模型对称碰撞试验外文翻译资料

 2022-07-27 15:52:38

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模型对称碰撞试验

摘要

这项研究被发起是因为缺乏船桥碰撞的实验数据，采用一定缩尺比的模型船进行碰撞试验的可行性已经被验证，并且一系列模型船碰撞试验被提了出来。本文给出了实验分析的理论背景以及缩放的原理，适当的缩放应当与在荷兰进行的大规模实验一样，具有物理相似性。遵循傅汝德相似律，会导致一些力的不适当缩放，并讨论了其影响。本文主要研究碰撞中的动力问题，船的侧面结构使用聚氨酯泡沫材料建模，结构尺寸按进行过的大型试验进行适当缩放。分析了碰撞过程，并将模型船和大规模的实验结果与一个简单的分析模型进行了比较，结果表明对不同的缩尺比，结果具有定量和定性一致性，分析模型在变形能方面取得了良好的定量评估。

关键词：模型与大规模碰撞试验；傅汝德相似律；物理相似

1绪论

因为水运的持续增长，船舶碰撞的风险在持续增加。碰撞风险可以通过减小碰撞概率或者减小碰撞后果来减少，然而，减小碰撞后果需要对物理现象有十分深刻地了解。最近大规模的对称船舶碰撞试验解决了认知不足的问题，并发现现有的计算工具无法提供具有足够精度的预测结果。不准确的预测表明计算模型不能预测所有的情况或者只能勉强预测。

虽然已经有好几种计算理论被提出来用来模拟船舶碰撞，例如Minorsky理论，Petersen理论，Pedersen理论和Zhang理论，用这些实验数据可以研究碰撞现象但是验证计算结果的模型是罕见的。少数几个在Motora进行的模型试验被报导了，在这些实验中，使用一个恒力将船模拉到一边，这导致加速度相当小而且变化缓慢，整个过程中加速度的最大值不超过0.15m/s2,在实际的碰撞中，加速度在短时间内变化非常迅速。为了得到真实碰撞的数据，在荷兰进行了几次大规模的碰撞试验，所有的大规模试验都是对称的，这表示只有部分构件承受碰撞力。此外，由于一些大规模实验中的压载条件，会发生严重的水晃荡并影响碰撞动力。

缺乏实验数据启动了一项新的研究，其主要目的是获得验证数据。 数据从大规模实验是比较可靠的，因为这些数据没有缩放效应;然而由于实验经济花费高，过程复杂，不适合更加广泛的研究。经济简单的模型实验是一个很好的选择，但必须要注意的是一定要保持好缩尺比以及全部的相关影响。在赫尔辛基工业大学进行了一系列的模型碰撞实验，实验的目的是为各种碰撞情况提供实验验证数据，旨在接触和接触之后的一段时间内获得精确的测量数据。

本文主要讨论对称碰撞和模型碰撞实验的可行性，一个目的是提供一组实验验证数据并证明在不同尺度上进行的实验具有物理相似性，介绍了分析实验的理论背景并阐述了缩尺比的要求，缩放和设计实验装置采用了大规模试验的数据。对于大规模的实验来说保持适宜的缩尺比很重要。实验遵从了傅汝德相似律并讨论了其优点和缺点，采用的实船和船模的缩尺比是35，以大型试验的力-渗透曲线参考研究模型的结构响应。在模型实验中，使用聚氨酯来代替撞击船的部分侧面结构以产生所需的结构阻力。在测试期间，记录了模型的运动和受到的撞击力，本文详细地分析了一个实验用于解释船碰撞的现象，并将结果与那些大型实验和一个简单的计算模型进行了对比。与大型试验的对比包括无量纲和量纲两种形式，前者是为了研究整体的相似性，后者是为了研究实验效果。本文会阐述和讨论最重要的结果；Maattanen会给出实验的评价和分析。

2碰撞问题的产生

两条船间的碰撞是一个包含两个结构运动响应的动态问题。涵盖动力学和运动学的主要定律是动量守恒和能量守恒，本文对对称碰撞下了充分的定义并描述了过程的背景；如果一条船舶是以一个正常的角度去撞击另一条船舶，这种碰撞称为对称碰撞。

2.1碰撞力

在对称碰撞中，所有的力与运动被假定在一个平面上；图1展示了碰撞的运动情况。在本章和后面的章节中，上标字符A和B代表撞击船与被撞击船，如果变量用上标i描述，其中i = A，B，则意味着描述为共同两艘船。坐标系xAyAzA和xByBzB ，将原点固定在船舶重心，这些坐标系用来描述碰撞船舶相对惯性坐标系x0y0z0的运动，可以通过向量来确定任意时刻船舶相对惯性坐标系的位置。

