三體船連接橋砰擊響應(yīng)模型試驗研究

孫志勉 曲 雪 任淑霞 潘 晉

(武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院2) 上海 200011)(上海船舶研究設(shè)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(dǎo)致砰擊作用發(fā)生,嚴重時會對三體船結(jié)構(gòu)強度造成破壞[1].入水砰擊問題一直是船舶工程領(lǐng)域研究的重點,但由于砰擊過程的復(fù)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(yù)報砰擊載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)最有效的方法. 曹正林等[2-3]應(yīng)用模型試驗與有限元仿真結(jié)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(yīng)、模型質(zhì)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(jié)構(gòu)開展了二維剖面落體砰擊試驗.試驗發(fā)現(xiàn)：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(cè)，從而對整個砰擊過程產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)提出了預(yù)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(wěn)態(tài)砰擊載荷并對試驗系統(tǒng)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(guān)系的經(jīng)驗公式.Thomas等[7]監(jiān)測了一艘穿浪雙體船海洋航行過程中的砰擊載荷數(shù)據(jù)，并重點關(guān)注了砰擊引起的“鞭狀效應(yīng)”.Yu等[8]開展了三體船船體梁的波浪彎矩試驗.試驗結(jié)果表明：三體船在高速航行時，會產(chǎn)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(xiàn)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(shù)及其物面分布規(guī)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?zāi)Ｐ透侠淼脑O(shè)計方式,并研究了三體船連接橋砰擊載荷的數(shù)值預(yù)報方法.已發(fā)表文獻中針對三體船尤其是連接橋區(qū)域結(jié)構(gòu)開展的砰擊試驗研究相對較少,設(shè)計彈性模型并預(yù)報砰擊載荷引起的連接橋區(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng)的試驗鮮有記載.

結(jié)構(gòu)響應(yīng)是評價入水砰擊的重要參數(shù),為了更準確的預(yù)報三體船連接橋處砰擊載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng),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(shè)計了二維彈性縮尺模型,連接橋濕甲板區(qū)域采用全彈性設(shè)計方法,最終較為準確地測量了連接橋區(qū)域的結(jié)構(gòu)響應(yīng).

1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計對象為某高速三體船分段,根據(jù)實船型線與輪廓線信息設(shè)計二維鋼質(zhì)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(qū)域的結(jié)構(gòu)響應(yīng).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(jié)果影響的同時,盡可能選擇較大的模型尺寸.再結(jié)合板架結(jié)構(gòu)構(gòu)件特點、傳感器安裝施工技術(shù)要求，最終確定該試驗?zāi)Ｐ偷目s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(jié)構(gòu)動力響應(yīng)等之間的相互關(guān)系一致,需要實現(xiàn)兩者之間的幾何相似、運動相似、流體動力相似及結(jié)構(gòu)動力相似[10].文中試驗設(shè)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(xiàn),而結(jié)構(gòu)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(guān)系見表 1.

表1 主要相似關(guān)系

1.2 外板與骨材設(shè)計

1.2.1外板設(shè)計

模型外板的外部型線根據(jù)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(jié)構(gòu)響應(yīng)測量的影響,兩側(cè)連接橋處外板采用不同板厚.左側(cè)連接橋外板為實現(xiàn)與實船的剛度相似，板厚設(shè)計為1 mm;右側(cè)連接橋板厚與其他區(qū)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(wěn)過度等影響因素后最終設(shè)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(shè)計

實船內(nèi)部骨材密集復(fù)雜且設(shè)有多層甲板,縮尺模型尺寸較小內(nèi)部骨材無法按照實船情況進行加工,考慮到試驗主要關(guān)注連接橋區(qū)域的砰擊響應(yīng),故將非連接橋區(qū)域的多層甲板去除,保留了與連接橋區(qū)域相連的縱向艙壁和甲板結(jié)構(gòu)；連接橋區(qū)域的縱向密骨材按照剛度相似準則簡化,而非連接橋區(qū)域的縱向密骨材依據(jù)實船骨材分布情況進行簡化；模型橫向骨材根據(jù)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(jié)構(gòu)響應(yīng)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(jié)構(gòu)型式分別見圖2,骨材尺寸見表2.

圖2 模型縱剖面結(jié)構(gòu)形式

表2 模型骨材結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 模型工裝設(shè)計與加工

試驗時為保證模型平穩(wěn)入水需將試驗?zāi)Ｐ团c加載裝置連接,故模型兩端增設(shè)四組吊裝螺桿結(jié)構(gòu),通過螺桿與螺母連接實現(xiàn)模型與加載裝置的固定[11-12].同時,加載裝置質(zhì)量較大,為提高試驗安全性,模型頂部增設(shè)凸臺結(jié)構(gòu)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?zāi)Ｐ屯獠烤€型與圖1相同,模型兩側(cè)端封板、模型內(nèi)部強弱框架及均采用激光切割加工,根據(jù)實船橫剖面外部線型制作模具,嚴格以模具指導(dǎo)外板彎板.連接橋濕甲板區(qū)域為砰擊動力響應(yīng)測量的關(guān)鍵區(qū)域,該區(qū)域外板板厚與骨材尺寸非常小,為盡量減小焊接殘余應(yīng)力,保證加工精度,連接橋區(qū)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(qū)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(jié)果

2.1 試驗測點與試驗工況

左側(cè)連接橋區(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng)為此次試驗測量的主要目標(biāo),為研究跨長對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響選取長、短跨長區(qū)域關(guān)鍵位置(板格中心與骨材中心)設(shè)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(jié)果的合理性與準確性,在左側(cè)連接橋?qū)ΨQ跨長區(qū)域設(shè)置測點S3、S4、S7、S8為對照組1；為研究板厚對于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,在右側(cè)連接橋?qū)?yīng)試驗組測點位置設(shè)置測點S9、S10、S11、S12為對照組2.連接橋濕甲板應(yīng)變響應(yīng)測點布置見圖3.

