长艏楼船型艏艉砰击响应试验分析

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

长艏楼船型越来越多应用于远洋救生打捞船的设计，该船型具有平行中体较短，艉部线型扁平，艏部型深较高且具有大外飘的特点。在航行过程中，长艏楼船型除了承受大幅的艏砰击附加弯矩外，还会在随浪航行下遭遇艉砰击现象，产生显著的振动响应，进而影响船体的总纵强度和局部强度。目前对于砰击问题的主要研究方式为模型试验和数值仿真[1]，包括艏砰击[2]、艉砰击[3]，以及斜浪工况下船体的弯扭联合响应[4-5]，借助试验分析特殊船型砰击响应的非线性效应[6]。数值仿真一般基于势流理论和计算流体力学方法对砰击载荷进行预报[7],进而研究船舶在波浪中的非线性运动响应与砰击现象[8-9]。相比数值仿真，试验分析方法在砰击问题的研究上往往更加直观和可靠。现有的砰击响应研究多针对艏砰击现象，鲜有针对一船型同时进行艏艉砰击响应的研究报道。为此，根据长艏楼船型艏部大外飘及艉型扁平的特点，基于分段模型试验综合分析艏艉砰击载荷下船体典型剖面处的垂向弯矩响应，分析浪向、波高以及航速对响应特性的影响，为结构的抗砰击强度评估提供支撑。

1 模型试验设计

试验模型采用玻璃钢材料，模型沿船长方向在第5、10、15站处被分为4段，分段间隙长度为20 mm，见图1。各分段通过测量梁相互连接成一个整体，梁刚度取主船体中横剖面处的垂向抗弯刚度。船模在波浪中运动时，可通过分段间隙处测量梁上布置的应变传感器记录船体梁的波浪弯矩动响应。同时将1台伺服式浪高仪安装在位于模型前约1.5 m处的水池测量小车上。

图1 分段模型测量梁

模型试验采取自航方式，船模的设计及航行状态应满足几何相似、运动相似和动力相似的条件，即弗劳德数和斯特劳哈尔数相似。

(1)

(2)

式中：下标s表示实船参数；m为模型参数；V为航速；L为船长；g为重力加速度；t为时间。

船模的缩尺比λ为36，实船与船模弯矩响应的换算关系为λ4，该船船长L=136 m，型宽B=22.4 m，型深D=10 m，艏艉部线型见图2。

图2 线型及艏艉轮廓

2 艏艉砰击下船体梁垂向弯矩响应

根据耐波性要求，迎浪工况下船舶可以在高航速和高海况下航行，而随浪工况下，考虑到航行安全性，往往需要对航速和航行海况进行限制，试验工况设置见表1。

表1 模型试验工况

注：航向角0°为艉随浪工况，航向角180°为迎浪工况，在0°～180°之间间隔30°设置斜浪工况。

测量5站船艉剖面、10站船中剖面及15站船艏剖面处的船体梁垂向弯矩响应。

通过将垂向弯矩响应测量值从时域到频域的转换，获取响应的低频成分和高频成分，见图3。

图3 B17工况λ/L=0.8时的弯矩响应时历

其中与遭遇波浪频率一致的低频成分即为波浪弯矩成分，其余高频成分即为砰击振动与船体梁自振发生共振所产生的砰击振动弯矩成分。合成弯矩为低频波浪弯矩与高频砰击弯矩之和[3]。

2.1 浪向角的影响分析

B01～B07为0航速、低波高试验工况，船中剖面处的垂向弯矩响应(见表2)，砰击弯矩响应随浪向角的变化趋势见图4。

图4 0航速下船中剖面砰击弯矩响应

艉随浪和艉斜浪的试验工况中发生了较明显的艉砰击现象，而迎浪工况下艏砰现象并不明显。迎浪工况下的艏砰击弯矩响应值整体较小，随浪工况下的艉砰击弯矩响应值在λ/L为0.6至0.8时达到最大，当λ/L小于1.2时，艉砰击响应值整体较高，当λ/L大于1.6时，砰击弯矩响应值则很小。横浪工况下，弯矩响应的合成成分、波浪成分及砰击成分均较小。

表2 0航速，λ/L=0.8时船中剖面垂向弯矩响应 N·cm

在无航速、低波高下，无论从砰击成分的量值还是其在合成成分中的占比来看，艉砰击下的砰击弯矩响应显著大于艏砰击，这与长艏楼船型艉部扁平和浅吃水的特点相关，因为即使在小幅度的升沉和纵摇运动下，随浪航行下的艉部船体也易发生明显的出水现象，引起扁平艉部的砰击。

