全封闭救生艇碰撞试验研究

陈景昊

（中国船级社温州办事处，浙江 温州 325000）

作为船舶与海洋设施的最后一道生命保障设备，救生艇在海上遇险逃生及救助他船过程中发挥着尤为重要的作用。两舷降落式全封闭救生艇，凭借其操作便捷，便于维护保养以及安全可靠，在油船、集装箱船和甲板运输船等多型船舶上广泛使用。由于海上海况较为恶劣，尤其是在弃船需要用到救生艇逃生的时候，母船剧烈的横摇和纵摇将导致倒臂式救生艇与船舷发生剧烈碰撞。基于此，国际海事组织海上安全委员会，经MSC.226(82),MSC.274(85),MSC.321(89) 和MSC.323(89)修正的 MSC.81(70)《经修正的救生设备试验建议》第1部分[1]要求，所有两舷降落式全封闭救生艇在初次认可时需要进行碰撞试验，用以模拟救生艇在降放过程中与船舷发生碰撞。孙奔奔[2]对大型救生艇艇体结构碰撞进行了相应研究，利用非线性有限元软件对艇体受钢球体撞击和艇体撞击母船船舷进行了计算分析及研究，按照相关对公约和规则的要求设置相应的工况，依次对各个速度撞击下典型位置的响应情况、能量转换情况及其应力和应变变化规律进行研究。周传璋[3]对救生艇与救生艇设备的试验和检查进行了介绍，并对碰撞试验的要点进行了分析。刘普星[4]等人基于安全水平法（Safety-Level Approach，SLA）对某典型救生艇结构强度进行了相应的校核和衡准。文中对风险识别和风险分析、艇体结构强度衡准的制定（包括外载荷衡准的合理性和许用挠度的合理性）、强度衡准的合理性验证等进行了分析，并结合某9.35m 和5.25m 两款救生艇进行了实艇试验，应用安全水平分析对其进行衡准和研究，为救生艇的技术标准制定和救生艇的设计提出了有益建议。李牧之[5]等人对护舷在船舶碰撞中的保护作用进行了研究，通过建立护舷的几何模型、橡胶护舷的材料模型、复合材料护舷的材料模型，结合数值仿真方法对船体、护舷和码头碰撞特性进行分析，对不同型式、不同材料和不同工况的碰撞性能进行计算，提出了一种新型复合材料的护舷设计方案，基于船舶靠泊撞击进行了仿真计算验证，结合材料力学性能参数选择合适的材料，从能量转换角度对护舷防护性能进行分析，验证了方案的可靠性。吴立洋[6]结合两种护舷的结构特点和材料模型，建立有限元模型，针对典型作业工况进行计算研究，分析对比护舷结构的变形量与船体碰撞后的反作用力及压强，为靠泊工况船舶防撞护舷结构的设计提出了有益建议。

1 救生艇概述

1.1 实艇艇型概述

本次试验所选取的全封闭救生艇艇体材料为阻燃性纤维增强材料，其主要参数见表1。

表1 救生艇主要参数

表2 动力响应模态参数

表3 测点最大比率值时的加速度（单位：g）

在碰撞试验过程中，救生艇中的乘员采用沙包模拟，对典型位置采用与实际相同的安全带以及卡扣将模拟人体的100kg 重物牢固的绑扎在座位上。

1.2 护舷结构

在救生艇设计时往往会布设护舷结构，根据实际的作业工况和救生艇型式，选择合适的护舷结构可以有效地提高防撞性能，大大降低救生艇与母船碰撞时产生剧烈的冲击，改善艇内乘员的舒适度，目前常规的护舷结构多数采用橡胶或者新型复合材料制成。橡胶材料具有吸能强，反作用力小，优异的防腐蚀性能以及性价比高的优势，在防撞领域得到了广泛的应用，本艇防撞护舷结构采用橡胶材料制成，具体结构参数见图1。

2 救生艇碰撞试验

由于救生艇材料多数为阻燃式纤维增强材料，护舷结构材料为复合材料，材料性能较难确定，因此在实际评估时，目前均采用实艇碰撞试验进行研究。

2.1 试验概况

根据该型艇的主要参数信息，碰撞试验需要在模拟满负载时，将救生艇吊高625mm，释放后摆动撞击刚性墙表面（用以模拟船舷），碰撞时艇的速度为3.5m/s，试验时艇的受冲击侧应安装合适的护舷结构，该护舷结构应与救生艇实际护舷结构相一致。碰撞试验的示意图见图2。

