三體船連接橋砰擊響應模型試驗研究

孫志勉 曲 雪 任淑霞 潘 晉

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院1) 武漢 430063) (中國船舶及海洋工程設計研究院2) 上海 200011)(上海船舶研究設計院3) 上海 201203)

0 引 言

高速三體船在惡劣海況中航行時,船體和波浪之間的大幅相對運動會導致砰擊作用發生,嚴重時會對三體船結構強度造成破壞[1].入水砰擊問題一直是船舶工程領域研究的重點,但由于砰擊過程的復雜性和強非線性，對砰擊的研究存在很大難度,目前模型試驗是預報砰擊載荷與結構響應最有效的方法. 曹正林等[2-3]應用模型試驗與有限元仿真結合的方法分析了三體船在入水砰擊過程中砰擊載荷峰值沿連接橋的分布情況，探討了空氣墊效應、模型質量、舭部底升角對于砰擊壓力峰值的影響.Davis等[4]針對某穿浪雙體船船艏結構開展了二維剖面落體砰擊試驗.試驗發現：模型入水激起的射流會與空氣混合并以氣泡的形式積聚在濕甲板下側，從而對整個砰擊過程產生影響.彭晟[5]開展了高速三體船二維模型砰擊落體試驗,測量了結構入水過程中船體表面的砰擊壓力、入水速度及加速度,通過分析試驗數據提出了預報連接橋砰擊壓力峰值的公式.Sidan等[6]對一艘三維的穿浪雙體船船模進行了系列落體試驗,試驗主要測量了濕甲板拱門處的非穩態砰擊載荷并對試驗系統及隨機不確定度進行了分析，最終給出了砰擊力與入水速度之間關系的經驗公式.Thomas等[7]監測了一艘穿浪雙體船海洋航行過程中的砰擊載荷數據，并重點關注了砰擊引起的“鞭狀效應”.Yu等[8]開展了三體船船體梁的波浪彎矩試驗.試驗結果表明：三體船在高速航行時，會產生非線性砰擊振動從而極大地增加了船體梁的高頻振動，使船體梁上出現高頻非線性荷載，砰擊引起的振動甚至比波浪引起的振動還要大.董傳瑞[9]開展了高速三體船二維剛體縮尺模型砰擊落體試驗,研究了入水過程中連接橋處砰擊載荷的時歷特征,砰擊壓力峰值、無因次壓力峰值系數及其物面分布規律、模型加速度等,初步探討了主船體未出水情況下落體試驗模型更合理的設計方式,并研究了三體船連接橋砰擊載荷的數值預報方法.已發表文獻中針對三體船尤其是連接橋區域結構開展的砰擊試驗研究相對較少,設計彈性模型并預報砰擊載荷引起的連接橋區域結構響應的試驗鮮有記載.

結構響應是評價入水砰擊的重要參數,為了更準確的預報三體船連接橋處砰擊載荷引起的結構響應,研究三體船合理的模型試驗方法,文中選取某三體船分段為試驗測試對象,設計了二維彈性縮尺模型,連接橋濕甲板區域采用全彈性設計方法,最終較為準確地測量了連接橋區域的結構響應.

1 試驗模型設計

試驗模型設計對象為某高速三體船分段,根據實船型線與輪廓線信息設計二維鋼質縮尺模型并完成系列落體砰擊試驗,測量其在不同落水高度下連接橋區域的結構響應.綜合考慮砰擊水池大小與試驗裝置的加載能力,在減小壁面反射波對試驗測量結果影響的同時,盡可能選擇較大的模型尺寸.再結合板架結構構件特點、傳感器安裝施工技術要求，最終確定該試驗模型的縮尺比λ.

1.1 相似原理

為保證模型與實船在入水速度、模型外部型線、實際結構動力響應等之間的相互關系一致,需要實現兩者之間的幾何相似、運動相似、流體動力相似及結構動力相似[10].文中試驗設計中的幾何相似與運動相似通過保證模型與實船的船體外部型線、板架與板格的尺寸相似來實現,而結構動力相似則采用剛度相似的方法來完成.模型與實船的主要相似關系見表 1.

表1 主要相似關系

1.2 外板與骨材設計

1.2.1外板設計

模型外板的外部型線根據實船橫剖面信息確定,在縱向方向上保持等截面.外板板厚的選擇綜合考慮了板材型號與彎板加工的可行性.同時,為驗證板厚對結構響應測量的影響,兩側連接橋處外板采用不同板厚.左側連接橋外板為實現與實船的剛度相似，板厚設計為1 mm;右側連接橋板厚與其他區域保持一致,在綜合考慮彎板加工難度、模型整體剛度，以及與連接橋邊界處的平穩過度等影響因素后最終設計為2 mm.模型橫剖面外部線型與主要尺寸見圖1.