B08～B10为高航速，低波高迎浪试验工况，其垂向弯矩响应随浪向角的变化趋势见图5。

图5 高航速，低波高下船中剖面砰击弯矩响应

在120°的艏斜浪下，弯矩响应的合成成分略大于波浪成分，艏砰击响应很小。对于迎浪和150°艏斜浪工况，当λ/L介于0.8～1.4之间时，弯矩合成成分明显高于波浪成分。其中迎浪工况砰击成分对合成成分的最大占比达到了20%，而150°艏斜浪工况砰击成分的占比则达到了13%。迎浪下船体的砰击弯矩响应总体要高于艏斜浪。

2.2 波高的影响分析

选取航速为15 kn，波高分别为2.9，4，6.6和9.0 m的迎浪试验工况以及航速5 kn，波高分别为6.6 m和9.0 m的随浪试验工况，分析波高变化对弯矩响应的合成及砰击成分的影响。

迎浪工况下各剖面的弯矩响应随波长的变化见图6，在艏砰击的作用下船中剖面的弯矩响应最大，船艏次之，船艉最小。随着波高的增加，砰击弯矩的响应值显著增加，且砰击弯矩与波高之间存在非线性变化特性，而砰击成分在合成成分中的占比在波高增加到一定程度后的变化幅度很小，具体数值见表3。

图6 不同波高下典型剖面的弯矩响应

表3 不同波高下船中剖面砰击弯矩响应

随浪工况下船体在艉砰击作用下的弯矩响应规律与艏砰击相似，但相同波高下，其砰击弯矩与占比值远小于艏砰击工况，一方面由于艉随浪试验工况的航速较小，另一方面船艏较高的型深及大外飘线型使船艏在波高增加时的入水区域迅速扩大，导致砰击弯矩响应的显著上升。

2.3 航速的影响分析

选取2.9，6.6，13.6 m的低、中、高3种波高的迎浪试验工况，分析船中剖面的弯矩响应，不同航速对弯矩响应的合成成分及砰击成分的影响见表4。3种波高下船舯剖面弯矩响应随航速的变化见图7。

表4 不同航速下船中剖面砰击弯矩响应

图7 不同航速下船中剖面弯矩响应

在低波高下，砰击弯矩响应随着航速的上升而明显的增加，但砰击成分在合成成分中的占比变化不大，约为20%左右。在中、高波高下，砰击弯矩响应以及其占比值随着航速的上升增加幅度较小，但砰击成分占比值均在50%左右，当波高达到13.6 m时，部分工况的砰击成分占比超过60%，最大值达到61.9%。可见，在较低波高下，砰击弯矩响应对航速的变化更为敏感，当波高较大时，砰击弯矩响应的量值和占比值普遍较大，航速的影响程度相对低波高工况要减弱许多。

综合模型试验结果，艉砰击弯矩响应最大值发生在航速5 kn，波高9 m的工况，弯矩响应值为 9 986 N·cm，砰击成分占比为20.4%。艏砰击弯矩响应最大值发生航速10 kn，波高13.6 m的工况，响应值为129 453 N·cm，砰击成分占比为60.1%。模型试验没有将艏艉砰击响应设置在同样的海况和航速下进行比较，而是依据实际安全航行的限界进行工况设计。由于长艏楼船型艏外飘明显，且在高海况高航速下，船舶多采取迎浪航行，而艉随浪工况下，船舶一般需要规避高速及高海况的航行状态。因此，船体在实际航行中，艏砰击下的船体梁弯矩响应远大于艉砰击的作用。虽然艉砰击作用对船体总载荷的影响不及艏砰击，但其对艉部局部结构诱导产生的的位移和应力响应[10]却是不容忽视的。

3 结论

1)船体在砰击载荷作用下的弯矩响应分为两部分，一是与遭遇波浪频率一致的低频波浪弯矩成分，二是砰击振动与船体梁自振发生共振产生的高频砰击附加弯矩成分。

2)对于艏砰击和艉砰击，迎浪和随浪航行的弯矩响应均大于其对应的斜浪工况；响应值随着波高的增加显著的上升，但砰击成分在合成成分中的占比当波高升高到一定程度后变化较小。在较低波高下，砰击弯矩对航速的变化更为敏感，当波高较大时，航速的影响程度相对低波高工况有所减弱。

3)综合分析长艏楼船型的艏砰击和艉砰击现象，在低航速，低海况下，艉砰击的响应值及占比均大于艏砰击。而从船舶安全航行的限界范围来看，由于艉砰击现象发生的海况远低于艏砰击，其对船体总合成弯矩的影响远弱于艏砰击的作用。因此在船体结构抗砰击强度评估时应更关注艉砰击对局部强度和振动的影响。