图2 实艇自由降落试验示意

2.2 测点的布置

在封闭艇内用于测试的加速度传感器需要达到以下要求：

（1）具备涵盖本次试验充足的频率响应，且频率响应需最少覆盖0～200Hz。

（2）具备记录整个试验过程种所产生的加速度数据的充足的容量。

（3）传感器精度应能控制在±0.5%内。

基于上述要求，本次试验选取了丹麦B&K 公司生产的型号为4321 的4 个三向加速度传感器，并辅以丹麦B&K 公司生产的型号为2692 的电荷放大器。

加速度传感器应固定在艇内刚性部位，使振动及滑移量尽可能小，并在艇内的布设位置应能测量得到碰撞时，最严重最恶劣的受力情况，因此本次选取救生艇驾驶员座位位置（2 号测点），靠近救生艇碰撞面一侧的典型座位背靠（其中1 号测点位置为护舷安装的内测，3 号测点位置为护舷安装位置靠艇首100mm），背向救生艇一侧靠近艇首的位置（4 号测点），详细的测点布置图见图3。

图3 救生艇碰撞试验测点布置示意

2.3 试验测量及分析系统

本试验的基本原理为，通过安装在救生艇内的4 个B&K4321 型加速度传感器获取碰撞时各危险位置的加速度信息，通过B&K2692 型电荷放大器进行信号放大，通过P-MVAS100 型便携式多通道测试分析系统进行数据分析和输出，详细分析流程见图4。

突出预警过程中，根据预警指标体系中各指标值，按照预警规则库中相应的预警规则，得到对应的初级预警结果，进而可根据初级预警结果采用极值原则得到反映不同方面的二级预警结果，最后得到终级预警结果，其警情分析模型如图4所示。在由初级预警结果确定二级和终级预警结果的过程中，遵循最高级原则和部分指标判识原则。

图4 救生艇碰撞试验测试及分析流程示意

2.4 测试结果分析

2.4.1 动力响应模态评定

动力响应模态评定法是判定救生艇内部乘员承受碰撞及冲击载荷后损伤危险性的最佳方案之一。在动力响应模态评估中，将分析对象即人体作为作用于各向上的单一自由度的弹簧体。通过测试所获得的加速度所激发的人体质量相对于支持座位的响应，进而进行相应的评定。

在进行动力响应分析之前，测得的加速度值应定向至座位的主轴，且动力响应分析所需的结果为人体质量相对于座位在每一坐标轴上的位移时间。

使用动力响应模态评定进行计算和衡准时，下列表达式应能得到满足。

式中：dx—人体质量在X 人体轴线方向上相对于支持座位，按动力响应分析计算而得的同时发生的相对位移。（dy、dz亦然）

Sx —为相应降落状态下的X 向的相对位移。（Sy及Sz亦然）

2.4.2 冲击响应频谱系列（SRSS）

同样的，在进行SRSS 分析之前，测得的加速度应定向至座位的主轴，并对实艇上测得的加速度以不小于20Hz 的低通滤波器进行过滤。

使用冲击响应频谱系列（SRSS）进行计算和衡准时，下列表达式应能得到满足。

式中：gx—人体质量在X 人体轴线方向上相对于支持座位，按动力响应分析计算而得的同时发生的相对加速度。（dy、dz亦然）

Gx —为相应降落状态下X 向的相对加速度极限。（Gy 及Gz 亦然）

其中驾驶员位置（测点2）按计算公式（2）进行评定，参考应急限值进行评估，其中Gx=18，Gy=7，Gz=7。

其余乘员位置（测点1、3、4）按计算公式（2）进行评定，其中Gx=7，Gy=18，Gz=7。

最大比率值结果详见表4。

表4 最大比率值

3 结论

本文对两舷降落全封闭救生艇的碰撞试验进行了研究，按照国际海事组织海上安全委员会，经MSC.226(82),MSC.274(85),MSC.321(89) 和MSC.323(89)修正的 MSC.81(70)《经修正的救生设备试验建议》第1部分要求，结合某型艇进行了实艇碰撞试验，对各测点的加速度进行测量和分析，获取最危险位置的加速度信息，并以此进行了SRSS 最大比率值评估，评估结果最大值为0.893（小于1），满足评估要求，验证了该型艇碰撞性能的安全性。