海洋结构物砰击速度分析综述

刘明，王刚，左卫广

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

海洋结构物砰击速度分析综述

刘明1，王刚1，左卫广2

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

基于砰击问题的速度理论，首先对刚性楔形体，水平圆柱以及平板结构的砰击速度理论进行了分析综述，其次以刚性体砰击速度为依据，对弹性体的砰击速度进行了综述，最后对平板结构弹性体的速度理论进行了讨论，并给出了相关结论。

入水砰击；波浪砰击；砰击速度；水弹性；综述

0 引言

21世纪是海洋的世纪，海洋经济、海洋开发与海洋军民装备的发展需求将给海洋技术的进步以前所未有的巨大动力。能源需求与海上资源的不断发现，海洋资源有效合理的利用，使得世界各国开始重视起海洋资源开发，与之相应的发展了不同水深的各式海洋结构物，如高桩码头、海洋钻井采油平台、海上栈桥、开敞式码头、海上高速公路桥[1]。

海洋结构物或结构物元件与流体之间发生的冲撞现象称为砰击，也称冲击，涉及到气体、液体和固体三种介质的耦合作用。大多海洋结构物一般处于无掩护条件下或长期在某一海域进行定点作业，其上部结构的底部直接遭受海上千变万化的风浪侵袭，常常发生砰击现象，严重威胁到海洋结构物的安全运营和生存[1]。严重的砰击可能使得海洋结构物遭受巨大的流体作用力而出现严重变形或失效，或将造成巨大的人员伤亡和严重的经济损失。

根据海洋结构物砰击方式不同，一般可分为入水砰击（如空投鱼雷入水、海上救生艇抛落、水上飞机降落着水等）、波浪砰击（如海洋平台、海上栈桥、高桩码头和开敞式码头等的面板及结构构件）和入水与波浪的混合砰击（主要有船舶首尾和底部砰击）3种类型；根据结构物的尺度和形状不同，砰击一般可以分为小尺度圆柱体砰击、大尺度楔形体砰击和大尺度水平板砰击3种类型。根据砰击的研究方法不同，一般可以分为理论研究、经验公式研究、数值模拟和模型实验研究4种类型[2]，本文主要对砰击速度理论进行了分析与综述，关于其他3个方面的研究可参阅任冰[3]等人的研究成果。

以往的砰击研究和工程实践表明，当海洋结构物净空（海洋结构物底面距静水面的距离）不足时，极强的波浪冲击荷载不是造成结构体损坏的直接原因，而结构体的弹性变形或振动引起的微裂纹经过长时间的积累才是造成混凝土和钢结构损坏的主要原因[1]。

目前对于弹性结构体的砰击问题国内外的研究尚无较大进展，且国内相关文献依然有限。因此为了能够深入理解平板结构的砰击机理；能够分析刚性体与弹性体之间砰击速度的变化规律；能够充分了解砰击速度与海洋结构物水弹性效应之间的关系；文中通过砰击理论对刚性体与弹性体之间的速度变化规律进行了分析综述，并给出了相关结论。

1 刚性体砰击理论

最早有关砰击的理论研究可追朔至1929年，Von-Karman[4]将水上飞机降落过程理想化为二维刚性楔形体的垂直对称入水过程，并对水上飞机着水降落过程中受到的砰击载荷进行了研究，据此拉开了人类对海洋结构物砰击问题研究的序幕。海洋结构物砰击问题的理论研究主要有动量理论、势流理论和可压缩性理论。一般砰击问题按结构物的尺寸与形状可分为3种砰击理论：大尺度楔形体入水砰击、小尺度水平圆柱波浪砰击与大尺度水平板波浪砰击。

1.1 大尺度楔形体入水砰击理论

Von-Karman[4]利用经典的牛顿力学思想，将流固之间的相互作用转化成固体之间的作用，通过动量理论得到了Von-Karman砰击理论，其附加质量如图1所示。

