三体船连接桥砰击响应模型试验研究

孙志勉 曲 雪 任淑霞 潘 晋

(武汉理工大学船海与能源动力工程学院1) 武汉 430063) (中国船舶及海洋工程设计研究院2) 上海 200011)(上海船舶研究设计院3) 上海 201203)

0 引 言

高速三体船在恶劣海况中航行时,船体和波浪之间的大幅相对运动会导致砰击作用发生,严重时会对三体船结构强度造成破坏[1].入水砰击问题一直是船舶工程领域研究的重点,但由于砰击过程的复杂性和强非线性，对砰击的研究存在很大难度,目前模型试验是预报砰击载荷与结构响应最有效的方法. 曹正林等[2-3]应用模型试验与有限元仿真结合的方法分析了三体船在入水砰击过程中砰击载荷峰值沿连接桥的分布情况，探讨了空气垫效应、模型质量、舭部底升角对于砰击压力峰值的影响.Davis等[4]针对某穿浪双体船船艏结构开展了二维剖面落体砰击试验.试验发现：模型入水激起的射流会与空气混合并以气泡的形式积聚在湿甲板下侧，从而对整个砰击过程产生影响.彭晟[5]开展了高速三体船二维模型砰击落体试验,测量了结构入水过程中船体表面的砰击压力、入水速度及加速度,通过分析试验数据提出了预报连接桥砰击压力峰值的公式.Sidan等[6]对一艘三维的穿浪双体船船模进行了系列落体试验,试验主要测量了湿甲板拱门处的非稳态砰击载荷并对试验系统及随机不确定度进行了分析，最终给出了砰击力与入水速度之间关系的经验公式.Thomas等[7]监测了一艘穿浪双体船海洋航行过程中的砰击载荷数据，并重点关注了砰击引起的“鞭状效应”.Yu等[8]开展了三体船船体梁的波浪弯矩试验.试验结果表明：三体船在高速航行时，会产生非线性砰击振动从而极大地增加了船体梁的高频振动，使船体梁上出现高频非线性荷载，砰击引起的振动甚至比波浪引起的振动还要大.董传瑞[9]开展了高速三体船二维刚体缩尺模型砰击落体试验,研究了入水过程中连接桥处砰击载荷的时历特征,砰击压力峰值、无因次压力峰值系数及其物面分布规律、模型加速度等,初步探讨了主船体未出水情况下落体试验模型更合理的设计方式,并研究了三体船连接桥砰击载荷的数值预报方法.已发表文献中针对三体船尤其是连接桥区域结构开展的砰击试验研究相对较少,设计弹性模型并预报砰击载荷引起的连接桥区域结构响应的试验鲜有记载.

结构响应是评价入水砰击的重要参数,为了更准确的预报三体船连接桥处砰击载荷引起的结构响应,研究三体船合理的模型试验方法,文中选取某三体船分段为试验测试对象,设计了二维弹性缩尺模型,连接桥湿甲板区域采用全弹性设计方法,最终较为准确地测量了连接桥区域的结构响应.

1 试验模型设计

试验模型设计对象为某高速三体船分段,根据实船型线与轮廓线信息设计二维钢质缩尺模型并完成系列落体砰击试验,测量其在不同落水高度下连接桥区域的结构响应.综合考虑砰击水池大小与试验装置的加载能力,在减小壁面反射波对试验测量结果影响的同时,尽可能选择较大的模型尺寸.再结合板架结构构件特点、传感器安装施工技术要求，最终确定该试验模型的缩尺比λ.

1.1 相似原理

为保证模型与实船在入水速度、模型外部型线、实际结构动力响应等之间的相互关系一致,需要实现两者之间的几何相似、运动相似、流体动力相似及结构动力相似[10].文中试验设计中的几何相似与运动相似通过保证模型与实船的船体外部型线、板架与板格的尺寸相似来实现,而结构动力相似则采用刚度相似的方法来完成.模型与实船的主要相似关系见表 1.

表1 主要相似关系

1.2 外板与骨材设计

1.2.1外板设计

模型外板的外部型线根据实船横剖面信息确定,在纵向方向上保持等截面.外板板厚的选择综合考虑了板材型号与弯板加工的可行性.同时,为验证板厚对结构响应测量的影响,两侧连接桥处外板采用不同板厚.左侧连接桥外板为实现与实船的刚度相似，板厚设计为1 mm;右侧连接桥板厚与其他区域保持一致,在综合考虑弯板加工难度、模型整体刚度，以及与连接桥边界处的平稳过度等影响因素后最终设计为2 mm.模型横剖面外部线型与主要尺寸见图1.