从平衡位置的角度变化gamma;A和psi;B都根据惯性参考系给出，当下标0加到运动分量上时，要考虑其到惯性坐标系的投影，例如UA 0=.A *i0 =UA *i0, 位移分量也用同样的方式处理，因此惯性坐标系中的平移速度为

（1）

由于船只的运动限于x0-z0平面，两者只有一个旋转运动分量，船只和角速度的矢量简单：

（2）

接触力FC描述了船舶的结构响应，当接触时，在力与船舶运动之间总是有一个平衡。在图1中，P代表船舶首先相碰的位置，这一点用在船舶参考系上的向量来描述，这一点固定在船舶上不遵循船体结构变形。船舶之间的相对位移就是撞深。

（3）

形成了碰撞过程的运动学条件。结合内部力学与外部动力学，再给予接触力作为撞深的函数，运动学条件构成一个重要环节。

图1 船舶的运动参考系

2.2碰撞过程中的能量转移

此外，由Germanischer Lloyd提出的用于新型碰撞边结构的建议分类程序将新结构的能量吸收能力与常规结构的能量吸收能力相比较。

碰撞中有几种能量吸收机制。能量的主要部分为系统的动能EK和结构变形吸收的能量，后者是不同变形例如撕裂、拉伸、破碎吸收能量的组合。然而，本文在此强调，这些过程不分开处理，因此简单地称为变形能。系统的动能是船舶的动能之和，这是使用了方程1和2中的速度得到的结论。Hereinafter在讨论船舶动能时，考虑了船舶运动的能量及其附加质量。这种动能不包括随着时间的推移增加的质量，被称为辐射力的阻尼部分。图2呈现了在tau;c时间内主要能量的变化状况。

让我们假设被碰撞船一直在那，碰撞船以速度接近，这个速度后被称为接触速度。两船碰撞时，接触过程开始，接触力增大到一定值。在接触过程中，撞击船减速失去动能，被撞船舶通过加速而获得能量。在这种能量传递中，能量的一部分被储存在变形的船体结构中。该变形能ED被计算为接触力FC和撞深d的乘积积分。当两船的速度相等时，由弹性能ED，E和塑性能ED，P组成的变形能量处于其最大值，而系统的动能处于其最小值，见图2。存储在结构中的弹性能量在弹性力开始分离船舶时被转换回动能，接触力减小到零直到分离完成。不考虑侧面结构的缓慢弹性恢复，在那个时刻的变形能等于塑性变形能。

. 能量也被吸收以克服诸如水阻力和辐射力的阻尼部分的流体动力。这些速度依赖的力在短持续时间的接触期间不起主要作用。当分析接触后的现象时，它们的重要性增加。除了水动力外，还有静水压力恢复力。如果从平衡位置的位移大，则恢复力是显著的。

图2 能量在碰撞过程中的转移

3放缩后的碰撞试验

3.1相似条件

碰撞涉及的力包括水动力和运动力，重力，惯性力和接触力。为了在模型尺度上重建大规模碰撞，作用在船舶模型上的任何两个力的比率必须等于原始力中的相应比率，即，必须保持动态相似性。这种动态相似性要求几何相似性，因为力和压力在几何上的分布应该在两个尺度上相似。几何相似性的重要性是显而易见的，因为它决定了船舶模型上的水压力，从而影响其位置和运动。几何相似是通过将大型船舶缩小一个比例因子lambda;来实现的。

（4）

其中[x]表示大量的足以定义船体形状的坐标数。下标M和S分别对应模型和实船，所有其他参数的尺寸基于lambda;。动态相似性还假定由于惯性力的存在而引起的运动学相似性。动力相似性是运动的相似性，包括几何相似性和运动相似性。系统中存在的力必须根据它们的来源和它们与一些参数的关系来表征。这些参考值是船长l，速度v，密度rho;和粘度mu;。作用在船上的力必须用这些参数描述。惯性力FI由于船舶和周围水的加速而出现，因此：

（5）

重力Fg和水动力是因为船舶的能量而产生，可以被描述为：

（6）

黏性剪切力可以被描述为：

(7)

惯性力与重力的比值再开平方就得到了傅汝德数：

(8)

