不同姿態下救生艇高空自由下落的動力學特性

張大朋，嚴 謹，趙博文

（1.廣東海洋大學船舶與海運學院，廣東 湛江 524088；2.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021）

0 引 言

海上結構物在入水過程中會受到很大的沖擊載荷，嚴重影響結構內部的安全，因此對海上結構物入水問題進行研究具有重要意義。海上結構物入水是一個典型的非線性問題［1］。飛機迫降入水、空投魚雷、救生艇拋落和航天飛行器水上回收等都是典型的結構物入水問題。結構物在入水過程中會面臨人員安全、結構損傷破壞和器件失效等方面的諸多問題，因此研究結構物入水問題對于船舶和水下武器等結構物的強度設計而言具有重要意義。VON KARMAN［2］在研究結構物入水問題時，從理論層面推導了入水沖擊載荷的計算公式。WANGER［3］考慮了入水過程中水面升高的情況，使理論解更接近真實情況。隨著理論研究的不斷深入，試驗與數值模擬研究不斷增多。CARCATERRA等［4］和YETTOU等［5］開展了楔形體入水試驗，研究了結構物質量、入水角度和入水速度對結構表面壓力的影響。近年來，國內外學者針對不同外形的結構物入水問題開展了大量試驗和數值仿真工作［6-10］，內容涉及空投魚雷、航行器回收和彈塑性結構入水等，但很少對救生艇高空自由下落入水問題進行研究。

作為一種典型的海上結構物，救生艇是船上最主要的救生工具，是船上人員用于自救或援救其他海上遇險人員的專用救生工具。救生艇從船上降落到水面上一般有自由下落、拋落、用吊艇架釋放和用模擬裝置釋放等多種形式［11-13］。與其他形式相比，自由下落耗時較短，通常在情況比較危急時采用。有必要對這種緊急情況下的救生艇下落過程進行仿真分析。

1 救生艇高空自由下落計算模型的建立

1.1 救生艇幾何模型

1.1.1 救生艇的幾何參數

本文的計算模型為一艘長度接近8 m的剛性充氣救生艇，其在水線以下的外形為典型的楔形，舭部橫向斜升角為22°。該救生艇的三維模型圖和中橫剖面圖分別見圖1和圖2，主尺度參數見表1。

圖1 救生艇的三維模型圖

圖2 救生艇的中橫剖面圖

表1 救生艇的主尺度參數

1.1.2 計算區域

計算區域的固定坐標系原點為船尾垂線與中縱剖面基線的交點，x軸指向船首為正，y軸指向左舷為正，z軸垂直向上為正。艇體在距離水面h=15 m的高度處自由下落。背景區域大?。洪L度方向的邊界距離艇首和艇尾分別約為2.5倍艇長；寬度方向的邊界距離救生艇兩舷側約2倍艇長；頂部邊界距離甲板為下落高度h；底部邊界距離船底為2h。

1.2 救生艇幾何模型的網格劃分

當結構物落入水中時，在入水前期會激起自由液面（水介質）的劇烈運動。因此，對自由液面處的網格進行加密，z方向的網格逐層遞減，平穩地過渡到大的背景網格。同時，對重疊區域做落體運動的軌跡進行加密，其尺寸與重疊網格區域的尺寸相同，以確保重疊交界面插值的準確性。生成的重疊網格數量約為115萬個，背景區域網格數量約為306萬個，總計約有421萬個網格。

2 計算結果

2.1 救生艇以水平姿態自由下落時的動力學響應

2.1.1 物理量變化

圖3為艇體從h=15 m高度處垂直自由下落過程中的垂向加速度、垂向速度和垂向力的時歷曲線。艇體入水時，其加速度在t=1.77～1.81 s的極短時間內增大至300 m/s2以上，方向由豎直向下變為豎直向上。同時，艇體的垂向速度在方向相反的垂向加速度的作用下瞬間減小。在t=3.00 s之后，艇體的加速度逐漸衰減至0，下落過程中產生的能量不斷被消耗，速度逐漸趨向于0，最終靜浮在水面上。在艇體入水初期，其濕表面積迅速增加，水體對救生艇的垂向力瞬間增大至1×106N，艇底受到的抨擊壓力在此刻達到峰值。

圖3 艇體從h=15 m高度處垂直自由下落過程中的垂向加速度、垂向速度和垂向力的時歷曲線

圖4為艇體垂直自由下落過程中的下落距離和體旋轉角度。由圖4a可知，艇體落入水中之后，其底部周圍的介質由氣體變成了液體，受到水的阻滯作用，艇體的下落速度減緩，下落距離緩慢增加，在t≈2.38 s

