船舶模型水池碰撞試驗研究

李良偉，杜儉業

(中國人民解放軍92942部隊，北京 100161)

0 引 言

船舶碰撞事故不僅會造成巨大的經濟損失，也會對海洋和生態環境帶來破壞性的危害[1–2]。由于船舶碰撞現象極其復雜，船體運動、結構損傷、海洋環境等諸多細節難以用理論模型進行全面、真實的表達，為此有必要開展相關模型試驗，為理論分析、數值仿真等相關技術研究提供可靠的數據支撐。從20世紀60年代開始，國外相繼開展了大量的船舶碰撞試驗工作，其中比較有代表性的包括：Woisin[3]先后完成了12艘船舶模型的碰撞試驗，模型比例從1/12到1/17.5不等，試驗總體方案是將撞擊船模型放置于傾斜鋼軌上，采用自由下滑的方式撞擊被撞船模型；為研究不同類型船舶舷側結構抵抗船舶撞擊的能力，Wevers等[4]完成了24組模型試驗，撞擊模型試驗總體方案與文獻[3]基本一致，試驗所采用的模型比例為1/15和1/10；Kitamura[5]討論了油船結構的碰撞損傷失效問題，撞擊船首用高強度鋼質結構，被撞船模型為標準VLCC的舷側雙殼結構模型（見圖1）；Carlebur[6]在港口完成了4組不同撞擊速度條件下的實船碰撞試驗研究（見圖2），測量了2船相撞時被撞船舷側結構的撞深、撞擊力以及舷側結構應變和2船剛體運動情況；Tabri[7–9]開展了船舶碰撞的縮比模型試驗，探討了船舶不同碰撞角度條件下的碰撞力和運動響應特性（見圖3）。

總體而言，實船海上碰撞試驗實施風險大、成本高、控制難，基于實驗室環境的船舶模型碰撞試驗研究成為碰撞試驗的主要方向之一。由于海上碰撞特性與船舶運動、相對位置、海洋環境等諸多因素密切相關，有必要研究提出能夠模擬較為真實的海上碰撞環境的試驗方案，從而為理論研究工作提供有力的試驗數據支撐。本文在充分總結分析以往船舶海上模型碰撞試驗規律的基礎上，提出了一種能夠模擬船舶海上碰撞環境的模型試驗方案，并運用船舶拖曳水池開展了系列模型碰撞試驗，探討了不同撞擊速度和撞擊角度對被撞船模型舷側結構的損傷特性的影響，試驗研究結果可為更好地理解船舶實際場景下碰撞后的運動規律及船舶碰撞仿真方法的驗證提供支撐。

1 模型試驗方案設計

為有效控制模型試驗風險和成本，將主要考慮在實驗室條件下模擬船舶碰撞環境，為開展碰撞響應特性研究提供支撐，碰撞模型試驗的總體考慮為：能夠同時實現模擬實船海上碰撞時的船舶運動與船體結構損傷特性，能夠支撐不同撞擊角度、撞擊速度條件下的船舶碰撞響應特性研究，便于安裝相關測試系統，為驗證碰撞理論及數值仿真方法提供支持。

1.1 試驗模型方案設計

1.1.1 撞擊船模型

為實現在拖曳水池中開展不同撞擊速度條件下的碰撞試驗，撞擊船模型采用木質結構以便于調整模型的重量分布及拖曳速度；撞擊船的首部采用鋼質加強結構，并用導向螺栓與船體連接，不僅能夠實現加裝不同結構形式的撞頭，同時提供一定的撞擊動能，也能夠在撞頭和平臺之間加裝力傳感器實現對碰撞力的實時監測。撞擊船模型的設計方案如圖4所示。

1.1.2 被撞船模型

被撞船模型采用空心薄壁箱型鋼質結構，整體分為3段，首尾段主要是為模型提供儲備浮力，便于調整吃水和撞擊角度；中間為測試段，作為撞擊船碰撞接觸區域，用于研究鋼質結構碰撞損傷特性，同時實現結構應變、塑性變形等參數測量。被撞船模型的設計方案如圖5所示。

1.2 試驗模型狀態方案設計

試驗模型狀態設計的主要目的是能夠在試驗水池條件下模擬海上船舶碰撞環境，撞擊船與被撞船處于自由狀態，同時兩船之間具有一定的相對速度和相對角度。基于上述考慮，提出撞擊船模型的拖曳方案和被撞船模型的系泊方案。

1.2.1 撞擊船模型的拖曳方案

基于船舶拖曳水池環境，將撞擊船模型置于拖車上，能夠沿船長方向以不同航速航行；為便于控制航行過程中模型的浮態，通過4根鋼絲繩將模型與拖車固定，一方面確保船舶橫向穩定性，同時也能實現在撞擊發生時，鋼絲繩在瞬態沖擊力作用下斷裂，實現撞擊船和拖車的自動分離，既能保護拖車，也能確保撞擊船撞擊后處于自由運動狀態。4根鋼絲繩中靠近首部的2根與拖車前端框架相連，后端2根與拖車后端框架相連。撞擊船模型的拖曳方案設計如圖6所示。