圖3 應(yīng)變測點布置圖(單位：mm)

試驗工況設(shè)置主要依據(jù)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(jù)表1所示的相似關(guān)系,模型速度與實船模型速度比例為λ1/2.根據(jù)模型下落模型速度確定試驗初始落高.為保證試驗的穩(wěn)定性與可重復(fù)性,不同工況進行重復(fù)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(fā)生相對運動而產(chǎn)生砰擊現(xiàn)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(yīng)用控制端電控開關(guān)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(fā)生入水砰擊，通過應(yīng)變傳感器監(jiān)測入水砰擊過程中連接橋濕甲板測點位置的應(yīng)變時歷數(shù)據(jù)；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(jù)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(jié)果

為研究連接橋區(qū)域應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果的變化規(guī)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(yīng)力時程曲線見圖4.由圖4可知，所有測點的應(yīng)力響應(yīng)變化規(guī)律基本一致.入水前由于風(fēng)力等外載荷的影響應(yīng)力響應(yīng)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(xiàn)兩個應(yīng)力峰值,直接砰擊應(yīng)力峰值大于射流砰擊峰值,不同測點峰值出現(xiàn)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(wěn),連接橋區(qū)域多次與水面接觸發(fā)生砰擊,因此應(yīng)力曲線呈現(xiàn)波動減小直至平緩的趨勢.結(jié)合模型入水過程可分析出：第一個應(yīng)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(qū)域造成砰擊作用導(dǎo)致應(yīng)力值發(fā)生突變；第二個應(yīng)力峰值出現(xiàn)在模型連接橋入水時刻,此時連接橋與液面發(fā)生嚴重的直接砰擊作用出現(xiàn)較大的應(yīng)力響應(yīng)峰值.

圖4 測點應(yīng)力時歷曲線(落高1 m)

圖5為不同工況下測點S5的應(yīng)力曲線變化圖,由圖5可知，不同落高S5測點應(yīng)力曲線變化規(guī)律相同,應(yīng)力響應(yīng)均為入水前在初始值上下輕微波動,入水時先后出現(xiàn)射流砰擊與直接砰擊應(yīng)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(xiàn)時刻存在差異.除此之外,應(yīng)力響應(yīng)隨初始落高增加呈現(xiàn)明顯的增大趨勢,在射流砰擊與直接砰擊引起的應(yīng)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(yīng)力響應(yīng)隨下落高度的變化曲線圖.由圖6可知:所有測點的應(yīng)力響應(yīng)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(yīng)力響應(yīng)峰值結(jié)果非常接近,說明該區(qū)域測量結(jié)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(qū)域測點應(yīng)力峰值大小與峰值變化幅度大于短跨長區(qū)域；左側(cè)連接橋(板厚1 mm)測點峰值大小與峰值變化幅度大于右側(cè)連接橋(板厚2 mm)；兩側(cè)連接橋相同跨長測點的應(yīng)力峰值隨落高變化趨勢相似.當(dāng)落高較高時,右連接橋長跨長測點S10與S12應(yīng)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(jié)構(gòu)響應(yīng)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(yīng)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(yīng)力響應(yīng)的影響程度,選取落高為1 m時測點應(yīng)力響應(yīng)峰值,分別作相同板厚不同跨長測點S1/S2、S5/S6、S9/S10、S11/S12應(yīng)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(yīng)力峰值對比圖見圖7.落高1 m時所有測點應(yīng)力峰值見表4.

圖7 不同跨長和板厚測點應(yīng)力峰值對比圖

表4 工況4測點應(yīng)力響應(yīng)峰值 單位：MPa (落高1 m)

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

3 結(jié) 論

1) 采用分區(qū)域設(shè)計方法,以某高速三體船分段為研究對象設(shè)計了二維彈性縮尺模型.針對三體船重點關(guān)注區(qū)域—連接橋,模型嚴格按照剛度相似準則設(shè)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(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng),為三體船二維縮尺模型設(shè)計提供了一種新的思路.

2) 連接橋區(qū)域應(yīng)力響應(yīng)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(fā)生射流砰擊與直接砰擊兩次砰擊作用,應(yīng)力響應(yīng)時程曲線對應(yīng)出現(xiàn)兩個峰值；直接砰擊引起的連接橋區(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(jié)構(gòu)響應(yīng).該模型尺寸下短跨長測點應(yīng)力峰值約為長跨長測點的75%；右側(cè)連接橋骨材中心測點應(yīng)力峰值約為左側(cè)連接橋測點的68.5%,右側(cè)連接橋板格中心測點應(yīng)力峰值約為左側(cè)連接橋測點的84.5%.

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