時下落距離達到最大，約為16.21 m。由圖4b可知，在艇體入水瞬間，縱搖角度瞬間增大，部分水體從艏部溢到甲板上，從而加劇了艇體的艏傾。在艇體入水之后，其周圍的水體將其從水下抬出，艇體的縱搖角度減小。入水過程對救生艇橫搖自由度的影響很小，橫搖的幅度和頻率均較小，橫搖時歷曲線中的峰值和谷值基本上都是由甲板上浪引起的。艏部上浪之后水體沿甲板流到中部，導致左右舷側受力不均，艇體沿x軸方向搖晃。艏搖的時歷曲線與橫搖和縱搖的時歷曲線有所不同。艇體入水之后在轉艏方向并不是左右搖擺的，而是一直偏向右舷，這主要是由左右舷側周圍不均勻流場導致的。

圖4 艇體垂直自由下落過程中的下落距離和體旋轉角度

2.1.2 自由液面

圖5為典型時刻的自由液面。由圖5可知，艇體撞水之后艏部吃水會增加，艇體出現嚴重的埋艏現象。艏部周圍的水體沿著艏柱和舭部爬升，同時舷側的水流被艇體向外推開，形成一個波峰。當t=2.47 s時，艇體的艏部已完全浸入水中，大面積的水流涌到甲板上。當t=1.99～2.47 s時，艇體的排水體積和吃水不斷增加，導致其浮力不斷增大，同時該過程中與艇體接觸的水體積累了部分能量，迅速將艇體托起，波峰向外擴散并匯入周圍水域。在t=3.35 s之后，水體的動能不斷耗散，艇體脫離水面之后其排水體積明顯減少，此時重力占主導作用，艇體在下沉過程中對底部水體產生擠壓作用，將其向外推開，從而在兩舷側形成t=4.79 s時刻的波峰，該波峰明顯低于觸水時的波峰。

圖5 典型時刻的自由液面

2.2 不同初始姿態下的艇體入水特性

下面選取橫傾10°、艏傾20°和艉傾20°等3種初始下落姿態作為研究對象，對不同下落姿態下的入水過程進行計算，并與垂直下落的情況相對比，探究下落姿態對艇體入水過程中的水動力特性的影響。

2.2.1 物理量對比

圖6為不同初始姿態下的艇體垂向加速度和垂向速度對比。由圖6a可知，4種初始姿態下的艇體垂向加速度曲線高度重合，說明艇體以不同下落姿態入水時的加速度變化趨勢幾乎一致。由圖6b可知，橫傾10°時的速度曲線的走勢比較平緩，說明該情況下艇體入水之后對水面的擾動作用較小?？傮w來說，艇體以不同姿態入水時的速度變化規律比較相似。

圖6 不同初始姿態下的艇體垂向加速度和垂向速度對比

圖7為不同初始姿態下的艇體下落距離和垂向力對比。由圖7a可知，初始姿態對艇體下落和入水階段的位移量沒有造成很大影響。入水結束之后，除了以艏傾20°的姿態下落時的艇體質心會在靜水面以下，其余幾種下落姿態下的艇體質心均在靜水面以下。由圖7b可知，4種下落姿態下的艇體垂向力變化趨勢幾乎一致，只是在觸水瞬間產生的垂向力峰值不同。當艇體觸水時，水對以垂直下落的姿態下落和以橫傾10°的姿態下落的艇體的反作用力最大，以艉傾20°的姿態下落次之，以艏傾20°的姿態下落最小。

圖7 不同初始姿態下的艇體下落距離和垂向力對比

圖8為不同初始姿態下的艇體旋轉角度對比。由圖8可知，當t=2.00～2.50 s時，橫搖曲線快速上升并達到第一個波峰。該過程中艇體右舷對周圍水體的擾動使水體積累了部分動能，將艇體托舉至靜水面以上，并大幅度向左舷傾斜。此后艇體在重力的作用下快速跌落并向右舷搖晃，橫搖曲線快速上升，當t=4.50 s左右時達到第二個波峰。在縱搖曲線中，橫傾10°的曲線與垂直下落的曲線在t=2.00 s時高度重合。在t=2.00 s之后，艏艉部分流場的分布不均勻導致2條縱搖曲線的走勢有所不同。橫傾10°的縱搖曲線在t=3.00 s之后又出現了一個波峰，說明艇體又經歷了一次艏傾運動。橫傾10°的艏搖曲線在艇體下落和入水過程中經歷了平穩下降、快速跌落和緩慢下降等3個階段。從艇體觸水到t=3.00 s之前，左右兩舷側的排水體積不同導致水體對兩舷側的作用力分布不均，艇體產生一個轉艏力矩并在該力矩的作用下轉向右舷。當t=3.00～4.75 s時，橫搖曲線迅速跌落至-45°左右，艇體快速向右舷偏轉，在t=4.75 s之后艇體和水的動能逐漸衰減，艇體在慣性的作用下緩慢向右舷偏移。