惯性力与黏性剪切力的比值是雷若数：

(9)

上面这些都是无量纲的量，并不受实际尺寸的影响。保持实船和船模的Fn相同，就得到了速度的关系式：

(10)

然而，动力相似要求船模和实船的雷若数相同，自这种情况下，两者之间的速度关系式为：

(11)

很明显，上面关于两者的速度关系式不可能同时成立，因此用模型试验时想同时保证惯性力，重力和粘性力之间的正确关系是不可能的。幸运的是，在诸如碰撞的瞬态事件期间，粘性力在船舶运动的动力学中作用不明显。在碰撞过程中，由于高速度，惯性力较大。特别是在碰撞船横向移动时，速度相当低，因此粘性力与惯性力相比较很小。考虑到这一点，可以使用Froude缩放定律（等式10）来缩放实验。结果是雷诺数太小，因此产生摩擦力太大。由于重力和密度是常数，如果参数被相应地缩放，能保证粗略动态相似性：

到目前为止还没有考虑的唯一力是接触力。该力取决于船舶结构，并且当缩放时，必须考虑撞击船的横截面性质和被撞船的侧面结构。集中于外部动力学和结构的精确变形力学的模型尺度实验在本研究的范围之外。然而，为了保持动态相似性，阻力必须类似于大型船舶结构的阻力。Lax研究了模型尺度船舶接地实验中的结构阻力模型的几个选项。考虑到实验的可行性和不同材料的阻力水平，选择聚氨酯泡沫作为合适的材料。

进行了几个准静态穿透试验，发现冲击头的形状和接触力之间的关系。这些试验表明，泡沫的压缩比约为75％，对于较大的压缩值，致密化开始并且力迅速增加。这样的增加并没有出现在大规模的实验之中，因此在模型试验中也要避免发生。选择泡沫块的尺寸，使得预测的最大穿透不会导致致密化。泡沫和涂漆的冲击头之间的摩擦系数确定为0.2，这接近于两个由钢制成的物体之间的摩擦。

基于材料试验，提出了一种分析公式以估计任意形状的冲击头的力 - 穿透曲线。将估计的曲线与来自使用Y-core1和X-core10结构的大规模实验的曲线进行比较。这些结构在图3中示出，图5中给出了它们缩小到模型尺度的力 - 穿透曲线。考虑到泡沫的阻力水平和测试盆的尺寸，可行的比例因子lambda;被确定为35。

两个具有图示尺寸和对称结构的船艏被制造出来，如图4。用这两个船艏获得的力 - 穿透曲线在图5中给出，其中碰撞试验结果用101和113曲线表示。船艏1的曲线很好地对应于X-core实验，而船艏2产生比实船实验更高的阻力。

图3 实验测试大规模结构用作模型规模测试的参考

遵守Frude缩放规律意味着在接触时间段几乎精确地重新创建过程，因为惯性力和接触力是主导力。当接触分离时，主要的外力将是辐射力和摇摆力。第一个表现是船舶质量的增加，这部分增加的质量也有类似于惯性力的属性。第二个是粘性力，并且由于不适当的缩放，会导致其偏高。因此，随着时间的增加，模型实验将略微偏离原始行为。该偏差表现在不存在接触力和变形能量，但是会增加接触后的运动。由于更大的阻力，船舶模型减速更多，在碰撞的后期速度略低于原来的速度。

图4 用在模型船上的球鼻首几何尺寸

图5 撞深-碰撞力曲线

4船模碰撞试验

4.1船舶模型和测试矩阵

船舶模型根据参与Y-核实验的船舶的线图进行缩放，船舶的主要特点和相应的模型在表1中给出。为了在不同的碰撞情况下使用更大的船舶质量，模型的型深会增加。

模型的平行中间体由胶合板制成并具有多个横向舱壁以获得足够的刚度。

弓和船尾部分由木头制成并有着更复杂的形状。被撞船模型的端口侧的一部分由聚氨酯泡沫制成，如图6和图8所示。泡沫块从船头延伸到船中部15厘米，船中是目标接触点。将泡沫块胶合到胶合板上，所述胶合板用支架拧紧到模型上。

托架连接具有高刚度，以便最小化泡沫块和模型之间的运动。

图6 被撞击船模型

撞击船配备可调节球鼻首，通过力传感器和铝框架连接到船艏球鼻首及其与撞击船模型的连接基本上是刚性的，能承受不重要的变形，因此可以被忽略。 全文共12665字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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