高速M 型艇砰擊載荷的模型試驗研究

張 琳，周維星，陳三桂，張 濤

(1.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

砰擊是船體與波浪相互作用而產生的一種瞬時高度非線性的動態現象[1]。在惡劣的海況中，砰擊現象經常發生。砰擊現象發生時會產生幅值非常大的瞬時載荷。一方面，砰擊產生的瞬時動態載荷會對船體局部強度造成很大的損壞；另一方面，砰擊產生巨大彎矩會引起船體的震蕩， 造成船體總縱強度的下降[2]。有資料顯示，水動力砰擊載荷對常規船體結構的破壞約占總破壞量的10%[3]。

隨著軍艦向高速化、深海化發展，砰擊對軍艦的影響也越來越嚴重，砰擊產生的巨大載荷不僅會影響軍船上各種靈敏設備的正常工作，更為嚴重還會損壞各種艦載武器設備，造成戰斗力的下降[4]。對于高速航行的M 艇，波浪的砰擊對其的損壞更為嚴重。與常規單體船不同，M 艇由于連接橋的存在，在波浪中航行時除了遭受縱向波浪載荷外，連接橋還遭受橫向波浪載荷（橫向彎矩、縱搖有關扭矩、對開剪切力、橫向對開力和水平扭矩）的作用。側片體與主船體之間要受到流體的相互作用，加之一個片體受到的流體作用力將通過連接橋傳到主船體，從而對整個船體在波浪中的運動和遭受的載荷產生作用，導致了在波浪中異于常規單體船的響應[5-7]。

本文通過對1 艘高速M 型艇型線的模擬，設計制作出該M 型艇玻璃鋼模型，并應用該模型在拖曳水池中進行了高航速砰擊測試試驗。通過對試驗現象和數據的分析，研究該M 型艇的不同工況下重心處的垂向加速度與船底砰擊壓力大小及分布規律，并將規則波工況的加速度與砰擊壓力計算結果與規范值進行對比，驗證波長對加速度與砰擊壓力的影響大小，為后續結構修正以及設備安裝提供支持。

1 高速M 型艇砰擊測試模型

1.1 相似理論

在M 型艇的砰擊試驗中，要測量重心處的垂向加速度與船底的砰擊壓力，需盡可能反映實船在海上砰擊載荷作用下的響應本質和特征，故須同時滿足船模與實船之間幾何相似、運動相似、動力相似[8]。

M 型艇的流體重力相似，按照常規的的耐波性試驗要求，包括以下3 個方面：

1）按照拖曳水池的造波條件以及拖車航速，選定合適的船模縮尺比。為保證船模與實船的幾何相似，船模的結構外形應與實船保持一致。水池造波要素（波長與波高）與船模的拖曳航速亦按縮尺比選定，保證船模與實船運動相似[9]。

2）由于高速M 型艇在波浪中航行時，慣性力起主導作用，取弗勞德數相等，保證以重力為主要作用的流體動力相似。

1.2 砰擊試驗模型

根據拖曳水池的造波條件以及拖車航速，同時避免池壁效應，選取模型縮尺比λ=1:5。根據實船型線以及縮尺比，建立M 型艇三維模型，如圖1（a）所示。考慮船模重量選取玻璃鋼作為材料，加工制作出M 型艇試驗模型如圖1（b）所示。試驗模型的船長為2.349 m，船寬為0.847 m，吃水為0.147 m。

為保證高速M 型艇試驗模型在試驗過程中只有縱搖與垂蕩2 個自由度，設計如圖2 所示的試驗模型安裝裝置。通過與導航桿配合的導航架限制試驗模型的橫蕩、橫搖、首搖；通過有一定彈簧預緊力的彈簧連接環限制試驗模型的縱蕩，依靠上述裝置保證縮比模型在試驗過程中只有縱搖和垂蕩2 種運動。

