高速M 型艇砰击载荷的模型试验研究

张 琳，周维星，陈三桂，张 涛

(1.华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引 言

砰击是船体与波浪相互作用而产生的一种瞬时高度非线性的动态现象[1]。在恶劣的海况中，砰击现象经常发生。砰击现象发生时会产生幅值非常大的瞬时载荷。一方面，砰击产生的瞬时动态载荷会对船体局部强度造成很大的损坏；另一方面，砰击产生巨大弯矩会引起船体的震荡， 造成船体总纵强度的下降[2]。有资料显示，水动力砰击载荷对常规船体结构的破坏约占总破坏量的10%[3]。

随着军舰向高速化、深海化发展，砰击对军舰的影响也越来越严重，砰击产生的巨大载荷不仅会影响军船上各种灵敏设备的正常工作，更为严重还会损坏各种舰载武器设备，造成战斗力的下降[4]。对于高速航行的M 艇，波浪的砰击对其的损坏更为严重。与常规单体船不同，M 艇由于连接桥的存在，在波浪中航行时除了遭受纵向波浪载荷外，连接桥还遭受横向波浪载荷（横向弯矩、纵摇有关扭矩、对开剪切力、横向对开力和水平扭矩）的作用。侧片体与主船体之间要受到流体的相互作用，加之一个片体受到的流体作用力将通过连接桥传到主船体，从而对整个船体在波浪中的运动和遭受的载荷产生作用，导致了在波浪中异于常规单体船的响应[5-7]。

本文通过对1 艘高速M 型艇型线的模拟，设计制作出该M 型艇玻璃钢模型，并应用该模型在拖曳水池中进行了高航速砰击测试试验。通过对试验现象和数据的分析，研究该M 型艇的不同工况下重心处的垂向加速度与船底砰击压力大小及分布规律，并将规则波工况的加速度与砰击压力计算结果与规范值进行对比，验证波长对加速度与砰击压力的影响大小，为后续结构修正以及设备安装提供支持。

1 高速M 型艇砰击测试模型

1.1 相似理论

在M 型艇的砰击试验中，要测量重心处的垂向加速度与船底的砰击压力，需尽可能反映实船在海上砰击载荷作用下的响应本质和特征，故须同时满足船模与实船之间几何相似、运动相似、动力相似[8]。

M 型艇的流体重力相似，按照常规的的耐波性试验要求，包括以下3 个方面：

1）按照拖曳水池的造波条件以及拖车航速，选定合适的船模缩尺比。为保证船模与实船的几何相似，船模的结构外形应与实船保持一致。水池造波要素（波长与波高）与船模的拖曳航速亦按缩尺比选定，保证船模与实船运动相似[9]。

2）由于高速M 型艇在波浪中航行时，惯性力起主导作用，取弗劳德数相等，保证以重力为主要作用的流体动力相似。

1.2 砰击试验模型

根据拖曳水池的造波条件以及拖车航速，同时避免池壁效应，选取模型缩尺比λ=1:5。根据实船型线以及缩尺比，建立M 型艇三维模型，如图1（a）所示。考虑船模重量选取玻璃钢作为材料，加工制作出M 型艇试验模型如图1（b）所示。试验模型的船长为2.349 m，船宽为0.847 m，吃水为0.147 m。

为保证高速M 型艇试验模型在试验过程中只有纵摇与垂荡2 个自由度，设计如图2 所示的试验模型安装装置。通过与导航杆配合的导航架限制试验模型的横荡、横摇、首摇；通过有一定弹簧预紧力的弹簧连接环限制试验模型的纵荡，依靠上述装置保证缩比模型在试验过程中只有纵摇和垂荡2 种运动。

