拖曳水池分段模型自航迎浪试验与载荷响应对比

拖曳水池分段模型自航迎浪试验与载荷响应对比

分段模型的负荷试验一般分为两种类型：自航和自航。事实上，80%的船舶在不同的海况下航行。在不同的海况下，船体的运动特征不同。导航试验的方法不能反映码头在波浪中的航行状态，但自航试验可以真实地反映实际导航状态下的负荷特征，预测实际船舶的提升性能。因此，为了研究船舶在波浪中的实际航行状态和负荷特征，有必要对波形中的自航行进行研究。在波浪中进行航行试验的文献研究中，研究了分段模型的航行试验，并对目标船进行了相同大小的航行试验。通过比较两种试验方法的结果，在低频负荷成分中测量了两种结果非常相似，但在高频负荷成分中，拖航测得的结果明显大于自航结果。在这里，在拖尾池中进行了分段模型的自航迎浪试验，并将自航频率测试结果和负荷响应与自航试验结果进行了比较。1试验测试系统分段模型试验无法使试验中的船模完全模拟实船,只能忽略某些次要的相似关系而又不致于给试验结果带来太大的误差,通常除了满足实船与模型的流体和结构动力特征相似之外,首要就是满足实船与模型静水中的第1阶固有频率相似.本次试验采用缩尺比为1∶70,实船及模型主尺度见表1.模型的刚度取决于龙骨梁的刚度,船壳仅提供浮力及传递流体动力.分段之间留有空隙以满足船壳的运动,分段处用乳胶保持水密,同时又不影响变形.模型示意图如图1所示.试验测试系统主要包括船模部分和拖车部分.船模部分以测量对象不同,分为不同模块,将测量信号分别由数据线传输到拖车上的采集平台.拖车部分以数据采集器为测控平台,最后将所有通道采集得到的信号全部汇总到计算机中,图2为试验测试系统示意图.与拖航试验相比,自航试验除了同样要达到测试目标外,还须要在艉部布置电机、齿轮箱、螺旋桨等推进系统以保证船体在波浪中正常航行.本次自航试验推进系统中的主要设备有电机(2台)、齿轮箱(4台)、桨轴、联轴器(若干)等.与拖航试验另一不同之处,就是自航模航速能否满足试验要求未知.因为拖航船模的航速是由拖车保证的,拖车配有精度较高的车速控制系统以保证拖车按照预定航速行驶.但自航模型只能通过电机驱动螺旋桨使船模达到预定航速.在正式试验前,需要对螺旋桨进行标定,即确定给定转速所能达到的航速,或者满足特定航速的转速.2试验结果与分析2.1固有频率误差由于分段模型试验的关键在于船模与实船的第1阶固有频率满足相似关系,因此在试验前,须要验证模型是否满足要求.通过对船模施加激振力,测得船体在静水中的船舯应力时历曲线,再由傅里叶变换得到船模固有频率,并将试验测得的结果与用基于有限元法计算得到的理论结果进行比较,见表2.从表2中可以看出:自航试验测量结果比理论值小,第1阶固有频率误差达4.94%,且只能测出前2阶频率,这是因为船模艉部布置了电机、齿轮箱、螺旋桨等推进系统,无法严格保证质量及刚度的分布与实船一致,且此时分段数量仅为7段,无法体现出高阶变形.但当拖航试验时,模型分为10段,质量及刚度分布更接近实船,船模弹性效应体现得更为明显,所以测得的结果更接近理论值,此时第1阶固有频率误差仅为1.64%.2.2自航与拖航船模拖行试验结果分析计算典型工况下自航与拖航的船舯总弯矩.实船航速v=9kn,波高h=17.5m,λ/L=1.0,其中:λ为波长;L为船长.通过对弯矩时历曲线进行傅里叶变换,找到低频响应与高频响应的区间,采用数字滤波技术以2.5Hz为分界点将总弯矩(M)分离成为低频波浪弯矩(Md)和高频砰击弯矩(Mg),见图3.可以看出:2种测量方式得到的船舯弯矩时历曲线一致性较好.对于低频波浪弯矩,两者相差不大;但是拖航测得的高频砰击弯矩明显要大于自航试验测得的结果,而且越是高海况就越明显.