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1、硕士学位论文超大型船载液舱晃荡冲击荷载的研究I n v e s t i g a t i o no fS l o s h i n gI m p a c tL o a d si nL a r g eS h i pT a n k学号：2 11 Q 墨Q Q 3大连理工大学D a l i 她U n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途
2、使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：盘盘翌丝氩i 盔照量鱼埠垂垂盆垫塑笪作者签名：二车红_ 望篮兰L 一日期：二雌年上月且日大连理工大学硕士学位论文摘要船舶储液货舱正在向超大型容积发展，液舱在部分装载时，舱内液体晃荡问题会愈加显著。由晃荡引起的冲击荷载能够使舱壁结构产生较大的结构响应，甚至会导致液舱舱壁结构的破坏，带来巨大的经济损失。因此，船载液舱舱壁结构设计的一个关键力学问题是舱内晃荡冲击荷载的评估。室内大比尺晃荡模型实验是最能反映舱内液体晃荡物理过程的研究方法，也是应用最为广泛，且成
3、果最显著的研究方法。为此本文建立了先进的晃荡模型实验研究方法，包括大吨位的六自由度运动平台，中大比尺的模型液舱，精确的荷载响应测量系统以及系统的后处理方法。大比尺晃荡模型实验研究方法的建立是准确评估液舱晃荡冲击荷载的基础。本文设计了一系列规则和不规则激励下的二维矩形舱和八边形舱的晃荡冲击荷载实验，分别从荷载机理和工程应用两个方面开展研究工作。荷载机理研究主要以晃荡冲击荷载的影响参数，时空分布及统计分析三个方面开展研究工作：舱内特殊物理现象对晃荡冲击荷载的影响；晃荡冲击荷载随液舱运动幅值，周期及液舱载液率的关系；晃荡冲击荷载随时间和空间的变化；晃荡冲击荷载的上升时间，持续时间和脉冲偏斜度等。研究
4、结果表明：晃荡冲击荷载对液舱运动周期，幅值和载液率等参数非常敏感，且舱内液体不同的冲击物理现象会带来不同的冲击荷载形式；舱内液体主要冲击位置处以下区域垂直和水平方向都具有线性相关性；晃荡冲击荷载的上升时间和持续时问均为毫秒量级，且具有一定的时间属性。针对薄膜型液化天然气储液舱开展一系列面向工程应用的设计晃荡荷载研究：晃荡冲击荷载冲量和荷载冲击时间在结构设计时的应用；引起最大结构动响应的简化晃荡冲击荷载；原型液舱晃荡冲击荷载的研究等。研究成果表明：峰值较大的晃荡冲击荷载的上升时间位于能够液舱侧壁结构产生较大动响应的范围，而简化的晃荡冲击荷载形式可以为结构响应分析提供荷载参考；直接采用F r o
5、u d e 相似得到的原型液舱冲击荷载结果偏于保守，需要开展进一步的研究工作。关键词：晃荡冲击荷载：大比尺模型实验：荷载机理研究：设计晃荡荷载超大型船载液舱晃荡冲击荷载的研究I n v e s t i g a t i o no fS l o s h i n gI m p a c tL o a d si nL a r g eS h i pT a n kA b s t r a c tA st h ec a p a c i t yo fs h i pt a n kh a sb e e nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e d 1 i q u i ds l o
6、 s h i n gw i 也p a r t i a l l yf i l l i n gl e v e lc a l lr e s u l ti ns i g n i f i c a n ti m p a c tl o a d so nt a n ks t r u c t u r e I m p a c tl o d a si n d u c e db ys l o s h i n gc a l lc a u s eh i 曲t a n kw a l ls t r u c t u r ed y n a m i cr e s p o n s e S os l o s h i n gi m p
7、a c tl o a d si sak e yi s s u ei nt h es t r u c t u r ed e s i g no fl a r g ev o u m el i q u i dt a n k T h el a r g e-s c a l es l o s h i n gm o d e le x p e r i m e n t a lm e t h o dw h i c hc a nt r u l yr e v e a lt h ep r o c e s so fl i q u i ds l o s h i n gi nt a n ki st h em o s tr e
8、l i a b l ea p p r o a c ht od e t e r m i n ei m p a c tl o a d s Aw e l l-e q u i p p e de x p e r i m e n t a lm e t h o dw a ss e tu pi no r d e rt oe s t i m a t et h el o a d sa c c u r a t e l ya n dr e l i a b l yi nt h i sp a p e r H e x a p o dt e s tr i g，l a r g e-s c a l em o d e lt a n
