拖曳水池分段模型自航迎浪試驗(yàn)與載荷響應(yīng)對(duì)比

拖曳水池分段模型自航迎浪試驗(yàn)與載荷響應(yīng)對(duì)比

分段模型的負(fù)荷試驗(yàn)一般分為兩種類型：自航和自航。事實(shí)上，80%的船舶在不同的海況下航行。在不同的海況下，船體的運(yùn)動(dòng)特征不同。導(dǎo)航試驗(yàn)的方法不能反映碼頭在波浪中的航行狀態(tài)，但自航試驗(yàn)可以真實(shí)地反映實(shí)際導(dǎo)航狀態(tài)下的負(fù)荷特征，預(yù)測(cè)實(shí)際船舶的提升性能。因此，為了研究船舶在波浪中的實(shí)際航行狀態(tài)和負(fù)荷特征，有必要對(duì)波形中的自航行進(jìn)行研究。在波浪中進(jìn)行航行試驗(yàn)的文獻(xiàn)研究中，研究了分段模型的航行試驗(yàn)，并對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行了相同大小的航行試驗(yàn)。通過(guò)比較兩種試驗(yàn)方法的結(jié)果，在低頻負(fù)荷成分中測(cè)量了兩種結(jié)果非常相似，但在高頻負(fù)荷成分中，拖航測(cè)得的結(jié)果明顯大于自航結(jié)果。在這里，在拖尾池中進(jìn)行了分段模型的自航迎浪試驗(yàn)，并將自航頻率測(cè)試結(jié)果和負(fù)荷響應(yīng)與自航試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。1試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)分段模型試驗(yàn)無(wú)法使試驗(yàn)中的船模完全模擬實(shí)船,只能忽略某些次要的相似關(guān)系而又不致于給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)太大的誤差,通常除了滿足實(shí)船與模型的流體和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征相似之外,首要就是滿足實(shí)船與模型靜水中的第1階固有頻率相似.本次試驗(yàn)采用縮尺比為1∶70,實(shí)船及模型主尺度見(jiàn)表1.模型的剛度取決于龍骨梁的剛度,船殼僅提供浮力及傳遞流體動(dòng)力.分段之間留有空隙以滿足船殼的運(yùn)動(dòng),分段處用乳膠保持水密,同時(shí)又不影響變形.模型示意圖如圖1所示.試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要包括船模部分和拖車部分.船模部分以測(cè)量對(duì)象不同,分為不同模塊,將測(cè)量信號(hào)分別由數(shù)據(jù)線傳輸?shù)酵宪嚿系牟杉脚_(tái).拖車部分以數(shù)據(jù)采集器為測(cè)控平臺(tái),最后將所有通道采集得到的信號(hào)全部匯總到計(jì)算機(jī)中,圖2為試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖.與拖航試驗(yàn)相比,自航試驗(yàn)除了同樣要達(dá)到測(cè)試目標(biāo)外,還須要在艉部布置電機(jī)、齒輪箱、螺旋槳等推進(jìn)系統(tǒng)以保證船體在波浪中正常航行.本次自航試驗(yàn)推進(jìn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備有電機(jī)(2臺(tái))、齒輪箱(4臺(tái))、槳軸、聯(lián)軸器(若干)等.與拖航試驗(yàn)另一不同之處,就是自航模航速能否滿足試驗(yàn)要求未知.因?yàn)橥虾酱５暮剿偈怯赏宪嚤ＷC的,拖車配有精度較高的車速控制系統(tǒng)以保證拖車按照預(yù)定航速行駛.但自航模型只能通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳使船模達(dá)到預(yù)定航速.在正式試驗(yàn)前,需要對(duì)螺旋槳進(jìn)行標(biāo)定,即確定給定轉(zhuǎn)速所能達(dá)到的航速,或者滿足特定航速的轉(zhuǎn)速.2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1固有頻率誤差由于分段模型試驗(yàn)的關(guān)鍵在于船模與實(shí)船的第1階固有頻率滿足相似關(guān)系,因此在試驗(yàn)前,須要驗(yàn)證模型是否滿足要求.