圖 1 M 型艇模型船Fig.1 Test model of M-boat

圖 2 試驗模型安裝裝置Fig.2 Test mounting device of model

1.3 測點分布及試驗工況

在高速M 型艇的重心位置布置一個加速度傳感器，以船尾0 站為原點，重心坐標為（846，0，158），以mm 計。加速度測點位置如圖3 所示。

圖 3 加速度測點布置位置Fig.3 Location of acceleration monitoring point

為測試M 型艇在高速航行過程中船底的砰擊壓力的大小及分布規律，在高速M 型艇船底面布置11 個壓力測點，如圖4 所示。為保證模型船的強度，主船體對稱位置只布置一個壓力測點，測點位置坐標如表1所示。

圖 4 砰擊壓力測點分布示意圖Fig.4 Coordinates of slamming pressure monitoring points

為研究M 型艇實船以不同航速在惡劣海況中頂浪航行時，船底面受到的砰擊壓力大小及分布規律，選取如表2 所示的實船規則波工況與表3 所示的不規則波工況，以模擬M 型艇航行時的真實海況。

表4 與表5 給出的是通過縮尺比換算得到M 艇試驗模型船的試驗工況。

表 1 砰擊壓力測點坐標Tab.1 Coordinates of slamming pressure

表 2 實船規則波工況Tab.2 Regular wave conditions of unmanned ship

表 3 實船不規則波工況Tab.3 Irregular wave conditions of unmanned ship

1.4 遭遇頻率計算

根據經驗公式計算的周期

表 4 M 型艇模型規則波試驗工況Tab.4 Regular wave condition of test model

表 5 M 型艇模型不規則波試驗工況Tab.5 Irregular wave conditions of test model

遭遇頻率

其中λ 為試驗波長；v 為試驗航速。

計算各工況砰擊過程中對應的遭遇頻率計算結果如表6 所示。

2 規則波測試結果分析

由于造波機功率等因素的影響，實際試驗中波浪的波高很難達到試驗工況的設定值，按照行業規范，要求實際試驗波高誤差小于10%。圖5 給出工況8 中造波機所造波浪的波浪曲線。工況8 中波浪的實際波長為5 635 mm，波高為83.407 5 mm，與設定的90 mm波高誤差為7.8%。

圖6 為M 型艇砰擊前與砰擊時姿勢圖，由圖可以看出在工況8 中M 型艇中部受到的砰擊較大。

表 6 各工況砰擊過程中的遭遇頻率Tab.6 Encounter frequency during slamming process at various conditions

圖 5 工況8 的波浪圖Fig.5 Evolution of wave in condition 8

圖 6 砰擊過程M 型艇姿勢圖Fig.6 Typical posture of M-boat during slamming

2.1 加速度測試結果分析

通過遭遇頻率的計算結果，用FIR 濾波器將每個工況下大于10 倍遭遇頻率的噪聲濾除，得到本次試驗的加速度與砰擊壓力結果。圖7 給出的是工況8 重心處垂向加速度的時域曲線與經過傅里葉變換的頻譜圖。可以看出M 型艇模型船在頂浪航行時，受到的砰擊能量主要集中小于20 Hz 的低頻段。

圖 7 工況8 中重心處的加速度的時域曲線與頻域圖像Fig.7 Evolution of acceleration at center of gravity and corresponding spectrograph in condition 8

分析各工況重心處的加速度時程曲線，得到每個工況下的最大垂向加速度amax。將加速度時程曲線中所有大于amax/3 的垂向加速度極值求均值得到加速度有效值（三一值）aeff，計算得所有規則波工況下的加速度測量結果如表7 所示[11]。根據縮比公式，實船重心處的加速度與模型重心處的加速度相同，故實船加速度的最大值與有效值可參見表7。

表 7 規則波重心處加速度測量結果Tab.7 Acceleration test results at the center of gravity under all regular wave condition

圖8 給出的是當航速波高相同時，重心處的加速度隨航速的變化曲線。可以看出隨波長的增加，重心處的加速度呈先增大后減小的趨勢。

2.2 砰擊壓力測試結果分析

砰擊壓力測試結果是隨時間的脈沖響應曲線。圖9給出的是工況8 中測點5 處的砰擊壓力隨時間的變化曲線。可以看出測點5 處受到嚴重的砰擊作用，這會使船體的極限載重能力喪失，危及船舶安全。

