减摇水舱性能晃荡平台试验研究

裴 斐， 林 焰

( 大连理工大学 船舶工程学院, 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

深海钻井船因为要携带大量设备，船上可以用来安装减摇水舱的空间十分有限，需要对这一尺寸受到严格限制的水舱进行试验测试．水舱试验常见方式为台架试验，赖志昌等[1-4]建立了摇摆试验台，能够模拟减摇水舱对船舶的减摇作用，并开展试验验证晃荡平台方法可行性的研究．曲家文等[5-6]在摇摆试验台上开展了U型减摇水舱参数变化的研究，指出水舱相对横摇中心的位置对横摇效果有明显影响，而液位影响很小．吴建林等[7]对减摇水舱开展了自由衰减试验和强迫振动试验，通过这两种试验能够快速获得减摇水舱的基本性能．肖丽娜等[8-10]对槽型减摇水舱进行了研究，指出槽型舱格栅对于水舱性能有着明显影响，可以通过调整格栅改善频率响应性能，而且液位能够有效调节槽型舱的性能以适应不同工况．Gawad等[11]指出，在减摇水舱设计时不仅要考虑减摇的阻尼作用，还要考虑水舱参数对舱内液体产生力矩相位的调整，通过对水舱设计参数的调整可以得到合理的相位性能．Alujevi等[12]研究了U型减摇水舱对船舶横摇的影响，分析了水舱与横摇运动对波浪激励的吸收与耗散．Subramanian等[13]使用遗传算法对水舱进行优化，研究若干主要参数对水舱性能的影响．Bernal-Colio等[14]开展了基于摇摆台的水舱试验，记录了不同水舱内部结构对水舱性能的影响，并在此基础上开展了数值计算研究，检验了若干计算模型的精度．

在已有研究的基础上，本文针对性地研究水舱内液体运动所产生的力矩，考量在各种水舱样式和激励情形下水舱内液体产生的力矩，进而评估减摇效果．

本研究应用六自由度晃荡平台，该平台可以提供变幅值、变频率的稳定横摇激励，并在多个晃荡研究中得到应用[15-17]．本研究分别对U型减摇水舱和槽型减摇水舱开展研究，对液位、通透率和激励幅值3个参数开展试验．通过分析减摇力矩幅值和相位信息，总结合理的设计参数，同时兼顾力矩幅值和相位的性能，为实船水舱设计提供参考．

1 试验概况

1.1 试验系统介绍

减摇水舱试验台架由控制系统、六自由度运动平台、水舱台架、水舱模型和数据采集系统组成，如图1所示．在控制系统输入运动参数，六自由度运动平台即可以按照要求做出指定的运动．水舱台架固定于六自由度运动平台之上，通过高度调整装置，可以调节水舱台架在六自由度运动平台上的摇摆半径．水舱模型固定于篮筐之中，篮筐通过缆索与水舱台架相连．如图2所示，F1、F2、F3、F4为拉力传感器，测量所在缆索的拉力．Fr所在的缆索提供向下的拉力，以使水舱模型受力平衡．L1和L2分别为F1和F2所测拉力对O点的力臂，L3为F3和F4所测拉力对O点的力臂．数据采集系统在同一时间刻度下记录拉力传感器和运动姿态．

图1 减摇水舱试验台架Fig.1 Anti-roll tank test platform

图2 试验测力原理图Fig.2 Load measurement schematic drawing

1.2 液体力矩的测出

整个测力系统对旋转中心O点求力矩：

MO=F1L1+F3L3-F2L2-F4L3

(1)

其中F1～F4为F1～F4传感器测得的拉力，L1=961 mm，L2=961 mm，L3=200 mm．

由于篮筐和减摇水舱模型随着舱内液体一起运动，因此MO由固体运动产生的力矩和液体运动产生的力矩两部分组成，即MO=Ms+Ml，其中Ms为固体运动产生的力矩，Ml为液体运动产生的力矩．

为了得到液体运动产生的力矩，首先在空舱时测出固体运动产生的Ms，然后在同样的运动过程中测量装有液体的力矩MO．在时历曲线上完成二者的相减：

Ml(t)=MO(t)-Ms(t)