通過(guò)對(duì)船模施加激振力,測(cè)得船體在靜水中的船舯應(yīng)力時(shí)歷曲線,再由傅里葉變換得到船模固有頻率,并將試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果與用基于有限元法計(jì)算得到的理論結(jié)果進(jìn)行比較,見(jiàn)表2.從表2中可以看出:自航試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比理論值小,第1階固有頻率誤差達(dá)4.94%,且只能測(cè)出前2階頻率,這是因?yàn)榇ｔ翰坎贾昧穗姍C(jī)、齒輪箱、螺旋槳等推進(jìn)系統(tǒng),無(wú)法嚴(yán)格保證質(zhì)量及剛度的分布與實(shí)船一致,且此時(shí)分段數(shù)量?jī)H為7段,無(wú)法體現(xiàn)出高階變形.但當(dāng)拖航試驗(yàn)時(shí),模型分為10段,質(zhì)量及剛度分布更接近實(shí)船,船模彈性效應(yīng)體現(xiàn)得更為明顯,所以測(cè)得的結(jié)果更接近理論值,此時(shí)第1階固有頻率誤差僅為1.64%.2.2自航與拖航船模拖行試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算典型工況下自航與拖航的船舯總彎矩.實(shí)船航速v=9kn,波高h(yuǎn)=17.5m,λ/L=1.0,其中:λ為波長(zhǎng);L為船長(zhǎng).通過(guò)對(duì)彎矩時(shí)歷曲線進(jìn)行傅里葉變換,找到低頻響應(yīng)與高頻響應(yīng)的區(qū)間,采用數(shù)字濾波技術(shù)以2.5Hz為分界點(diǎn)將總彎矩(M)分離成為低頻波浪彎矩(Md)和高頻砰擊彎矩(Mg),見(jiàn)圖3.可以看出:2種測(cè)量方式得到的船舯彎矩時(shí)歷曲線一致性較好.對(duì)于低頻波浪彎矩,兩者相差不大;但是拖航測(cè)得的高頻砰擊彎矩明顯要大于自航試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果,而且越是高海況就越明顯.實(shí)際上船體在海浪中航行遭遇波浪時(shí),會(huì)有明顯的失速現(xiàn)象,海況越高,失速帶來(lái)的影響就越嚴(yán)重,而拖行試驗(yàn)中船模的航速由拖車來(lái)保證,無(wú)法體現(xiàn)這一特征,即使遭遇波浪時(shí),船模仍由拖車帶動(dòng)下在預(yù)定航速下強(qiáng)行航行,這是導(dǎo)致拖行結(jié)果中高頻成分大于自航結(jié)果的直接原因.船體在服役期間會(huì)遭遇各種海況,自身(如航速)和外界環(huán)境(如波高)等因素都會(huì)導(dǎo)致船體不同程度的損壞,如何分析各成分載荷響應(yīng)在不同參數(shù)下的變化趨勢(shì),是評(píng)估船體疲勞壽命及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要前提.將自航與拖航下不同波高及不同航速的各成分彎矩響應(yīng)變化規(guī)律進(jìn)行分析.圖4為v=9kn時(shí)自航與拖航船體各成分彎矩隨波高變化的曲線.圖5為h=5.6m時(shí)自航與拖航各成分彎距隨航速變化的曲線.隨著波高、航速的增大,各成分彎矩均有增大的趨勢(shì),對(duì)于總彎矩和砰擊彎矩,拖航試驗(yàn)得到的結(jié)果大于自航試驗(yàn)結(jié)果;對(duì)于波浪彎矩卻是自航結(jié)果偏大,分析原因是由于自航試驗(yàn)船模沒(méi)有適航儀等儀器的限制,且波浪彎矩隨波高、航速始終呈線性變化.將不同波高、航速下各成分彎矩在總彎矩所占比例進(jìn)行了比較,見(jiàn)在表3和4.隨著波高、航速的增大,對(duì)于波浪彎矩而言,所占比例逐漸降低,自航結(jié)果始終比拖航要大;對(duì)于砰擊彎矩而言,所占比例逐漸升高,但拖航結(jié)果比自航大.2.3轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速波高變化的特性與拖航試驗(yàn)另一不同之處,就是自航試驗(yàn)須要面臨螺旋槳失速.自航與拖航結(jié)果的比較均是在拖航與自航失速后的速度相對(duì)應(yīng)的情況下進(jìn)行的.