图1 楔形体入水砰击Fig.1 Water entry slamming of wedge body

Wagner[5]在Von-Karman线性砰击理论的基础上，考虑自由表面处存在水面隆起的效应，通过势流理论得到了经典的Wagner砰击理论，其附加质量见图1。

两个理论中砰击荷载与入水速度的平方成正比，均可以描述为：

式中：F为楔形体的入水砰击力；m为楔形体的附加质量；V为楔形体入水后某时刻的下降速度。

1.2 小尺度水平圆柱波浪砰击理论

波浪砰击作用的研究始于上个世纪60年代，详见图2，关于小尺度水平圆柱的波浪砰击问题，主要是采用半理论半经验的方法，将水平圆柱波浪砰击力的表达式简化为：

式中：FS为水平圆柱波浪砰击力；U为波浪流体质点的砰击速度；D为水平圆柱的直径；L为水平圆柱的长度；CS为波浪砰击系数，主要通过试验来确定，其理论值为π。目前国内外学者确定的CS值比较分散，从1.0到7.79不等[6]。由于最大冲击系数CS的离散程度很大，因此在实际工程中的运用还存在着很大的限制。

图2 水平圆柱体的波浪砰击Fig.2 Wave slamming ofhorizontalcylinder body

1.3 大尺度水平板波浪砰击理论

Tanimoto[7]基于Von-Karman砰击理论[4]对大尺度水平板底面波浪冲击压力进行了理论研究：

式中：Pi（x，t）为砰击压力；Vn为流体质点的垂向速度；K（x，t）为与冲击切向角有关的无因次函数。

Broughton[8]基于Von-Karman[4]砰击理论对大尺度水平板波浪冲击力进行了理论研究：式中：FH为水平方向的波浪力；c为波速（Stokes五阶波理论）；u为波浪表面水质点的水平速度；FV为垂直方向的波浪力；AH为水平方向的有效面积；AV为垂直方向的有效面积。

Suchithra[9]基于Kaplan[10]小尺度水平圆柱的冲击理论对大尺度水平板底面的波浪冲击力进行了理论研究，详见图3。

式中：FS为水平板底面垂向波浪冲击力；CS为砰击系数；A为接触面积；V为流体质点的垂向速度。

图3 水平板的波浪砰击Fig.3 Wave slamming ofhorizontalplate

2 弹性体砰击理论

以往对砰击问题的研究，大多数是把海洋结构物视为刚体，没有考虑到结构刚度对砰击的影响，忽略了结构振动或变形对砰击载荷的影响。而实际砰击过程中结构会产生变形，变形反过来会影响流体的运动，更准确合理的做法需要同步模拟流体和结构的耦合作用[6]。考虑结构弹性效应的砰击问题，目前已有的研究成果多集中在船舶工程领域。

目前对水弹性（水动力流固耦合）砰击问题的解决还不成熟，但仍然是水动力领域的一个研究热点，国际船模拖曳水池会议（ITTC）第25届会议报告中把砰击和液体晃荡等流固耦合问题列为当前水动力研究中的一个重点方向。国际水波与浮体研讨会（IWWWFB）中关于砰击和结构水弹性问题的研究更是占有相当的比例[1]。由此可见当前学术领域对该问题的重视。

2.1 楔形体

Faltisen[11]基于Wagner[5]入水砰击理论的基础，对楔形体左右为正交异性板的水动力问题进行了理论研究，详见图4，弹性楔形体砰击速度描述为：式中：VWS为楔形体的砰击速度；V为楔形体的垂向入水速度；为湿表面的挠曲速度。