圖1 模型橫剖面示意圖(單位：mm)

1.2.2骨材設計

實船內部骨材密集復雜且設有多層甲板,縮尺模型尺寸較小內部骨材無法按照實船情況進行加工,考慮到試驗主要關注連接橋區域的砰擊響應,故將非連接橋區域的多層甲板去除,保留了與連接橋區域相連的縱向艙壁和甲板結構；連接橋區域的縱向密骨材按照剛度相似準則簡化,而非連接橋區域的縱向密骨材依據實船骨材分布情況進行簡化；模型橫向骨材根據實船骨材位置簡化為弱框架,橫向艙壁簡化為強框架,同時為研究板格縱向跨長對于結構響應大小的影響,中間四個板格采用對稱不等跨長分布,簡化后模型橫、縱剖面結構型式分別見圖2,骨材尺寸見表2.

圖2 模型縱剖面結構形式

表2 模型骨材結構尺寸

1.3 模型工裝設計與加工

試驗時為保證模型平穩入水需將試驗模型與加載裝置連接,故模型兩端增設四組吊裝螺桿結構,通過螺桿與螺母連接實現模型與加載裝置的固定[11-12].同時,加載裝置質量較大,為提高試驗安全性,模型頂部增設凸臺結構提高整體儲備浮力,凸臺尺寸為1 m×1.2 m×0.2 m.

模型材料選用Q235B普通低碳鋼,為保證試驗模型外部線型與圖1相同,模型兩側端封板、模型內部強弱框架及均采用激光切割加工,根據實船橫剖面外部線型制作模具,嚴格以模具指導外板彎板.連接橋濕甲板區域為砰擊動力響應測量的關鍵區域,該區域外板板厚與骨材尺寸非常小,為盡量減小焊接殘余應力,保證加工精度,連接橋區域骨材與板材的焊接均采用冷焊方式進行滿焊.非連接橋濕甲板區域骨材之間焊接采用點焊方式,外板與兩端封板之間進行滿焊保證模型的水密性.

2 試驗過程與測量結果

2.1 試驗測點與試驗工況

左側連接橋區域結構響應為此次試驗測量的主要目標,為研究跨長對結構響應的影響選取長、短跨長區域關鍵位置(板格中心與骨材中心)設置試驗組測點S1、S2、S5、S6.為給試驗組測點提供對照與補充并驗證其結果的合理性與準確性,在左側連接橋對稱跨長區域設置測點S3、S4、S7、S8為對照組1；為研究板厚對于結構響應的影響,在右側連接橋對應試驗組測點位置設置測點S9、S10、S11、S12為對照組2.連接橋濕甲板應變響應測點布置見圖3.

圖3 應變測點布置圖(單位：mm)

試驗工況設置主要依據實船海洋航行時可能達到的船波相對運動模型速度范圍確定.根據表1所示的相似關系,模型速度與實船模型速度比例為λ1/2.根據模型下落模型速度確定試驗初始落高.為保證試驗的穩定性與可重復性,不同工況進行重復試驗5次,試驗工況表見表3.

表3 試驗工況

2.2 試驗過程

為模擬模型與波浪發生相對運動而產生砰擊現象,試驗時將模型與加載裝置連接并通過起重機提升至初始下落高度后應用控制端電控開關打開吊鉤完成模型釋放,模型通過自由落體運動獲得一定初速度后發生入水砰擊，通過應變傳感器監測入水砰擊過程中連接橋濕甲板測點位置的應變時歷數據；通過加速度傳感器測量模型入水時加速度隨時間的變化曲線,并根據加速度曲線積分得到任意時刻模型下落速度；通過高速攝影儀獲取模型入水時自由液面變化情況.