圖8 不同初始姿態下的艇體旋轉角度對比

以艏傾20°的姿態下落與以艉傾20°的姿態下落的入水過程有一定的相似之處。艇體傾斜入水過程中出現忽撲現象帶來的俯仰力矩使艇體的縱搖角度發生了很大改變。艏傾20°的橫搖曲線和艏搖曲線近乎為直線，艇體姿態在這2個自由度上幾乎沒有發生改變。艉傾20°的橫搖曲線的波動范圍大部分在0°以下，說明艇體入水之后在大部分時間內均向右舷橫傾。艏搖曲線的總體變化趨勢是下降的，但在下降過程中會在某些時段內小幅度上升，其中上升的幅值小于總體下降的幅值。

圖9為不同初始姿態下的艇體平移距離對比。橫蕩為艇體沿y軸的平移距離，縱蕩為艇體沿x軸的平移距離，二者的大小均是相對于固定坐標系而言的。圖9a中：艏傾20°的橫蕩曲線近乎為一條直線，說明入水過程中艇體幾乎沒有發生y軸方向上的平移；橫傾10°和艉傾20°的橫蕩曲線為逐漸上升的曲線，其中橫傾10°的橫蕩曲線的上升速率和幅度均大于艉傾20°的橫蕩曲線。以艉傾20°的下落姿態入水之后，艇體縱搖角度的最大值將近30°，此時艇體已出現嚴重的埋艏現象，大量水體沿著艇體艏部和舷側涌到甲板上，兩舷側的水流變得不均勻，艇體處在復雜的非均勻流場中，流場的強非線性給艇體在y軸方向的運動帶來了很多不確定性。圖9b中，橫傾10°和艉傾20°的縱蕩曲線關于0°上下對稱且幅值較小，說明二者在艇長方向的運動規律比較相似，區別在于前者向艏部方向平移，后者向艉部方向移動。

圖9 不同初始姿態下的艇體平移距離對比

2.2.2 自由液面對比

救生艇以橫傾10°、艏傾20°和艉傾20°等3種初始下落姿態入水之后典型時刻的自由液面變化云圖見圖10～圖12。當初始下落姿態為橫傾10°時，艇體觸水時的橫搖角度為負值，左舷率先與水面接觸，水流沿左舷向上爬升，為保證有足夠的浮力支撐起整個艇體，艇體向右舷傾斜以增加吃水。艇體向右舷橫傾時整個甲板的上浪情況比較嚴重。

圖10 救生艇以橫傾10°的初始下落姿態入水之后典型時刻的自由液面變化云圖

圖12 救生艇以艉傾20°的初始下落姿態入水之后典型時刻的自由液面變化云圖

圖11 救生艇以艏傾20°的初始下落姿態入水之后典型時刻的自由液面變化云圖

圖12中，艇體艏部入水之后在艏部進流段方向上激起一股浪花，水流從艇體兩肩處涌上甲板。艇體的艏部上翹，中后部向下擠壓水體并將水流向兩側推開。艇體艉部周圍被擠壓的水體迅速向上反彈，在t=3.27 s時在艇體艉部后方形成一個波峰，同時兩側自由面凹陷形成波谷。水體給艇體艉部施加了一個推動艇體向x軸正方向平移的反作用力。當t=4.47 s時，艇體已離開觸水時的位置，原來波峰的位置變成了波谷，波谷兩側產生了波峰。此后，艇體緩慢向前方移動，甲板上的水體部分在艇體向前運動過程中從艉部緩慢流出。

對于艉傾和艏傾入水而言，在艇體入水前期，二者的自由液面的變化比較相似，該變化都是由艇體下沉并將水體向艇體兩側推開引起的。不同的是，在以艉傾姿態觸水瞬間，艉部的排水體積瞬間增大，整個艉封板被水浸濕，而以艏傾姿態觸水時，艉后方的自由液面有小幅度的下降，水體不會接觸到艉封板。在t=3.20～5.60 s時段內，艇體主要處于橫搖、橫蕩和艏搖等3個自由度的耦合運動狀態下，甲板上的水體在該時段隨著艇體的晃蕩不斷從兩舷側流出。

3 結 語

本文以一艘剛性充氣艇為計算模型，基于動態重疊網格法對其從某高度處以不同姿態自由下落的過程進行了數值模擬，得出了救生艇從高空自由下落過程中各物理量的變化，并對比分析了艇體以不同下落姿態入水的動力學響應特性，主要得到以下結論：

1）在艇體入水過程中，艇體受到水對結構施加的各種反作用力，主要包括2種載荷，分別是觸水瞬間的沖擊力和入水過程中的撞擊力。不同初始下落姿態對艇體在入水過程中受到的沖擊載荷的影響不大。

2）艇體初始下落姿態決定了其入水之后的運動狀態，其中橫傾入水時艇寬方向上的運動比較劇烈，艏傾和艉傾入水時艇長方向上的運動比較劇烈。

3）不同初始下落姿態對自由液面的總體影響的變化規律大致相同。以4種初始下落姿態入水均會出現水體涌上甲板的情況，其中艏傾幅度較大和艇體出現埋艏現象時甲板上浪現象比較嚴重。通過調整艇體初始下落姿態，可改變艇體的入水角度，進而有效減輕甲板上浪現象。