(2)

根据力学相似原理，模型换算应符合集合相似、运动相似和动力相似，得到台架模型与实船的换算关系[18]．其中实船与台架模型的比例系数λ=20，各个尺度的换算关系详见表1．

表1 台架模型与实船的换算关系Tab.1 Conversion relation between platform model and actual ship

1.3 相位对减摇效果的影响

图3描述了波浪激励力矩与船舶运动以及减摇力矩之间相位p和幅值A的关系．船舶运动的相位落后波浪激励力矩1/4周期，当减摇力矩落后船舶运动1/4周期时，与波浪激励力矩相差1/2 周期，作用方向与波浪激励力矩时刻相反，减摇效果最好[1]．当减摇力矩与波浪激励力矩无相位差或者相位落后1/4周期时，对抵消波浪激励不做贡献．如果减摇力矩的相位落后船舶运动超过1/2 周期，将会产生增摇作用．

图3 减摇力矩与船舶运动的相角差Fig.3 Phase difference between anti-roll moment and ship motion

因此，减摇水舱如果想要取得好的效果，减摇力矩与船舶运动的相位应当尽可能接近1/4周期．

1.4 试验工况的设置

试验对象有U型舱和槽型舱，模型尺寸如图4所示．

每种水舱对应3个试验参数，分别为激励幅值、通透率和液位．

试验采用正弦激励，同一正弦幅值对应若干分布在频域范围内的频率．本试验采用挡板作为阻尼结构，3块宽度相同的挡板安装于水舱内的插槽，对水流形成阻碍，剩余的通过宽度与最大的通过宽度的比值为通透率．液位是指水舱处于水平静止状态时自由液面到舱底的距离．

U型舱和槽型舱对应的工况设置分别如表2和表3所示．

表2 U型舱工况设置Tab.2 Test cases of U-shape tank

表3 槽型舱工况设置Tab.3 Test cases of flume tank

2 自由衰减试验与结果

自由衰减试验旨在测出无激励情况下，试验舱内液体自由振荡的周期．

试验分为两步：(1)对试验舱进行激励，使舱内液体充分运动起来；(2)中断激励，让液体自由振荡，直至停止．

对激励过程进行分析，计算出衰减过程中液体振荡的平均周期．

由表4可知，U型舱在相同液位下，随着通透率逐渐增大，模型对应的振荡周期逐渐减小．

表4 U型舱自由衰减试验结果Tab.4 U-shape tank free decay test results

由表5可知，槽型舱在同一液位下，不同通透率对模型对应的振荡周期影响不大．但是相同通透率下，振荡周期对液位很敏感，其随着液位增大而明显变短．

表5 槽型舱自由衰减试验结果Tab.5 Flume tank free decay test results

由此可知，槽型舱的自由振荡周期对液位更加敏感，通透率影响较小．

3 减摇水舱试验结果

根据表2、3所制定的工况，对U型舱和槽型舱进行试验．

正弦运动激励产生液体力矩，力矩图像为三角函数曲线，力矩图像相位滞后于激励运动．三角函数曲线的幅值对应力矩结果，滞后的相位对应相位结果．

3.1 U型舱试验结果

在相同通透率下，模型减摇力矩M峰值所对应的激励频率f随着激励幅值的增大而减小．从图5(a)、(b)、(c)可以发现，随着激励幅值增大，尖峰向左移动．

(a) U型舱模型内壁尺寸

(a) 70%通透率

随着激励幅值的增大，舱内液体在同样的时间内运动的距离增大，阻尼因素的影响增大．随着阻尼增大，减摇力矩的峰值左移，对应的频率下降．

在图5(d)、(e)、(f)中，激励幅值不变，液位145 mm，不同的通透率对于峰值频率的影响十分明显．高通透率对应高的峰值频率．高的通透率也使得力矩的幅值显著增大．

定义各个曲线的峰值点对应的频率为峰值频率，各个工况对应的峰值频率和力矩大小如表6所示．

表6 U型舱试验的峰值频率和对应力矩Tab.6 Peak frequency and corresponding moment of U-shape tank test