2.3 測量結果

為研究連接橋區域應力響應結果的變化規律分別給出落高1 m時短跨長骨材中心測點S5、S8、S11與長跨長骨材中心測點S6、S7、S12的應力時程曲線見圖4.由圖4可知，所有測點的應力響應變化規律基本一致.入水前由于風力等外載荷的影響應力響應在0值上下輕微浮動.入水過程中,由于砰擊載荷作用曲線先后出現兩個應力峰值,直接砰擊應力峰值大于射流砰擊峰值,不同測點峰值出現時刻基本相同.入水后,由于浮力作用模型在水面上下浮動直至平穩,連接橋區域多次與水面接觸發生砰擊,因此應力曲線呈現波動減小直至平緩的趨勢.結合模型入水過程可分析出：第一個應力峰值由主船體入水時液面飛濺形成的射流引起,射流對連接橋區域造成砰擊作用導致應力值發生突變；第二個應力峰值出現在模型連接橋入水時刻,此時連接橋與液面發生嚴重的直接砰擊作用出現較大的應力響應峰值.

圖4 測點應力時歷曲線(落高1 m)

圖5為不同工況下測點S5的應力曲線變化圖,由圖5可知，不同落高S5測點應力曲線變化規律相同,應力響應均為入水前在初始值上下輕微波動,入水時先后出現射流砰擊與直接砰擊應力峰值,入水后隨模型上下浮動減小的趨勢,由于入水初速度不同峰值出現時刻存在差異.除此之外,應力響應隨初始落高增加呈現明顯的增大趨勢,在射流砰擊與直接砰擊引起的應力峰值處最為明顯.

圖5 S5測點不同工況下時歷曲線

圖6為板格中心與骨材中心測點應力響應隨下落高度的變化曲線圖.由圖6可知:所有測點的應力響應峰值均隨落體高度的增加而增大.試驗組測點S1、S2、S5、S6及其對照組1測點S3、S4、S7、S8應力響應峰值結果非常接近,說明該區域測量結果具有較高的準確性.對于同樣位于板格中心或者骨材中心的測點,長跨長區域測點應力峰值大小與峰值變化幅度大于短跨長區域；左側連接橋(板厚1 mm)測點峰值大小與峰值變化幅度大于右側連接橋(板厚2 mm)；兩側連接橋相同跨長測點的應力峰值隨落高變化趨勢相似.當落高較高時,右連接橋長跨長測點S10與S12應力峰值分別大于左連接橋短跨長測點S1、S4與S5、S8,說明該模型尺寸下,跨長對于結構響應的影響程度隨落高增加超越了板厚的影響.

圖6 不同測點應力峰值隨落高變化圖

為進一步研究該模型尺寸下跨長及板厚對于連接橋應力響應的影響程度,選取落高為1 m時測點應力響應峰值,分別作相同板厚不同跨長測點S1/S2、S5/S6、S9/S10、S11/S12應力峰值對比圖以及相同跨長不同板厚測點S1/S9、S2/S10、S5/S11、S6/S12應力峰值對比圖見圖7.落高1 m時所有測點應力峰值見表4.

圖7 不同跨長和板厚測點應力峰值對比圖

表4 工況4測點應力響應峰值 單位：MPa (落高1 m)

由圖7a)可知,落高1 m時,左側連接橋短跨長測點應力峰值約為長跨長測點的75%,右側連接橋短跨長測點應力峰值約為長跨長測點的78.8%.由圖7b)可知,落高1 m右側連接橋骨材中心測點應力峰值約為左側連接橋測點的68.5%,右側連接橋板格中心測點應力峰值約為左側連接橋測點的84.5%.該模型尺寸下,跨長對于應力響應的影響較穩定,而板厚對于應力響應的影響會因測點位置不同存在較大差異.

3 結 論

1) 采用分區域設計方法,以某高速三體船分段為研究對象設計了二維彈性縮尺模型.針對三體船重點關注區域—連接橋,模型嚴格按照剛度相似準則設計加工,最終模型加工成型并成功完成系列自由落體砰擊試驗,較準確地測量得到連接橋區域結構響應,為三體船二維縮尺模型設計提供了一種新的思路.

2) 連接橋區域應力響應隨模型下落高度的增加而增大；模型連接橋入水過程中先后發生射流砰擊與直接砰擊兩次砰擊作用,應力響應時程曲線對應出現兩個峰值；直接砰擊引起的連接橋區域結構響應較射流砰擊更加明顯.

3) 增加跨長與減小板厚均會增加連接橋濕甲板結構響應.該模型尺寸下短跨長測點應力峰值約為長跨長測點的75%；右側連接橋骨材中心測點應力峰值約為左側連接橋測點的68.5%,右側連接橋板格中心測點應力峰值約為左側連接橋測點的84.5%.

4) 該模型尺寸下,跨長對于應力響應的影響較穩定,而板厚對于應力響應的影響會因測點位置不同存在較大差異.