裴 斐， 林 焰

( 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

深海鉆井船因為要攜帶大量設(shè)備，船上可以用來安裝減搖水艙的空間十分有限，需要對這一尺寸受到嚴(yán)格限制的水艙進(jìn)行試驗測試．水艙試驗常見方式為臺架試驗，賴志昌等[1-4]建立了搖擺試驗臺，能夠模擬減搖水艙對船舶的減搖作用，并開展試驗驗證晃蕩平臺方法可行性的研究．曲家文等[5-6]在搖擺試驗臺上開展了U型減搖水艙參數(shù)變化的研究，指出水艙相對橫搖中心的位置對橫搖效果有明顯影響，而液位影響很?。畢墙值萚7]對減搖水艙開展了自由衰減試驗和強(qiáng)迫振動試驗，通過這兩種試驗?zāi)軌蚩焖佾@得減搖水艙的基本性能．肖麗娜等[8-10]對槽型減搖水艙進(jìn)行了研究，指出槽型艙格柵對于水艙性能有著明顯影響，可以通過調(diào)整格柵改善頻率響應(yīng)性能，而且液位能夠有效調(diào)節(jié)槽型艙的性能以適應(yīng)不同工況．Gawad等[11]指出，在減搖水艙設(shè)計時不僅要考慮減搖的阻尼作用，還要考慮水艙參數(shù)對艙內(nèi)液體產(chǎn)生力矩相位的調(diào)整，通過對水艙設(shè)計參數(shù)的調(diào)整可以得到合理的相位性能．Alujevi等[12]研究了U型減搖水艙對船舶橫搖的影響，分析了水艙與橫搖運(yùn)動對波浪激勵的吸收與耗散．Subramanian等[13]使用遺傳算法對水艙進(jìn)行優(yōu)化，研究若干主要參數(shù)對水艙性能的影響．Bernal-Colio等[14]開展了基于搖擺臺的水艙試驗，記錄了不同水艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)對水艙性能的影響，并在此基礎(chǔ)上開展了數(shù)值計算研究，檢驗了若干計算模型的精度．

在已有研究的基礎(chǔ)上，本文針對性地研究水艙內(nèi)液體運(yùn)動所產(chǎn)生的力矩，考量在各種水艙樣式和激勵情形下水艙內(nèi)液體產(chǎn)生的力矩，進(jìn)而評估減搖效果．

本研究應(yīng)用六自由度晃蕩平臺，該平臺可以提供變幅值、變頻率的穩(wěn)定橫搖激勵，并在多個晃蕩研究中得到應(yīng)用[15-17]．本研究分別對U型減搖水艙和槽型減搖水艙開展研究，對液位、通透率和激勵幅值3個參數(shù)開展試驗．通過分析減搖力矩幅值和相位信息，總結(jié)合理的設(shè)計參數(shù)，同時兼顧力矩幅值和相位的性能，為實船水艙設(shè)計提供參考．

1 試驗概況

1.1 試驗系統(tǒng)介紹

減搖水艙試驗臺架由控制系統(tǒng)、六自由度運(yùn)動平臺、水艙臺架、水艙模型和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示．在控制系統(tǒng)輸入運(yùn)動參數(shù)，六自由度運(yùn)動平臺即可以按照要求做出指定的運(yùn)動．水艙臺架固定于六自由度運(yùn)動平臺之上，通過高度調(diào)整裝置，可以調(diào)節(jié)水艙臺架在六自由度運(yùn)動平臺上的搖擺半徑．水艙模型固定于籃筐之中，籃筐通過纜索與水艙臺架相連．如圖2所示，F(xiàn)1、F2、F3、F4為拉力傳感器，測量所在纜索的拉力．Fr所在的纜索提供向下的拉力，以使水艙模型受力平衡．L1和L2分別為F1和F2所測拉力對O點的力臂，L3為F3和F4所測拉力對O點的力臂．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)在同一時間刻度下記錄拉力傳感器和運(yùn)動姿態(tài)．

圖1 減搖水艙試驗臺架Fig.1 Anti-roll tank test platform

圖2 試驗測力原理圖Fig.2 Load measurement schematic drawing

1.2 液體力矩的測出

整個測力系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)中心O點求力矩：

MO=F1L1+F3L3-F2L2-F4L3

(1)

其中F1～F4為F1～F4傳感器測得的拉力，L1=961 mm，L2=961 mm，L3=200 mm．

由于籃筐和減搖水艙模型隨著艙內(nèi)液體一起運(yùn)動，因此MO由固體運(yùn)動產(chǎn)生的力矩和液體運(yùn)動產(chǎn)生的力矩兩部分組成，即MO=Ms+Ml，其中Ms為固體運(yùn)動產(chǎn)生的力矩，Ml為液體運(yùn)動產(chǎn)生的力矩．

為了得到液體運(yùn)動產(chǎn)生的力矩，首先在空艙時測出固體運(yùn)動產(chǎn)生的Ms，然后在同樣的運(yùn)動過程中測量裝有液體的力矩MO．在時歷曲線上完成二者的相減：