1.2.2 被撞船模型的系泊方案

撞擊船模型的拖曳方案能夠實現模擬不同撞擊速度條件下的自由碰撞環境，被撞船模型的系泊方案設計時則需要同時考慮拖曳水池的外部環境及撞擊船的運動特性，為此，將撞擊船模型布置與被撞擊船模型運動方向垂直的方向，用細繩與周邊固定樁連接，并留有足夠的余量以便于在碰撞過程中不受到外部干擾力的影響，使其基本處于自由狀態；被撞船模型能夠根據試驗需要，調整與撞擊船運動方向的夾角，模擬不同撞擊角度條件下兩船的碰撞響應特性。被撞船模型的系泊方案設計如圖7所示。

1.1 試驗地概況 試驗在旱農中心河村旱作節水基地進行，試驗地塊前茬為玉米，土壤為黃土質淡褐土性土，有機質10.5 g/kg，全氮1.12 g/kg，全磷0.72 g/kg，全鉀21.6 g/kg，堿解氮53.7 mg/kg，速效氮125.0 mg/kg，速效磷6.87 mg/kg。

2 模型試驗實施及結果分析

根據上述提出的模型試驗方案，基于國內現有的拖曳水池環境，以研究船舶碰撞運動特點及結構損傷特性為目標，開展了系列具體的模型水池碰撞試驗及數據分析工作。

2.1 模型試驗實施

2.1.1 撞擊船模型

撞擊船模型為木質結構，剛性撞頭安裝在船舶模型首部，剛性撞頭為半球形，由于球形撞頭自身的重量較大，導致船舶出現一定的首傾。為保持撞擊船模型正浮，在尾部進行壓載。為進一步增大撞擊船的動能，在撞擊船上布置壓鐵以增大排水量, 撞擊船模型拖帶及首部撞頭如圖8所示。

2.1.2 被撞船模型

被撞船模型為鋼質箱型結構，3段之間用橫隔板隔開，上部開口，以方便觀察和增加壓載，設定被撞船模型的初始位置與拖曳水池構成試驗所需的相對角度，被撞船模型及其系泊狀態如圖9所示。

2.1.3 撞擊力測量

撞擊力的測量采用壓力傳感器，撞擊力信號通過動態信號系統采集。為確保撞擊力能夠全部有效地傳遞給力傳感器，撞頭法蘭的螺栓孔直徑大于導向螺栓的直徑，以最大程度地消除滑動摩擦的影響。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 碰撞工況

為分析不同撞擊速度和撞擊角度條件下的碰撞響應規律，結合試驗水池拖車的拖曳能力，選取了4組典型的試驗工況開展了模型水池碰撞試驗，包括2組撞擊船模型的航速3 m/s和4 m/s和3組撞擊角度（30°，60°和 90°）。

2.2.2 碰撞過程

碰撞過程中，被撞船模型和撞擊船模型會隨著撞擊速度和角度的變化出現不同的運動現象，被撞擊部位也出現塑性變形。撞擊船模型與被撞船模型碰撞過程如圖10所示，典型工況下被撞船模型撞擊區域殼板變形如圖11所示。根據現場撞擊情況觀察可知：

1）直角（90°）撞擊下，在2個模型接觸時，被撞船模型整體沿撞擊方向產生平動，也會伴隨較大幅度的橫傾；待2個模型分離后，被撞船模型出現橫蕩和橫搖運動；斜角度（30°，60°）撞擊下，被撞船模型不僅會出現橫蕩、橫搖運動也會有首搖運動；

2）被撞船模型排水量較大，且在撞擊船撞擊下發生橫蕩運動，因而附連水質量效應較大，使得其慣性相應增大，從而造成其運動持續時間相對較長；撞擊船模型排水量較小，且沿船長方向運動，附連水質量效應影響較小，其運動持續時間相對較短；但由于其慣性運動較小，撞擊發生后其橫搖、升沉和首搖的運動幅度較大；

3）不同工況下被撞船模型舷側結構被撞擊位置與初始標記撞擊位置均有一定程度的差別。造成這一現象的原因是撞擊船模型在航行時將引起抬首現象，從而導致撞擊位置的偏差。

2.2.3 測試結果

圖12給出了典型工況的碰撞力時間歷程曲線，表1給出了各工況的碰撞力峰值、撞深、碰撞力持續時間和碰撞力峰值持續時間。

表1 撞擊工況及其撞擊響應結果Tab.1 Impact conditions and impact respense results

總體分析可知：

1）撞擊速度和撞擊角度對碰撞力的影響明顯。隨著撞擊速度的增大碰撞力上升較快，且表現出明顯的非線性特性，具體為：工況2相對與工況1的速度僅增加了33%，而撞擊力卻增大近2倍。該結果與國外實船碰撞試驗規律較為接近[6]；同時，隨著撞擊角度的減小，碰撞力近似呈線性下降趨勢。

2）撞擊速度和撞擊角度對碰撞力持續時間和碰撞力峰值持續時間影響明顯。撞擊速度越大，碰撞力的持續時間也越短，且峰值持續時間也非常短。在撞擊速度一定的前提下，隨著撞擊角度的減低，碰撞力持續時間增長，且峰值持續時間也相對增長。

3 結 語

本文在充分總結國外船舶碰撞模型試驗研究工作的基礎上，研究提出了一種能夠模擬船舶海上碰撞條件下船體運動、結構損傷等多種特性響應規律的試驗方案，并解決了不同撞擊速度與撞擊角度狀態設定、碰撞力測量等關鍵問題，并結合現有拖曳試驗水池環境，完成了系列模型碰撞試驗實施，該試驗方案設計及實施過程能夠作為后續開展船舶碰撞理論研究及數值仿真方法驗證提供技術支撐。