图 1 M 型艇模型船Fig.1 Test model of M-boat

图 2 试验模型安装装置Fig.2 Test mounting device of model

1.3 测点分布及试验工况

在高速M 型艇的重心位置布置一个加速度传感器，以船尾0 站为原点，重心坐标为（846，0，158），以mm 计。加速度测点位置如图3 所示。

图 3 加速度测点布置位置Fig.3 Location of acceleration monitoring point

为测试M 型艇在高速航行过程中船底的砰击压力的大小及分布规律，在高速M 型艇船底面布置11 个压力测点，如图4 所示。为保证模型船的强度，主船体对称位置只布置一个压力测点，测点位置坐标如表1所示。

图 4 砰击压力测点分布示意图Fig.4 Coordinates of slamming pressure monitoring points

为研究M 型艇实船以不同航速在恶劣海况中顶浪航行时，船底面受到的砰击压力大小及分布规律，选取如表2 所示的实船规则波工况与表3 所示的不规则波工况，以模拟M 型艇航行时的真实海况。

表4 与表5 给出的是通过缩尺比换算得到M 艇试验模型船的试验工况。

表 1 砰击压力测点坐标Tab.1 Coordinates of slamming pressure

表 2 实船规则波工况Tab.2 Regular wave conditions of unmanned ship

表 3 实船不规则波工况Tab.3 Irregular wave conditions of unmanned ship

1.4 遭遇频率计算

根据经验公式计算的周期

表 4 M 型艇模型规则波试验工况Tab.4 Regular wave condition of test model

表 5 M 型艇模型不规则波试验工况Tab.5 Irregular wave conditions of test model

遭遇频率

其中λ 为试验波长；v 为试验航速。

计算各工况砰击过程中对应的遭遇频率计算结果如表6 所示。

2 规则波测试结果分析

由于造波机功率等因素的影响，实际试验中波浪的波高很难达到试验工况的设定值，按照行业规范，要求实际试验波高误差小于10%。图5 给出工况8 中造波机所造波浪的波浪曲线。工况8 中波浪的实际波长为5 635 mm，波高为83.407 5 mm，与设定的90 mm波高误差为7.8%。

图6 为M 型艇砰击前与砰击时姿势图，由图可以看出在工况8 中M 型艇中部受到的砰击较大。

表 6 各工况砰击过程中的遭遇频率Tab.6 Encounter frequency during slamming process at various conditions

图 5 工况8 的波浪图Fig.5 Evolution of wave in condition 8

图 6 砰击过程M 型艇姿势图Fig.6 Typical posture of M-boat during slamming

2.1 加速度测试结果分析

通过遭遇频率的计算结果，用FIR 滤波器将每个工况下大于10 倍遭遇频率的噪声滤除，得到本次试验的加速度与砰击压力结果。图7 给出的是工况8 重心处垂向加速度的时域曲线与经过傅里叶变换的频谱图。可以看出M 型艇模型船在顶浪航行时，受到的砰击能量主要集中小于20 Hz 的低频段。

图 7 工况8 中重心处的加速度的时域曲线与频域图像Fig.7 Evolution of acceleration at center of gravity and corresponding spectrograph in condition 8

分析各工况重心处的加速度时程曲线，得到每个工况下的最大垂向加速度amax。将加速度时程曲线中所有大于amax/3 的垂向加速度极值求均值得到加速度有效值（三一值）aeff，计算得所有规则波工况下的加速度测量结果如表7 所示[11]。根据缩比公式，实船重心处的加速度与模型重心处的加速度相同，故实船加速度的最大值与有效值可参见表7。

表 7 规则波重心处加速度测量结果Tab.7 Acceleration test results at the center of gravity under all regular wave condition

图8 给出的是当航速波高相同时，重心处的加速度随航速的变化曲线。可以看出随波长的增加，重心处的加速度呈先增大后减小的趋势。

2.2 砰击压力测试结果分析

砰击压力测试结果是随时间的脉冲响应曲线。图9给出的是工况8 中测点5 处的砰击压力随时间的变化曲线。可以看出测点5 处受到严重的砰击作用，这会使船体的极限载重能力丧失，危及船舶安全。