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

(2)

根據(jù)力學(xué)相似原理，模型換算應(yīng)符合集合相似、運(yùn)動相似和動力相似，得到臺架模型與實船的換算關(guān)系[18]．其中實船與臺架模型的比例系數(shù)λ=20，各個尺度的換算關(guān)系詳見表1．

表1 臺架模型與實船的換算關(guān)系Tab.1 Conversion relation between platform model and actual ship

1.3 相位對減搖效果的影響

圖3描述了波浪激勵力矩與船舶運(yùn)動以及減搖力矩之間相位p和幅值A(chǔ)的關(guān)系．船舶運(yùn)動的相位落后波浪激勵力矩1/4周期，當(dāng)減搖力矩落后船舶運(yùn)動1/4周期時，與波浪激勵力矩相差1/2 周期，作用方向與波浪激勵力矩時刻相反，減搖效果最好[1]．當(dāng)減搖力矩與波浪激勵力矩?zé)o相位差或者相位落后1/4周期時，對抵消波浪激勵不做貢獻(xiàn)．如果減搖力矩的相位落后船舶運(yùn)動超過1/2 周期，將會產(chǎn)生增搖作用．

圖3 減搖力矩與船舶運(yùn)動的相角差Fig.3 Phase difference between anti-roll moment and ship motion

因此，減搖水艙如果想要取得好的效果，減搖力矩與船舶運(yùn)動的相位應(yīng)當(dāng)盡可能接近1/4周期．

1.4 試驗工況的設(shè)置

試驗對象有U型艙和槽型艙，模型尺寸如圖4所示．

每種水艙對應(yīng)3個試驗參數(shù)，分別為激勵幅值、通透率和液位．

試驗采用正弦激勵，同一正弦幅值對應(yīng)若干分布在頻域范圍內(nèi)的頻率．本試驗采用擋板作為阻尼結(jié)構(gòu)，3塊寬度相同的擋板安裝于水艙內(nèi)的插槽，對水流形成阻礙，剩余的通過寬度與最大的通過寬度的比值為通透率．液位是指水艙處于水平靜止?fàn)顟B(tài)時自由液面到艙底的距離．

U型艙和槽型艙對應(yīng)的工況設(shè)置分別如表2和表3所示．

表2 U型艙工況設(shè)置Tab.2 Test cases of U-shape tank

表3 槽型艙工況設(shè)置Tab.3 Test cases of flume tank

2 自由衰減試驗與結(jié)果

自由衰減試驗旨在測出無激勵情況下，試驗艙內(nèi)液體自由振蕩的周期．

試驗分為兩步：(1)對試驗艙進(jìn)行激勵，使艙內(nèi)液體充分運(yùn)動起來；(2)中斷激勵，讓液體自由振蕩，直至停止．

對激勵過程進(jìn)行分析，計算出衰減過程中液體振蕩的平均周期．

由表4可知，U型艙在相同液位下，隨著通透率逐漸增大，模型對應(yīng)的振蕩周期逐漸減?。?/p>

表4 U型艙自由衰減試驗結(jié)果Tab.4 U-shape tank free decay test results

由表5可知，槽型艙在同一液位下，不同通透率對模型對應(yīng)的振蕩周期影響不大．但是相同通透率下，振蕩周期對液位很敏感，其隨著液位增大而明顯變短．

表5 槽型艙自由衰減試驗結(jié)果Tab.5 Flume tank free decay test results

由此可知，槽型艙的自由振蕩周期對液位更加敏感，通透率影響較?。?/p>

3 減搖水艙試驗結(jié)果

根據(jù)表2、3所制定的工況，對U型艙和槽型艙進(jìn)行試驗．

正弦運(yùn)動激勵產(chǎn)生液體力矩，力矩圖像為三角函數(shù)曲線，力矩圖像相位滯后于激勵運(yùn)動．三角函數(shù)曲線的幅值對應(yīng)力矩結(jié)果，滯后的相位對應(yīng)相位結(jié)果．

3.1 U型艙試驗結(jié)果

在相同通透率下，模型減搖力矩M峰值所對應(yīng)的激勵頻率f隨著激勵幅值的增大而減?。畯膱D5(a)、(b)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，隨著激勵幅值增大，尖峰向左移動．

(a) U型艙模型內(nèi)壁尺寸

(a) 70%通透率

隨著激勵幅值的增大，艙內(nèi)液體在同樣的時間內(nèi)運(yùn)動的距離增大，阻尼因素的影響增大．隨著阻尼增大，減搖力矩的峰值左移，對應(yīng)的頻率下降．

在圖5(d)、(e)、(f)中，激勵幅值不變，液位145 mm，不同的通透率對于峰值頻率的影響十分明顯．高通透率對應(yīng)高的峰值頻率．高的通透率也使得力矩的幅值顯著增大．

