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基于模型试验的江海直达船波激振动与砰击载荷研究
摘要
当江海直达船从江河流域进入海洋流域时，船舶环境载荷的巨大变化将会导致波浪激增，而波浪将会诱发波浪砰击载荷和船体结构的振动，另一方面，由于江河内桥梁的高度限制，江海直达船与海船相比具有更平坦的形状，而且江海直达船的吃水较浅，球艏及底部更加容易易受到砰击载荷的作用，经分析后确定采取分段船模的方法对江海直达船在两个典型的装载(满载和压载)工况下开展模型试验研究。此次模型试验的主要目的是研究和预测在常规波浪和不规则波浪条件下，江海直达船的垂向弯曲力矩与波激、砰击振动响应等波浪引起的载荷和砰击振动。大量的研究结果表明，在几个特殊的工况作用下，江海直达船会受到巨大的波浪引起的载荷和砰击载荷的影响。
关键词：江海直达船；波激振动；砰击载荷；模型试验
1 引言
相较于传统的货物运输方式，江海直达船可以避免在运输过程中的物流损失，有效缩短了货物运输的周期，这使得它们成为在实现江河-海洋货物运输体系中更理想的运输方式。截至到目前为止，还没有适合同时能航行在我国内河、沿海水域特定航线的江海直达船建造的规范，在进行结构设计的时候，主要是参照《国内航行海船建造规范》的相关内容。在江海直达船舶最新的研究中，由于江海直达船舶从江河流域进入到近海海域时候，营运环境发生巨大变化，海啸波浪和船体振动对江海直达船的安全造成严重威胁。除此之外，横架于江河之上的桥梁高度的限制，使得江海直达船的船型更加平坦，且江河水域吃水较浅，船球艏及底部更容易受到砰击载荷作用，从图1和图2中可以看出将进行研究的江海直达船型具有典型的扁平船底和一定的艏外飘结构，一方面，在冲击作用的区域内会产生巨大的压力负荷，导致船体产生严重的变形甚至因此结构失效。另一方面，如果砰击载荷产生足够的动力，整个船体将遭受纵向，横向和垂向振动和扭转甚至这些复杂振动的叠加，船体振动较小时会影响船上人员的生活起居，剧烈振动时会造成机械设备的故障甚至损坏，缩短了船舶的寿命，甚至产生安全威胁或者事故。因此，在波浪载荷和砰击载荷的作用下，江海直达船的全面深入的研究是十分必要的，模型试验方法是研究江海直达船波浪载荷、砰击载荷及砰击压力特性的有效手段，也是验证已有的数值计算方法的有效途径，这些研究工作对江海直达船的结构设计作出了重大的贡献。
图1 江海直达船球艏部分 图2 江海直达船球艏的侧面部分
2.江海直达船模型试验测量系统
在垂向波浪弯矩和高频弯矩（Mv1-Mv3）下，随着波高，波动压力和砰击载荷等等参数的变化，在具有船首方向或倾斜方向的正常或不规则波形的作用下，对江海直达船舶船型换代研究模型的载荷或压载条件进行了测量，江海直达船型线图如图3所示，主要的比例因子和压载满载的条件列于表1中。
图3 江海直达船型线及船首与船尾剖面图
表1 实船和船模主要尺度参数
参数 重载 压载
总长LOA（m） 4.250 4.250
垂线间长LPP(m) 4.0625 4.0625
型宽B(m) 0.8 0.8
型深H(m) 0.272 0.272
艏吃水TF(m) 0.179 0.091
尾吃水TA(m) 0.213 0.136
排水量(kg) 552.22 307.22
方形系数(CB) 0.8557 0.8557
横摇周期(s) 1.822 0.973
船模的设计和航行状态，需要满足几何相似，运动相似以及动力相似。
弗劳德数,
斯特劳哈尔数
式中：
下标s表示实船参数；
m表示模型参数；
V为航速；
L为船舶长度；
g为重力加速度；
t 为时间。
这艘江海直达船模型由玻璃钢材料制作而成，四个部分（三个内分隔）由一个异形钢圆梁连接。整个模型搭配满足自航要求。总船模型按照设计安装轴系，齿轮箱，电动机，过程校正系统等。采用实验室已有的推进器用于船舶模型的推进。船模所有4个部分均设置横向舱壁用于密封，测量梁的基座和防止发生横向变形。在测试大梁分离位置设置的3组波浪应力计（应变计）可以测量波浪运动中的船舶模型结构动响应。船舶18.5号站位置设置了5个压力传感器，拥有测量波浪载荷和砰击载荷的数值，这5个压力传感器在船体上的准确位置见表格2
表2 砰击压力测量点的位置
工况代号 位置 距离船体基线的距离 距离中纵剖线的距离 备注
（mm） （mm）
P1 18.5 0 0 中纵剖线
P2 18.5 15.625 221.4 右舷
P3 18.5 78.125 282.3 右舷
P4 18.5 140.625 267.5 右舷
P5 18.5 171.875 270.8 右舷