分析砰击压力测试结果，得到每个工况下每个测点的最大砰击压力Pmax，将曲线中所有大于Pmax/3 的砰击压力的极值求均值得到有效砰击压力（三一值）Peff。其中工况8 与工况13 中各测点的Pmax与Peff如图10所示。

图 8 重心处的加速度随波长的变化曲线Fig.8 Maximum acceleration for various wave length

图 9 工况8 中测点5 处砰击压力Fig.9 Slamming pressure evolution of point P5 in condition 8

图 10 工况8 与工况13 中各测点砰击压力Fig.10 Maximum slamming pressure at each pressure monitoring point in condition 8 and 13

图10 （a）为工况8，即航速为8.04 m/s，波长为5 635 mm，波高为90 mm 时各测点的Pmax与Peff大小及分布规律。可知在工况8 中，船中附近的砰击压力大于两侧的砰击压力，在测点A5处砰击压力取最大值。

图10（b）为工况13，即航速为10.34 m/s、波长为5 635 mm、波高为44.5 mm 时各测点的Pmax与Peff大小及分布规律。可知在工况13 中，船中附近的砰击压力同样大于两侧的砰击压力，但砰击压力的最大值在A2处。

选取测点A2，A5，A7，A9，A11，研究有效砰击压力沿船长方向的变化规律，各工况有效砰击压力沿船长变化曲线如图11 所示。航速小于10.34 m/s，即中低航速时，如图11（a）所示，从船尾到船首沿船长方向有效砰击压力呈先减小后增大，再减小的趋势，且船体中部受到的有效砰击压力最大；而当航速为10.34 m/s，即高航速时，如图11（b）所示，从船尾到船首沿沿船长方向有效砰击压力呈先增大后减小，再增大的趋势，船艏受到的有效砰击压力最大。

图 11 有效砰击压力沿船长变化图Fig.11 Effective slamming pressure at different the ship length

3 不规则波测试结果分析

计算不规则波的平均周期如表8 所示。

分析不规则波测试结果，得到每个工况下的最大垂向加速度amax与最大砰击压力Pmax，经计算得到每个工况下加速度有效值与有效砰击压力，通过缩尺比换算得到实船不规则波工况下的加速度有效值与有效砰击压力，如表9 所示。

结合不规则波工况参数可知，航速越大，有义波高越高，重心处加速度的有效值与有效砰击压力越大。

图12 给出的是不规则波工况1～工况8 中砰击压力沿船长变化曲线。除个别工况，从船尾到船首沿船长方向砰击压力呈先减小再增大的趋势，且在测点A2处砰击压力取最大值。

表 8 不规则波砰击过程中的平均周期Tab.8 The average period of the irregular wave

表 9 不规则波工况的加速度有效值与有效砰击压力Tab.9 Effective value of acceleration and slamming pressure in irregular wave condition

图 12 不规则波工况1～8 中砰击压力沿船长变化图Fig.12 Maximum slamming pressure at different the ship length in irregular wave conditions 1-8

4 结 语

通过M 艇的砰击测试试验，得到规则波工况与不规则波工况下重心处的垂向加速度与船底的砰击压力，分析了不同工况的垂向加速度与船底的砰击压力变化规律。结果表明：1）在规则波工况下重心处垂向加速度的有效值均小于2 g，且随波长的增加，垂向加速度的有效值呈先增大后减小的趋势。2）船体受到砰击载荷时，船中的砰击压力大于两侧的砰击压力，在中低航速时，从船尾到船首沿船长方向有效砰击压力呈先减小后增大，再减小的趋势，且船体中部受到的有效砰击压力最大。而在高航速时，从船尾到船首沿船长方向有效砰击压力呈先增大后减小，再增大的趋势，船首受到的有效砰击压力最大。3）对于不规则波工况，船舶的航速越大，有义波高越高，重心处加速度的有效值与有效砰击压力越大。从船尾到船首沿船长方向砰击压力呈先减小再增大的趋势，且船首部的砰击压力最大。