图6为U型舱在不同激励幅值下的相位p结果．由图6可以观察到，通透率对于相位结果的影响非常大，能够显著改变相位在整个频域范围内的大小．100%通透率在相位上相较其他3种工况有明显的劣势．首先是在高效相位区间(45°～135°)频率范围小．其次是在1°和2°激励幅值的情况下会在0.4 Hz以上的区间产生增摇作用．通过增加阻尼板可以明显改善这一情况，有效缩小

增摇区间．减摇水舱在大激励幅值4°工况下会有更大的有效工作区间，但在高频处依然会有增摇现象．

综上所述，70%～85%通透率可以兼顾减摇的力矩和相位，同时有效缩小增摇区间．而且减摇水舱在大幅度的激励下会有更大的有效工作范围．

3.2 槽型舱试验结果

如图7(a)所示，不同通透率对槽型舱力矩幅值的影响包括幅值大小和峰值频率两部分．通透率会显著影响槽型舱减摇力矩的幅值，随着通透率下降，力矩的幅值也减小，这一点与U型舱相似．但对峰值频率的影响较小，各个工况对应的峰值频率并不会像图5中发生显著的变化．

(a) 1°激励幅值

(a) 变通透率下幅值

图7(b)中展示了激励幅值对于减摇力矩幅值大小和峰值频率的影响，减摇力矩的峰值随着激励幅值的增大而增大，峰值频率随着减摇水舱激励幅值增大而减小．这一现象可以看作是阻尼作用在大幅运动中影响增大．

由图7(c)可见，液位对于减摇力矩的影响十分显著．减摇力矩幅值随着液位升高而增大；峰值频率随着液位升高而增大，不同工况之间差异非常明显，而且65 mm液位并未出现对应的峰值频率．

由图7(d)可见，通透率对减摇力矩的相位也有明显的影响，1°激励幅值下55%通透率工况的有效频率范围要大于其余3种工况．在4°激励幅值下，通透率带来的影响更加显著．55%和70%通透率可以有效消除在高频可能出现的增摇现象．

由图7(e)可知，激励幅值也是影响减摇力矩相位的因素之一，在2°和4°工况中，处于有效相位区间的范围明显大于低幅值的情况．即槽型舱在较大幅值的激励下会有大的减摇频率范围．

由图7(f)可知，不同的液位也对减摇力矩的相位产生影响，中低液位的65 mm工况相位明显滞后于105 mm与145 mm的，由此可见较高液位有利于保持减摇力矩处于有效相位区间内．

综上所述，对槽型舱而言，145 mm液位、70%通透率和较大激励幅值有利于减摇水舱发挥减摇效果．对于小激励幅值的情形可以靠减小通透率和提升液位来增大减摇频率范围．

4 结 论

(1)液位同时也是水舱中液体质量的体现，适量的液体质量不仅可以增大减摇力矩，还能增大减摇水舱的有效工作频率范围．通透率可以从峰值频率和有效工作频率两方面来影响减摇力矩．可以调节通透率来获得更大的减摇力矩和更大的有效工作频率范围，在较大激励幅值的情况下，还可以避免增摇现象的出现．激励幅值不仅会对减摇力矩的幅值产生影响，更会在频域中影响峰值频率的位置和相位．

(2)由试验结果分析可以得出，液位、通透率和激励幅值都会对减摇水舱的工作产生明显影响．减摇水舱产生的减摇力矩在频域中的幅值和相位都会受到这3种因素的影响．减摇力矩在频域中的性能会随着激励幅值动态地改变，对减摇水舱性能的评估不能单纯基于固有频率，而要综合多种因素来考虑，开展对应的试验是一种有效且可靠的方法．

(3)对本文中的两种水舱而言，70%～85%通透率和145 mm液位能够保证水舱减摇力矩的幅值和相位都处于较好的工作区间．水舱在较大的激励幅值中性能表现更佳．

(4)本文的试验方法直接测量液体运动产生的力矩以及对应的自由表面图像，可为以后的数值模拟工作打下基础．