定義各個曲線的峰值點對應(yīng)的頻率為峰值頻率，各個工況對應(yīng)的峰值頻率和力矩大小如表6所示．

表6 U型艙試驗的峰值頻率和對應(yīng)力矩Tab.6 Peak frequency and corresponding moment of U-shape tank test

圖6為U型艙在不同激勵幅值下的相位p結(jié)果．由圖6可以觀察到，通透率對于相位結(jié)果的影響非常大，能夠顯著改變相位在整個頻域范圍內(nèi)的大小．100%通透率在相位上相較其他3種工況有明顯的劣勢．首先是在高效相位區(qū)間(45°～135°)頻率范圍?。浯问窃?°和2°激勵幅值的情況下會在0.4 Hz以上的區(qū)間產(chǎn)生增搖作用．通過增加阻尼板可以明顯改善這一情況，有效縮小

增搖區(qū)間．減搖水艙在大激勵幅值4°工況下會有更大的有效工作區(qū)間，但在高頻處依然會有增搖現(xiàn)象．

綜上所述，70%～85%通透率可以兼顧減搖的力矩和相位，同時有效縮小增搖區(qū)間．而且減搖水艙在大幅度的激勵下會有更大的有效工作范圍．

3.2 槽型艙試驗結(jié)果

如圖7(a)所示，不同通透率對槽型艙力矩幅值的影響包括幅值大小和峰值頻率兩部分．通透率會顯著影響槽型艙減搖力矩的幅值，隨著通透率下降，力矩的幅值也減小，這一點與U型艙相似．但對峰值頻率的影響較小，各個工況對應(yīng)的峰值頻率并不會像圖5中發(fā)生顯著的變化．

(a) 1°激勵幅值

(a) 變通透率下幅值

圖7(b)中展示了激勵幅值對于減搖力矩幅值大小和峰值頻率的影響，減搖力矩的峰值隨著激勵幅值的增大而增大，峰值頻率隨著減搖水艙激勵幅值增大而減小．這一現(xiàn)象可以看作是阻尼作用在大幅運(yùn)動中影響增大．

由圖7(c)可見，液位對于減搖力矩的影響十分顯著．減搖力矩幅值隨著液位升高而增大；峰值頻率隨著液位升高而增大，不同工況之間差異非常明顯，而且65 mm液位并未出現(xiàn)對應(yīng)的峰值頻率．

由圖7(d)可見，通透率對減搖力矩的相位也有明顯的影響，1°激勵幅值下55%通透率工況的有效頻率范圍要大于其余3種工況．在4°激勵幅值下，通透率帶來的影響更加顯著．55%和70%通透率可以有效消除在高頻可能出現(xiàn)的增搖現(xiàn)象．

由圖7(e)可知，激勵幅值也是影響減搖力矩相位的因素之一，在2°和4°工況中，處于有效相位區(qū)間的范圍明顯大于低幅值的情況．即槽型艙在較大幅值的激勵下會有大的減搖頻率范圍．

由圖7(f)可知，不同的液位也對減搖力矩的相位產(chǎn)生影響，中低液位的65 mm工況相位明顯滯后于105 mm與145 mm的，由此可見較高液位有利于保持減搖力矩處于有效相位區(qū)間內(nèi)．

綜上所述，對槽型艙而言，145 mm液位、70%通透率和較大激勵幅值有利于減搖水艙發(fā)揮減搖效果．對于小激勵幅值的情形可以靠減小通透率和提升液位來增大減搖頻率范圍．

4 結(jié) 論

(1)液位同時也是水艙中液體質(zhì)量的體現(xiàn)，適量的液體質(zhì)量不僅可以增大減搖力矩，還能增大減搖水艙的有效工作頻率范圍．通透率可以從峰值頻率和有效工作頻率兩方面來影響減搖力矩．可以調(diào)節(jié)通透率來獲得更大的減搖力矩和更大的有效工作頻率范圍，在較大激勵幅值的情況下，還可以避免增搖現(xiàn)象的出現(xiàn)．激勵幅值不僅會對減搖力矩的幅值產(chǎn)生影響，更會在頻域中影響峰值頻率的位置和相位．

(2)由試驗結(jié)果分析可以得出，液位、通透率和激勵幅值都會對減搖水艙的工作產(chǎn)生明顯影響．減搖水艙產(chǎn)生的減搖力矩在頻域中的幅值和相位都會受到這3種因素的影響．減搖力矩在頻域中的性能會隨著激勵幅值動態(tài)地改變，對減搖水艙性能的評估不能單純基于固有頻率，而要綜合多種因素來考慮，開展對應(yīng)的試驗是一種有效且可靠的方法．

(3)對本文中的兩種水艙而言，70%～85%通透率和145 mm液位能夠保證水艙減搖力矩的幅值和相位都處于較好的工作區(qū)間．水艙在較大的激勵幅值中性能表現(xiàn)更佳．

(4)本文的試驗方法直接測量液體運(yùn)動產(chǎn)生的力矩以及對應(yīng)的自由表面圖像，可為以后的數(shù)值模擬工作打下基礎(chǔ)．