图1 模型横剖面示意图(单位：mm)

1.2.2骨材设计

实船内部骨材密集复杂且设有多层甲板,缩尺模型尺寸较小内部骨材无法按照实船情况进行加工,考虑到试验主要关注连接桥区域的砰击响应,故将非连接桥区域的多层甲板去除,保留了与连接桥区域相连的纵向舱壁和甲板结构；连接桥区域的纵向密骨材按照刚度相似准则简化,而非连接桥区域的纵向密骨材依据实船骨材分布情况进行简化；模型横向骨材根据实船骨材位置简化为弱框架,横向舱壁简化为强框架,同时为研究板格纵向跨长对于结构响应大小的影响,中间四个板格采用对称不等跨长分布,简化后模型横、纵剖面结构型式分别见图2,骨材尺寸见表2.

图2 模型纵剖面结构形式

表2 模型骨材结构尺寸

1.3 模型工装设计与加工

试验时为保证模型平稳入水需将试验模型与加载装置连接,故模型两端增设四组吊装螺杆结构,通过螺杆与螺母连接实现模型与加载装置的固定[11-12].同时,加载装置质量较大,为提高试验安全性,模型顶部增设凸台结构提高整体储备浮力,凸台尺寸为1 m×1.2 m×0.2 m.

模型材料选用Q235B普通低碳钢,为保证试验模型外部线型与图1相同,模型两侧端封板、模型内部强弱框架及均采用激光切割加工,根据实船横剖面外部线型制作模具,严格以模具指导外板弯板.连接桥湿甲板区域为砰击动力响应测量的关键区域,该区域外板板厚与骨材尺寸非常小,为尽量减小焊接残余应力,保证加工精度,连接桥区域骨材与板材的焊接均采用冷焊方式进行满焊.非连接桥湿甲板区域骨材之间焊接采用点焊方式,外板与两端封板之间进行满焊保证模型的水密性.

2 试验过程与测量结果

2.1 试验测点与试验工况

左侧连接桥区域结构响应为此次试验测量的主要目标,为研究跨长对结构响应的影响选取长、短跨长区域关键位置(板格中心与骨材中心)设置试验组测点S1、S2、S5、S6.为给试验组测点提供对照与补充并验证其结果的合理性与准确性,在左侧连接桥对称跨长区域设置测点S3、S4、S7、S8为对照组1；为研究板厚对于结构响应的影响,在右侧连接桥对应试验组测点位置设置测点S9、S10、S11、S12为对照组2.连接桥湿甲板应变响应测点布置见图3.

图3 应变测点布置图(单位：mm)

试验工况设置主要依据实船海洋航行时可能达到的船波相对运动模型速度范围确定.根据表1所示的相似关系,模型速度与实船模型速度比例为λ1/2.根据模型下落模型速度确定试验初始落高.为保证试验的稳定性与可重复性,不同工况进行重复试验5次,试验工况表见表3.

表3 试验工况

2.2 试验过程

为模拟模型与波浪发生相对运动而产生砰击现象,试验时将模型与加载装置连接并通过起重机提升至初始下落高度后应用控制端电控开关打开吊钩完成模型释放,模型通过自由落体运动获得一定初速度后发生入水砰击，通过应变传感器监测入水砰击过程中连接桥湿甲板测点位置的应变时历数据；通过加速度传感器测量模型入水时加速度随时间的变化曲线,并根据加速度曲线积分得到任意时刻模型下落速度；通过高速摄影仪获取模型入水时自由液面变化情况.