3.模型实验结果分析
在重载和压载这两种工况下开展实验，图四和图五分别给出了江海直达船在压载和满载两种工况状态下的试验照片，分别为典型工况下的波激振动响应和砰击响应。下面将提供模型测试和后续分析的结果。在频谱分析图中，坐标轴X轴的单位为频率（Hz），坐标轴Y轴单位为（kg * cm），传递函数给出的是力矩进行无因次化后的结果，无因次化因子为，所有的时域曲线的坐标轴x轴为时间t(s), 波高H的单位为mm，弯矩M的单位为（Kg·cm），砰击压力P的单位为（kpa）。
图4 压载工况状态下的模型实验图 图5 重载工况状态下的模型实验图
3.1静水中船体自由振动
在压载和满载状态下进行航速分别为0.884m/s 和1.326m/s 的静水试验，测量船体梁在垂向上的振动频率，两种工况状态下的垂向弯矩响应频率分布如图6和图7所示。可以看出，压载状态下更有可能激起船体的振动。
图6 压载工况状态下垂向振动频 图7 重载工况状态下的垂向振动频率
3.2 规则波试验结果
7个规则波试验列于表格3中，施加有小，中，高三种波高，船首方向和倾斜方向两种浪向，压载工况和重载工况两种工况状态，巡航速度和高航速两种航行速度，每个试验包括11个波浪周期（波长船长比=0.2 0.35 0.433 0.6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.5 2.0来表征）的测量位置靠近船体5号站，靠近船体中部（10号站）的和船首附近的（15号站）。船体18.5号站处设置了5个压力传感器。
表3 在规则波作用下的模型试验
编号 波高/mm 航速（） 浪向(°) 工况
B01 78.125 1.326 180 压载
B02 78.125 0.844 120 压载
B03 46.875 1.326 180 压载
B04 46.875 1.326 120 压载
B05 109.375 1.326 180 满载
B06 78.125 0.844 120 压载
B07 78.125 0 180 压载
根据在实验中观察和结果的数据分析，在B01，B02，B03和B04的情况下，遭受到的波浪周期为6秒时，船体发生了严重的偏激振动。从图8～图9中B01和B03两种工况下的的传递函数可以看出，船体响应的波浪成分是一条平滑的曲线，而组合成分在波浪周期为6s时有一个峰值，这种现象的出现意味着波浪引起的振动载荷比波浪载荷本身更为显著，这种现象应该引起船舶设计师的注意。
图8 B01下的波组成的VBM 图9 B02下的波组成的VBM
下图提供经过傅里叶变换的时域曲线（图10和11）和频域曲线（图12和13）在这种情况下，最大砰击载荷记录不超过P1 = 1.23 kPa，这表明主载荷不是来自砰击冲击而是自身振动。B0103工况表示B01工况中的第三波长（lambda;/ L = 0.433），正好是最高的频谱峰。
图10 B0103下的波高曲线 图11 B0103下的VBM曲线
图12 B1013下的压力曲线 图13 B0103下的VBM频率
下图提供了第二高频谱峰的傅里叶变换后的时域曲线（图14和15）和频域曲线（图16和17）。在试验B0109（lambda;/ L = 1.2）下，发生了最大脉冲压力P1 = 2.08kPa的砰击现象，约为试验B0103的大约170％。 然而，从频率谱上来看，并没有引起振动的振动。频谱图上的第一个峰值代表规则波响应，在其附近有一个一阶总振动频率的响应，代表着由砰击载荷引起的高频响应。在工况B05（重载工况），B06（重载工况）和B07（压载工况且航速为0），顶部砰击压力为P3 = 1.68 kPa，P3 = 1.53 kPa，P2 = 0.60 kPa。在工况B05和工况B06中观察到没有波浪引起的振动的严重的砰击效应，在工况B07既没有出现波激也没有出现砰击。持续的砰击和振动将导致结构疲劳断裂，船舶结构受损破坏。 模型试验结果表明，避免在航行过程中受到持续砰击是至关重要的。当船舶航行过程中处于这种恶劣环境下的时候，一个有效的措施就是主动降低船舶航行速度，以此来减少砰击的产生。
图18 B05下的波浪组成的VBM 图19 B07下的波浪组成的VBM
图20 B0509下的VBM频率 图21 B0709下的VBM频率
图22 B0509下的压力曲线 图23 B0709下的压力曲线
从上述结果中可以看出，在规则波工况下，不同的航速、波高、波浪周期条件下，江海
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