不同姿态下救生艇高空自由下落的动力学特性

张大朋，严 谨，赵博文

（1.广东海洋大学船舶与海运学院，广东 湛江 524088；2.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021）

0 引 言

海上结构物在入水过程中会受到很大的冲击载荷，严重影响结构内部的安全，因此对海上结构物入水问题进行研究具有重要意义。海上结构物入水是一个典型的非线性问题［1］。飞机迫降入水、空投鱼雷、救生艇抛落和航天飞行器水上回收等都是典型的结构物入水问题。结构物在入水过程中会面临人员安全、结构损伤破坏和器件失效等方面的诸多问题，因此研究结构物入水问题对于船舶和水下武器等结构物的强度设计而言具有重要意义。VON KARMAN［2］在研究结构物入水问题时，从理论层面推导了入水冲击载荷的计算公式。WANGER［3］考虑了入水过程中水面升高的情况，使理论解更接近真实情况。随着理论研究的不断深入，试验与数值模拟研究不断增多。CARCATERRA等［4］和YETTOU等［5］开展了楔形体入水试验，研究了结构物质量、入水角度和入水速度对结构表面压力的影响。近年来，国内外学者针对不同外形的结构物入水问题开展了大量试验和数值仿真工作［6-10］，内容涉及空投鱼雷、航行器回收和弹塑性结构入水等，但很少对救生艇高空自由下落入水问题进行研究。

作为一种典型的海上结构物，救生艇是船上最主要的救生工具，是船上人员用于自救或援救其他海上遇险人员的专用救生工具。救生艇从船上降落到水面上一般有自由下落、抛落、用吊艇架释放和用模拟装置释放等多种形式［11-13］。与其他形式相比，自由下落耗时较短，通常在情况比较危急时采用。有必要对这种紧急情况下的救生艇下落过程进行仿真分析。

1 救生艇高空自由下落计算模型的建立

1.1 救生艇几何模型

1.1.1 救生艇的几何参数

本文的计算模型为一艘长度接近8 m的刚性充气救生艇，其在水线以下的外形为典型的楔形，舭部横向斜升角为22°。该救生艇的三维模型图和中横剖面图分别见图1和图2，主尺度参数见表1。

图1 救生艇的三维模型图

图2 救生艇的中横剖面图

表1 救生艇的主尺度参数

1.1.2 计算区域

计算区域的固定坐标系原点为船尾垂线与中纵剖面基线的交点，x轴指向船首为正，y轴指向左舷为正，z轴垂直向上为正。艇体在距离水面h=15 m的高度处自由下落。背景区域大小：长度方向的边界距离艇首和艇尾分别约为2.5倍艇长；宽度方向的边界距离救生艇两舷侧约2倍艇长；顶部边界距离甲板为下落高度h；底部边界距离船底为2h。

1.2 救生艇几何模型的网格划分

当结构物落入水中时，在入水前期会激起自由液面（水介质）的剧烈运动。因此，对自由液面处的网格进行加密，z方向的网格逐层递减，平稳地过渡到大的背景网格。同时，对重叠区域做落体运动的轨迹进行加密，其尺寸与重叠网格区域的尺寸相同，以确保重叠交界面插值的准确性。生成的重叠网格数量约为115万个，背景区域网格数量约为306万个，总计约有421万个网格。

2 计算结果

2.1 救生艇以水平姿态自由下落时的动力学响应

2.1.1 物理量变化

图3为艇体从h=15 m高度处垂直自由下落过程中的垂向加速度、垂向速度和垂向力的时历曲线。艇体入水时，其加速度在t=1.77～1.81 s的极短时间内增大至300 m/s2以上，方向由竖直向下变为竖直向上。同时，艇体的垂向速度在方向相反的垂向加速度的作用下瞬间减小。在t=3.00 s之后，艇体的加速度逐渐衰减至0，下落过程中产生的能量不断被消耗，速度逐渐趋向于0，最终静浮在水面上。在艇体入水初期，其湿表面积迅速增加，水体对救生艇的垂向力瞬间增大至1×106N，艇底受到的抨击压力在此刻达到峰值。

图3 艇体从h=15 m高度处垂直自由下落过程中的垂向加速度、垂向速度和垂向力的时历曲线

图4为艇体垂直自由下落过程中的下落距离和体旋转角度。由图4a可知，艇体落入水中之后，其底部周围的介质由气体变成了液体，受到水的阻滞作用，艇体的下落速度减缓，下落距离缓慢增加，在t≈2.38 s