通過(guò)規(guī)則波中的自航試驗(yàn),分別測(cè)得不同航速、不同波高下螺旋槳轉(zhuǎn)速(w)的變化,如圖6所示.可以看到:當(dāng)對(duì)應(yīng)同一波高時(shí),航速越高,螺旋槳所需轉(zhuǎn)速越大,即相對(duì)于靜水失速越嚴(yán)重,而當(dāng)對(duì)應(yīng)同一航速時(shí),隨著波高的增高,情況亦是如此.圖7是航速為18kn,不同波高下,螺旋槳轉(zhuǎn)速隨λ/L的變化曲線.可以看到:當(dāng)對(duì)應(yīng)同一波高時(shí),λ/L=1.0處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值,并且向兩側(cè)遞減.自航試驗(yàn)時(shí),對(duì)于個(gè)別高海況,螺旋槳有明顯的出水現(xiàn)象,此時(shí)即使將螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)到最大,船模航速仍無(wú)法滿足要求;因此,為避免高海況下螺旋槳出水的情況發(fā)生,建議應(yīng)適當(dāng)降低航速.3結(jié)構(gòu)的模態(tài)疊加載荷試驗(yàn)除了能夠重現(xiàn)船體在波浪中的力學(xué)特性,還能驗(yàn)證理論計(jì)算是否合理.對(duì)于計(jì)及船體彈性效應(yīng)的載荷計(jì)算方法,傳統(tǒng)的“兩步走”法無(wú)法考慮船體彈性作用對(duì)水動(dòng)力的影響,因此目前水動(dòng)力學(xué)界普遍認(rèn)可的方法是水彈性理論.基于水彈性理論,在時(shí)域內(nèi),船舶在波浪作用下的非線性流固耦合振動(dòng)模態(tài)分析方程可以寫作如下形式(a+A)p¨r(t)+(b+B)p˙r(t)+(c+C)pr(t)=FI(t)+FD(t)+Fslam(t),(1)(a+A)p¨r(t)+(b+B)p˙r(t)+(c+C)pr(t)=FΙ(t)+FD(t)+Fslam(t),(1)式中:a,b和c分別為結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量矩陣、廣義阻尼矩陣和廣義剛度矩陣;A,B和C分別為廣義流體附加質(zhì)量、廣義流體附加阻尼和廣義流體恢復(fù)力系數(shù)矩陣;pr(t)為第r階模態(tài)的主坐標(biāo),r=1,2,…,6是剛體的運(yùn)動(dòng)模態(tài),當(dāng)r≥7時(shí),則為船體的彈性振動(dòng)模態(tài);FI(t)為入射波力;FD(t)為繞射力;Fslam(t)為砰擊力.基于4階龍格-庫(kù)塔法對(duì)式(1)進(jìn)行求解,再利用模態(tài)疊加原理,就可以得到船體結(jié)構(gòu)的位移W(x,t),彎矩M(x,t)和剪切力V(x,t):W(x,t)=∑r=1mpr(t)Wr(x);M(x,t)=∑r=1mpr(t)Mr(x);V(x,t)=∑r=1mpr(t)Vr(x),W(x,t)=∑r=1mpr(t)Wr(x);Μ(x,t)=∑r=1mpr(t)Μr(x);V(x,t)=∑r=1mpr(t)Vr(x),式中Wr(t),Mr(x)和Vr(x)分別為船體梁位移、彎矩和剪力的第r階固有振型.基于該非線性水彈性理論編寫了相應(yīng)的程序,分別對(duì)該船λ/L=1.0的各典型工況的船舯總彎矩進(jìn)行了預(yù)報(bào),圖8為v=24kn,h=5.6m時(shí)理論計(jì)算結(jié)果與自航、拖航試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果換算到實(shí)船后的比較,發(fā)現(xiàn)三者符合較好.4試驗(yàn)結(jié)果誤差分析分析了基于分段模型試驗(yàn)的自航模型與拖航模型對(duì)船體載荷響應(yīng)的影響,并對(duì)自航試驗(yàn)螺旋槳失速現(xiàn)象進(jìn)行了研究,最后基于非線性水彈性理論對(duì)該船的載荷響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報(bào),得出以下結(jié)論:a.頻率測(cè)試自航試驗(yàn)結(jié)果誤差較拖航試驗(yàn)大,但在允許范圍以內(nèi),自航試驗(yàn)的載荷測(cè)量結(jié)果更能反映船體載荷真實(shí)特征,因此建議使用自航試驗(yàn);b.2種測(cè)量方式得到的船舯總彎矩曲線基本一致,但拖航