2.3 测量结果

为研究连接桥区域应力响应结果的变化规律分别给出落高1 m时短跨长骨材中心测点S5、S8、S11与长跨长骨材中心测点S6、S7、S12的应力时程曲线见图4.由图4可知，所有测点的应力响应变化规律基本一致.入水前由于风力等外载荷的影响应力响应在0值上下轻微浮动.入水过程中,由于砰击载荷作用曲线先后出现两个应力峰值,直接砰击应力峰值大于射流砰击峰值,不同测点峰值出现时刻基本相同.入水后,由于浮力作用模型在水面上下浮动直至平稳,连接桥区域多次与水面接触发生砰击,因此应力曲线呈现波动减小直至平缓的趋势.结合模型入水过程可分析出：第一个应力峰值由主船体入水时液面飞溅形成的射流引起,射流对连接桥区域造成砰击作用导致应力值发生突变；第二个应力峰值出现在模型连接桥入水时刻,此时连接桥与液面发生严重的直接砰击作用出现较大的应力响应峰值.

图4 测点应力时历曲线(落高1 m)

图5为不同工况下测点S5的应力曲线变化图,由图5可知，不同落高S5测点应力曲线变化规律相同,应力响应均为入水前在初始值上下轻微波动,入水时先后出现射流砰击与直接砰击应力峰值,入水后随模型上下浮动减小的趋势,由于入水初速度不同峰值出现时刻存在差异.除此之外,应力响应随初始落高增加呈现明显的增大趋势,在射流砰击与直接砰击引起的应力峰值处最为明显.

图5 S5测点不同工况下时历曲线

图6为板格中心与骨材中心测点应力响应随下落高度的变化曲线图.由图6可知:所有测点的应力响应峰值均随落体高度的增加而增大.试验组测点S1、S2、S5、S6及其对照组1测点S3、S4、S7、S8应力响应峰值结果非常接近,说明该区域测量结果具有较高的准确性.对于同样位于板格中心或者骨材中心的测点,长跨长区域测点应力峰值大小与峰值变化幅度大于短跨长区域；左侧连接桥(板厚1 mm)测点峰值大小与峰值变化幅度大于右侧连接桥(板厚2 mm)；两侧连接桥相同跨长测点的应力峰值随落高变化趋势相似.当落高较高时,右连接桥长跨长测点S10与S12应力峰值分别大于左连接桥短跨长测点S1、S4与S5、S8,说明该模型尺寸下,跨长对于结构响应的影响程度随落高增加超越了板厚的影响.

图6 不同测点应力峰值随落高变化图

为进一步研究该模型尺寸下跨长及板厚对于连接桥应力响应的影响程度,选取落高为1 m时测点应力响应峰值,分别作相同板厚不同跨长测点S1/S2、S5/S6、S9/S10、S11/S12应力峰值对比图以及相同跨长不同板厚测点S1/S9、S2/S10、S5/S11、S6/S12应力峰值对比图见图7.落高1 m时所有测点应力峰值见表4.

图7 不同跨长和板厚测点应力峰值对比图

表4 工况4测点应力响应峰值 单位：MPa (落高1 m)

由图7a)可知,落高1 m时,左侧连接桥短跨长测点应力峰值约为长跨长测点的75%,右侧连接桥短跨长测点应力峰值约为长跨长测点的78.8%.由图7b)可知,落高1 m右侧连接桥骨材中心测点应力峰值约为左侧连接桥测点的68.5%,右侧连接桥板格中心测点应力峰值约为左侧连接桥测点的84.5%.该模型尺寸下,跨长对于应力响应的影响较稳定,而板厚对于应力响应的影响会因测点位置不同存在较大差异.

3 结 论

1) 采用分区域设计方法,以某高速三体船分段为研究对象设计了二维弹性缩尺模型.针对三体船重点关注区域—连接桥,模型严格按照刚度相似准则设计加工,最终模型加工成型并成功完成系列自由落体砰击试验,较准确地测量得到连接桥区域结构响应,为三体船二维缩尺模型设计提供了一种新的思路.

2) 连接桥区域应力响应随模型下落高度的增加而增大；模型连接桥入水过程中先后发生射流砰击与直接砰击两次砰击作用,应力响应时程曲线对应出现两个峰值；直接砰击引起的连接桥区域结构响应较射流砰击更加明显.

3) 增加跨长与减小板厚均会增加连接桥湿甲板结构响应.该模型尺寸下短跨长测点应力峰值约为长跨长测点的75%；右侧连接桥骨材中心测点应力峰值约为左侧连接桥测点的68.5%,右侧连接桥板格中心测点应力峰值约为左侧连接桥测点的84.5%.

4) 该模型尺寸下,跨长对于应力响应的影响较稳定,而板厚对于应力响应的影响会因测点位置不同存在较大差异.