时下落距离达到最大，约为16.21 m。由图4b可知，在艇体入水瞬间，纵摇角度瞬间增大，部分水体从艏部溢到甲板上，从而加剧了艇体的艏倾。在艇体入水之后，其周围的水体将其从水下抬出，艇体的纵摇角度减小。入水过程对救生艇横摇自由度的影响很小，横摇的幅度和频率均较小，横摇时历曲线中的峰值和谷值基本上都是由甲板上浪引起的。艏部上浪之后水体沿甲板流到中部，导致左右舷侧受力不均，艇体沿x轴方向摇晃。艏摇的时历曲线与横摇和纵摇的时历曲线有所不同。艇体入水之后在转艏方向并不是左右摇摆的，而是一直偏向右舷，这主要是由左右舷侧周围不均匀流场导致的。

图4 艇体垂直自由下落过程中的下落距离和体旋转角度

2.1.2 自由液面

图5为典型时刻的自由液面。由图5可知，艇体撞水之后艏部吃水会增加，艇体出现严重的埋艏现象。艏部周围的水体沿着艏柱和舭部爬升，同时舷侧的水流被艇体向外推开，形成一个波峰。当t=2.47 s时，艇体的艏部已完全浸入水中，大面积的水流涌到甲板上。当t=1.99～2.47 s时，艇体的排水体积和吃水不断增加，导致其浮力不断增大，同时该过程中与艇体接触的水体积累了部分能量，迅速将艇体托起，波峰向外扩散并汇入周围水域。在t=3.35 s之后，水体的动能不断耗散，艇体脱离水面之后其排水体积明显减少，此时重力占主导作用，艇体在下沉过程中对底部水体产生挤压作用，将其向外推开，从而在两舷侧形成t=4.79 s时刻的波峰，该波峰明显低于触水时的波峰。

图5 典型时刻的自由液面

2.2 不同初始姿态下的艇体入水特性

下面选取横倾10°、艏倾20°和艉倾20°等3种初始下落姿态作为研究对象，对不同下落姿态下的入水过程进行计算，并与垂直下落的情况相对比，探究下落姿态对艇体入水过程中的水动力特性的影响。

2.2.1 物理量对比

图6为不同初始姿态下的艇体垂向加速度和垂向速度对比。由图6a可知，4种初始姿态下的艇体垂向加速度曲线高度重合，说明艇体以不同下落姿态入水时的加速度变化趋势几乎一致。由图6b可知，横倾10°时的速度曲线的走势比较平缓，说明该情况下艇体入水之后对水面的扰动作用较小。总体来说，艇体以不同姿态入水时的速度变化规律比较相似。

图6 不同初始姿态下的艇体垂向加速度和垂向速度对比

图7为不同初始姿态下的艇体下落距离和垂向力对比。由图7a可知，初始姿态对艇体下落和入水阶段的位移量没有造成很大影响。入水结束之后，除了以艏倾20°的姿态下落时的艇体质心会在静水面以下，其余几种下落姿态下的艇体质心均在静水面以下。由图7b可知，4种下落姿态下的艇体垂向力变化趋势几乎一致，只是在触水瞬间产生的垂向力峰值不同。当艇体触水时，水对以垂直下落的姿态下落和以横倾10°的姿态下落的艇体的反作用力最大，以艉倾20°的姿态下落次之，以艏倾20°的姿态下落最小。

图7 不同初始姿态下的艇体下落距离和垂向力对比

图8为不同初始姿态下的艇体旋转角度对比。由图8可知，当t=2.00～2.50 s时，横摇曲线快速上升并达到第一个波峰。该过程中艇体右舷对周围水体的扰动使水体积累了部分动能，将艇体托举至静水面以上，并大幅度向左舷倾斜。此后艇体在重力的作用下快速跌落并向右舷摇晃，横摇曲线快速上升，当t=4.50 s左右时达到第二个波峰。在纵摇曲线中，横倾10°的曲线与垂直下落的曲线在t=2.00 s时高度重合。在t=2.00 s之后，艏艉部分流场的分布不均匀导致2条纵摇曲线的走势有所不同。横倾10°的纵摇曲线在t=3.00 s之后又出现了一个波峰，说明艇体又经历了一次艏倾运动。横倾10°的艏摇曲线在艇体下落和入水过程中经历了平稳下降、快速跌落和缓慢下降等3个阶段。从艇体触水到t=3.00 s之前，左右两舷侧的排水体积不同导致水体对两舷侧的作用力分布不均，艇体产生一个转艏力矩并在该力矩的作用下转向右舷。当t=3.00～4.75 s时，横摇曲线迅速跌落至-45°左右，艇体快速向右舷偏转，在t=4.75 s之后艇体和水的动能逐渐衰减，艇体在惯性的作用下缓慢向右舷偏移。