分析砰擊壓力測試結果，得到每個工況下每個測點的最大砰擊壓力Pmax，將曲線中所有大于Pmax/3 的砰擊壓力的極值求均值得到有效砰擊壓力（三一值）Peff。其中工況8 與工況13 中各測點的Pmax與Peff如圖10所示。

圖 8 重心處的加速度隨波長的變化曲線Fig.8 Maximum acceleration for various wave length

圖 9 工況8 中測點5 處砰擊壓力Fig.9 Slamming pressure evolution of point P5 in condition 8

圖 10 工況8 與工況13 中各測點砰擊壓力Fig.10 Maximum slamming pressure at each pressure monitoring point in condition 8 and 13

圖10 （a）為工況8，即航速為8.04 m/s，波長為5 635 mm，波高為90 mm 時各測點的Pmax與Peff大小及分布規律。可知在工況8 中，船中附近的砰擊壓力大于兩側的砰擊壓力，在測點A5處砰擊壓力取最大值。

圖10（b）為工況13，即航速為10.34 m/s、波長為5 635 mm、波高為44.5 mm 時各測點的Pmax與Peff大小及分布規律。可知在工況13 中，船中附近的砰擊壓力同樣大于兩側的砰擊壓力，但砰擊壓力的最大值在A2處。

選取測點A2，A5，A7，A9，A11，研究有效砰擊壓力沿船長方向的變化規律，各工況有效砰擊壓力沿船長變化曲線如圖11 所示。航速小于10.34 m/s，即中低航速時，如圖11（a）所示，從船尾到船首沿船長方向有效砰擊壓力呈先減小后增大，再減小的趨勢，且船體中部受到的有效砰擊壓力最大；而當航速為10.34 m/s，即高航速時，如圖11（b）所示，從船尾到船首沿沿船長方向有效砰擊壓力呈先增大后減小，再增大的趨勢，船艏受到的有效砰擊壓力最大。

圖 11 有效砰擊壓力沿船長變化圖Fig.11 Effective slamming pressure at different the ship length

3 不規則波測試結果分析

計算不規則波的平均周期如表8 所示。

分析不規則波測試結果，得到每個工況下的最大垂向加速度amax與最大砰擊壓力Pmax，經計算得到每個工況下加速度有效值與有效砰擊壓力，通過縮尺比換算得到實船不規則波工況下的加速度有效值與有效砰擊壓力，如表9 所示。

結合不規則波工況參數可知，航速越大，有義波高越高，重心處加速度的有效值與有效砰擊壓力越大。

圖12 給出的是不規則波工況1～工況8 中砰擊壓力沿船長變化曲線。除個別工況，從船尾到船首沿船長方向砰擊壓力呈先減小再增大的趨勢，且在測點A2處砰擊壓力取最大值。

表 8 不規則波砰擊過程中的平均周期Tab.8 The average period of the irregular wave

表 9 不規則波工況的加速度有效值與有效砰擊壓力Tab.9 Effective value of acceleration and slamming pressure in irregular wave condition

圖 12 不規則波工況1～8 中砰擊壓力沿船長變化圖Fig.12 Maximum slamming pressure at different the ship length in irregular wave conditions 1-8

4 結 語

通過M 艇的砰擊測試試驗，得到規則波工況與不規則波工況下重心處的垂向加速度與船底的砰擊壓力，分析了不同工況的垂向加速度與船底的砰擊壓力變化規律。結果表明：1）在規則波工況下重心處垂向加速度的有效值均小于2 g，且隨波長的增加，垂向加速度的有效值呈先增大后減小的趨勢。2）船體受到砰擊載荷時，船中的砰擊壓力大于兩側的砰擊壓力，在中低航速時，從船尾到船首沿船長方向有效砰擊壓力呈先減小后增大，再減小的趨勢，且船體中部受到的有效砰擊壓力最大。而在高航速時，從船尾到船首沿船長方向有效砰擊壓力呈先增大后減小，再增大的趨勢，船首受到的有效砰擊壓力最大。3）對于不規則波工況，船舶的航速越大，有義波高越高，重心處加速度的有效值與有效砰擊壓力越大。從船尾到船首沿船長方向砰擊壓力呈先減小再增大的趨勢，且船首部的砰擊壓力最大。