǒng)，取得了良好的測試效果。