9、 k，p r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e ma n ds t a t i s t i c a lp o s t-p r o c e s s i n gm e t h o dw e r ee m p l o y e d As e r i e so fm o d e lt e s t si nb o t h2 Dr e c t a n g u l a rt a n ka n d2 Dp r i s m a t i ct a n ks u b j e c t e dt or e g u l a ra n di r r e g u l a re
10、x c i t a t i o nw e r ep e r f o r m e do nt h eh e x a p o dt e s tr i g，r e s p e c t i v e l y T h e r ea r et w op r i m a r ya s p e c t so ft h i sp a p e r：l o a dm e c h a n i s ms t u d ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n T h el o a dm e c h a n i s ms t u d yf o c u s eo nt h
11、 es l o s h i n gp h y s i c a lp h e n o m e n o n，i n f l u e n c ep a r a m e t e r s(e x c i t a t i o na m p l i t u d e，p e r i o da n df i l l i n gl e v e lo ft h et a n k)，s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o na sw e l la ss t a t i s t i c a la n a l y s i so fs l o s h i
12、 n gi m p a c tl o a d si nm e c h a n i s ms t u d y R i s et i m e，d u r a t i o na n ds k w e n e s sd i s t r i b u t i o no ft h ei m p a c tl o a d sa r ei n v e s t i g a t e di nt h es t a t i s t i c a la n a l y s i s T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n t
13、s l o s h i n gp h e n o m e n o ni nt h et a n kC a nc a u s ed i f f e r e n ti m p a c tl o a d sp a t t e r na n dt h el o a d sa r es e n s i t i v et ot a n ke x c i t a t i o na m p l i t u d e，p e r i o da n df i l l i n gl e v e l；T h ei m p a c tl o a d sp e r f o r ml i n e a rc o r r e l
14、 a t i o nb o t hi nt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o nb e l o wt h ei m p a c ta r e a s；T h er i s et i m ea n dd u r a t i o no fi m p a c tl o a d sa r em i l l i s e c o n d sw h i c hs h o ws o m ec e r t a i np r o p e r t i e s D e s i g ns l o s h i n gl o a d sf o
15、 rm e m b r a n e t y p eC C S(c a r g oc o n t a i ns y s t e m)t a n ks t r u c t u r a ld e s i g na r ea l s oi n v e s t i g a t e d I tf o c u s eo nt h ea p p l i c a t i o no f b o t hi m p a c tl o a d si m p u l s ea n dr i s et i m ei ns t r u c t u r a ld e s i g n A ni d e a l i z e dt