图4 弹性楔形体入水砰击Fig.4 Water entry slamming of elastic wedge body

卢炽华[12]通过势流理论对弹性楔形体的入水过程进行了分析，将弹性楔形体的速度描述为：

式中：φ为流体速度势；V为弹性楔形体的入水速度；n为流体法向单位矢量，指向流体域外为正；w˙为弹性结构的振动速度，其方向与n相反。

2.2 水平圆柱

Isaacson[13]对水平圆柱波浪砰击过程中的动力响应问题进行了研究，详见图5，将圆柱体的速度描述为：

式中：VW为波浪的砰击速度；r˙为圆柱体的振动速度。

图5 弹性支撑水平圆柱波浪砰击Fig.5 Wave slamming of cylinder with elastic brace

孙辉[14]通过平板理论对二维水平圆柱壳体的入水冲击问题进行了研究，将壳体速度描述为：

式中：V0为圆柱壳体的入水速度；u为圆柱壳体的挠曲变形速度。

2.3 水平板

Bereznitski[15]对水弹性冲击问题进行了理论分析，将平板类弹性体的砰击速度描述为：

式中：Vrb为刚体速度；Vstr为弹性体的变形速度。

高群涛[16]对弹性平底结构的入水砰击问题进行了研究，见图6，将弹性体的砰击速度描述为：

式中：V0为板入水速度；为板的平均变形速度。

图6 弹性平板结构入水砰击Fig.6 Water entry slamming offlexible plate

3 砰击速度分析

从弹性体的砰击理论中不难发现，弹性体砰击速度均表现为一个接触面（结构湿表面）的相对速度，其包含两部分速度。因此，波浪砰击弹性支撑水平板（见图7）时速度（当仅有竖向冲击作用时）可以描述为：

式中：VV为水平板底面波浪砰击的竖向速度；z˙为弹性支撑水平板的竖向振动速度。

图7 弹性支撑水平板波浪砰击Fig.7 Wave slamming of plate with elastic support

弹性平板结构入水砰击问题的研究表明：弹性体的砰击压力明显减小。庄生仑[17]认为弹性体砰击力包括两部分，一是砰击过程中保持刚性体部分的刚体砰击力，二是弹性体震荡表面与周围流体之间的相互作用力，而后者与冲击面的运动方向相反，故降低了刚性体的砰击力。Faltisen[18]同样认为弹性体的振动速度削弱了保持刚性体砰击的初始速度，所以弹性体的砰击荷载减小。

根据刚性体理论可知，砰击荷载与砰击速度的平方成正比；根据弹性体砰击理论可知，砰击速度包含两部分。因此，弹性体砰击荷载可以描述为：

式中：Vr为刚性体速度；Ve为弹性体速度。

从式（14）中可以看出，弹性体砰击荷载由3部分组成，一是保持刚性体的砰击荷载部分，二是保持弹性体的砰击荷载部分，三是弹性体与刚性体相互作用的砰击荷载部分。

4 结语

基于砰击速度对平板结构砰击问题进行了综述，通过对刚性体与弹性体砰击速度的对比分析，得到了弹性体砰击荷载与速度之间的关系，同时也得到了刚性体与弹性体砰击问题的相关结论。

1）海洋结构物砰击方式不同，但砰击机理相同。刚性体砰击荷载与砰击速度的二次方成正比。

2）海洋结构物刚度不同，砰击速度不同。弹性体砰击速度为相对速度，由刚性和弹性两部分速度组成。

3）海洋结构物刚度不同，砰击荷载不同。弹性体的砰击荷载较刚性体的砰击荷载小。

4）海洋结构物刚度不同，荷载组成不同。弹性体的砰击荷载由刚性体、弹性体以及弹性体与刚性体相互作用3部分组成。

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Review on slamming velocity of offshore structures

LIU Ming1,WANG Gang1,ZUO Wei-guang2
（1.CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.North China University ofWater Resources and Electric Power,Zhengzhou,Henan 450045,China）

Based on the speed theory of slamming problem,we analyzed and reviewed the slamming speed theory of rigid wedge,horizontal cylinder and plate construction,and reviewed the slamming speed of elastic body according to the slamming speed ofrigid body.We discussed the speed theory ofelastic plate construction and gave the relevantconclusions.

water-entry impact;wave impact;impact velocity;hydroelasticity;review

U652；TV139.2

A

2095-7874（2017）02-0021-04

10.7640/zggwjs201702004

2016-08-26

2016-11-10

刘明（1984— ），男，陕西富平人，工程师，主要从事工程技术管理、波浪与建筑物相互作用的研究。E-mail：Laumen@126.com