实际上船体在海浪中航行遭遇波浪时,会有明显的失速现象,海况越高,失速带来的影响就越严重,而拖行试验中船模的航速由拖车来保证,无法体现这一特征,即使遭遇波浪时,船模仍由拖车带动下在预定航速下强行航行,这是导致拖行结果中高频成分大于自航结果的直接原因.船体在服役期间会遭遇各种海况,自身(如航速)和外界环境(如波高)等因素都会导致船体不同程度的损坏,如何分析各成分载荷响应在不同参数下的变化趋势,是评估船体疲劳寿命及结构强度的重要前提.将自航与拖航下不同波高及不同航速的各成分弯矩响应变化规律进行分析.图4为v=9kn时自航与拖航船体各成分弯矩随波高变化的曲线.图5为h=5.6m时自航与拖航各成分弯距随航速变化的曲线.随着波高、航速的增大,各成分弯矩均有增大的趋势,对于总弯矩和砰击弯矩,拖航试验得到的结果大于自航试验结果;对于波浪弯矩却是自航结果偏大,分析原因是由于自航试验船模没有适航仪等仪器的限制,且波浪弯矩随波高、航速始终呈线性变化.将不同波高、航速下各成分弯矩在总弯矩所占比例进行了比较,见在表3和4.随着波高、航速的增大,对于波浪弯矩而言,所占比例逐渐降低,自航结果始终比拖航要大;对于砰击弯矩而言,所占比例逐渐升高,但拖航结果比自航大.2.3转速随转速波高变化的特性与拖航试验另一不同之处,就是自航试验须要面临螺旋桨失速.自航与拖航结果的比较均是在拖航与自航失速后的速度相对应的情况下进行的.通过规则波中的自航试验,分别测得不同航速、不同波高下螺旋桨转速(w)的变化,如图6所示.可以看到:当对应同一波高时,航速越高,螺旋桨所需转速越大,即相对于静水失速越严重,而当对应同一航速时,随着波高的增高,情况亦是如此.图7是航速为18kn,不同波高下,螺旋桨转速随λ/L的变化曲线.可以看到:当对应同一波高时,λ/L=1.0处会出现一个峰值,并且向两侧递减.自航试验时,对于个别高海况,螺旋桨有明显的出水现象,此时即使将螺旋桨转速调到最大,船模航速仍无法满足要求;因此,为避免高海况下螺旋桨出水的情况发生,建议应适当降低航速.3结构的模态叠加载荷试验除了能够重现船体在波浪中的力学特性,还能验证理论计算是否合理.对于计及船体弹性效应的载荷计算方法,传统的“两步走”法无法考虑船体弹性作用对水动力的影响,因此目前水动力学界普遍认可的方法是水弹性理论.基于水弹性理论,在时域内,船舶在波浪作用下的非线性流固耦合振动模态分析方程可以写作如下形式(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分别为结构广义质量矩阵、广义阻尼矩阵和广义刚度矩阵;A,B和C分别为广义流体附加质量、广义流体附加阻尼和广义流体恢复力系数矩阵;pr(t)为第r阶模态的主坐标,r=1,2,…,6是刚体的运动模态,当r≥7时,则为船体的弹性振动模态;FI(t)为入射波力;FD(t)为绕射力;Fslam(t)为砰击力.基于4阶龙格-库塔法对式(1)进行求解,再利用模态叠加原理,就可以得到船体结构的位移W(x,t),弯矩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)分别为船体梁位移、弯矩和剪力的第r阶固有振型.基于该非线性水弹性理论编写了相应的程序,分别对该船λ/L=1.0的各典型工况的船舯总弯矩进行了预报,图8为v=24kn,h=5.6m时理论计算结果与自航、拖航试验测量结果换算到实船后的比较,发现三者符合较好.4试验结果误差分析分析了基于分段模型试验的自航模型与拖航模型对船体载荷响应的影响,并对自航试验螺旋桨失速现象进行了研究,最后基于非线性水弹性理论对该船的载荷响应进行了预报,得出以下结论:a.频率测试自航试验结果误差较拖航试验大,但在允许范围以内,自航试验的载荷测量结果更能反映船体载荷真实特征,因此建议使用自航试验;b.2种测量方式得到的船舯总弯矩曲线基本一致,但拖航