图8 不同初始姿态下的艇体旋转角度对比

以艏倾20°的姿态下落与以艉倾20°的姿态下落的入水过程有一定的相似之处。艇体倾斜入水过程中出现忽扑现象带来的俯仰力矩使艇体的纵摇角度发生了很大改变。艏倾20°的横摇曲线和艏摇曲线近乎为直线，艇体姿态在这2个自由度上几乎没有发生改变。艉倾20°的横摇曲线的波动范围大部分在0°以下，说明艇体入水之后在大部分时间内均向右舷横倾。艏摇曲线的总体变化趋势是下降的，但在下降过程中会在某些时段内小幅度上升，其中上升的幅值小于总体下降的幅值。

图9为不同初始姿态下的艇体平移距离对比。横荡为艇体沿y轴的平移距离，纵荡为艇体沿x轴的平移距离，二者的大小均是相对于固定坐标系而言的。图9a中：艏倾20°的横荡曲线近乎为一条直线，说明入水过程中艇体几乎没有发生y轴方向上的平移；横倾10°和艉倾20°的横荡曲线为逐渐上升的曲线，其中横倾10°的横荡曲线的上升速率和幅度均大于艉倾20°的横荡曲线。以艉倾20°的下落姿态入水之后，艇体纵摇角度的最大值将近30°，此时艇体已出现严重的埋艏现象，大量水体沿着艇体艏部和舷侧涌到甲板上，两舷侧的水流变得不均匀，艇体处在复杂的非均匀流场中，流场的强非线性给艇体在y轴方向的运动带来了很多不确定性。图9b中，横倾10°和艉倾20°的纵荡曲线关于0°上下对称且幅值较小，说明二者在艇长方向的运动规律比较相似，区别在于前者向艏部方向平移，后者向艉部方向移动。

图9 不同初始姿态下的艇体平移距离对比

2.2.2 自由液面对比

救生艇以横倾10°、艏倾20°和艉倾20°等3种初始下落姿态入水之后典型时刻的自由液面变化云图见图10～图12。当初始下落姿态为横倾10°时，艇体触水时的横摇角度为负值，左舷率先与水面接触，水流沿左舷向上爬升，为保证有足够的浮力支撑起整个艇体，艇体向右舷倾斜以增加吃水。艇体向右舷横倾时整个甲板的上浪情况比较严重。

图10 救生艇以横倾10°的初始下落姿态入水之后典型时刻的自由液面变化云图

图12 救生艇以艉倾20°的初始下落姿态入水之后典型时刻的自由液面变化云图

图11 救生艇以艏倾20°的初始下落姿态入水之后典型时刻的自由液面变化云图

图12中，艇体艏部入水之后在艏部进流段方向上激起一股浪花，水流从艇体两肩处涌上甲板。艇体的艏部上翘，中后部向下挤压水体并将水流向两侧推开。艇体艉部周围被挤压的水体迅速向上反弹，在t=3.27 s时在艇体艉部后方形成一个波峰，同时两侧自由面凹陷形成波谷。水体给艇体艉部施加了一个推动艇体向x轴正方向平移的反作用力。当t=4.47 s时，艇体已离开触水时的位置，原来波峰的位置变成了波谷，波谷两侧产生了波峰。此后，艇体缓慢向前方移动，甲板上的水体部分在艇体向前运动过程中从艉部缓慢流出。

对于艉倾和艏倾入水而言，在艇体入水前期，二者的自由液面的变化比较相似，该变化都是由艇体下沉并将水体向艇体两侧推开引起的。不同的是，在以艉倾姿态触水瞬间，艉部的排水体积瞬间增大，整个艉封板被水浸湿，而以艏倾姿态触水时，艉后方的自由液面有小幅度的下降，水体不会接触到艉封板。在t=3.20～5.60 s时段内，艇体主要处于横摇、横荡和艏摇等3个自由度的耦合运动状态下，甲板上的水体在该时段随着艇体的晃荡不断从两舷侧流出。

3 结 语

本文以一艘刚性充气艇为计算模型，基于动态重叠网格法对其从某高度处以不同姿态自由下落的过程进行了数值模拟，得出了救生艇从高空自由下落过程中各物理量的变化，并对比分析了艇体以不同下落姿态入水的动力学响应特性，主要得到以下结论：

1）在艇体入水过程中，艇体受到水对结构施加的各种反作用力，主要包括2种载荷，分别是触水瞬间的冲击力和入水过程中的撞击力。不同初始下落姿态对艇体在入水过程中受到的冲击载荷的影响不大。

2）艇体初始下落姿态决定了其入水之后的运动状态，其中横倾入水时艇宽方向上的运动比较剧烈，艏倾和艉倾入水时艇长方向上的运动比较剧烈。

3）不同初始下落姿态对自由液面的总体影响的变化规律大致相同。以4种初始下落姿态入水均会出现水体涌上甲板的情况，其中艏倾幅度较大和艇体出现埋艏现象时甲板上浪现象比较严重。通过调整艇体初始下落姿态，可改变艇体的入水角度，进而有效减轻甲板上浪现象。