16、r i a n g u l a rd e s i g nl o a d sa n dp r o t o t y p ep r e s s u r ei nar e a lt a n kb yF r o u d es c a l i n ga r ep r e s e n t e d I ti sr e p o r t e dt h a tas h o r tr i s et i m ef o rh i 曲p r e s s u r ep e a k sw h i c hC a ni n d u c el a r g es t r u c t u r a ld y n a m i cr e s
17、p o n s e T h ep r o t o t y p ep r e s s u r eo b e t a i n e db yF r o u d es c a l i n gi sc o n s e r v a t i v ea n d s o m ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u t K e yW o r d s：S l o s h i n gI m p a c tL o a d s；L a r g e s c a l eM o d e lT e s t；L o a dM e c
18、 h a n i s mS t u d y；D e s i g nS l o s hi n gL o a d s大连理工大学硕士学位论文目录摘要IA b s t r a c t I I1绪论11 1 研究背景及意义11 2 研究问题阐述21 2 1 液体晃荡现象及影响参数21 2 2 晃荡冲击荷载特点及其类型31 3 晃荡冲击荷载的研究概述41 3 1理论研究方法41 3 2 数值仿真研究51 3 3 模型实验研究61 4 本文主要研究内容92 晃荡冲击荷载分析流程1 02 1前言1 02 2 液舱晃荡分析流程1 02 3 晃荡冲击荷载分析流程1 12 4 液舱结构响应分析流程1 22 5 本
19、章小结1 33 晃荡冲击荷载实验研究方法的建立1 43 1前言1 43 2 理论与数值方法1 43 2 1 线性势流理论1 43 2 2C F D 数值计算1 73 3 晃荡模型实验系统1 73 3 1半物理子结构仿真实验系统1 73-3 2 单自由度平动平台和六自由度运动平台1 93 3 3中大比尺液舱模型2 13 3 4 荷载响应测量装置2 33 3 5 数据及图像采集系统2 53 4 晃荡模型实验工况的设计2 53 4 1 液舱载液率2 6超大型船载液舱晃荡冲击荷载的研究3 4 2 液舱外激激励一2 63 4 3 其他参数2 63 5 晃荡模型实验数据后处理方法2 63 6 理论、数值和
20、实验的对比验证及结论2 93 7 本章小结j 3 04 晃荡冲击荷载的机理研究3 14 1前言h 314 2 晃荡冲击荷载的参数研究和时空分布314 2 1晃荡冲击荷载与液舱载液率的关系。3 14 2 2 实验研究模型及工况设计3 24 2 3 液体晃荡的水跃现象3 54 2 4 晃荡冲击荷载与外激频率和幅值的关系3 64 2 5 晃荡冲击荷载的时间和空间分布4 44 3 晃荡冲击荷载的统计分析4 94 3 1实验研究模型及工况设计一4 94 3 2 晃荡冲击荷载的冲击率计算。5 04 3 3 晃荡冲击荷载的超越概率分布5 14 3 4 晃荡冲击荷载上升，持续时间和脉冲偏斜度5 34 4本章小
21、结5 85 面向液舱设计的晃荡冲击荷载评估5 95 1前言5 95 2 实验研究模型及工况设计6 05 2 1 液舱模型及传感器布置6 05 2 2 模型实验工况设计一6 l5 3 晃荡冲击荷载冲击率计算6 25 3 1 冲击荷载时程曲线6 35 3 2 缩比木箱的荷载冲击率计算6 45 4 冲击荷载冲量的超越概率6 55 4 1 冲击荷载的冲量计算6 55 4 2 荷载冲量的超越概率6 75 5 冲击荷载的上升时间和简化形式6 8大连理工大学硕士学位论文5 5 1 冲击荷载的上升时间一6 85 5 2 冲击荷载的简化形式7 05 6 原型液舱晃荡冲击荷载7 25 7 本章小结7 3结论一7
22、5参考文献7 6攻读硕士学位期问发表学术论文情况8 0致谢8l大连理工大学学位论文版权使用授权书8 2大连理工大学硕士学位论文1绪论1 1 研究背景及意义晃荡现象广泛存在于航空航天，海洋工程以及各种陆上工程领域，如火箭的液体燃料舱，大型的船载液舱，陆地储液运输装备等。对于移动的具有自由表面的液舱装置都有可能发生液体的晃荡现剩。快速增长的世界经济带动了海洋能源工业的高速发展，使得如大型原油货船(V e r yL a r g eC r u d eC a r t i e r，V L C C)，液化石油气船(L i q u i dP e t r o l e u mG a s，L P G)，液化天然气船
23、(L i q u i d N a t u r a lG a s，L N G)以及浮式液化天然气船(F l o a t i n gL i q u i d N a t u r a lG a s，F L N G)等海洋能源开采运输装备得到广泛的建造与应用。这些船舶的一个共同特点就是都具有超大型的储液货舱，在部分装载工况及复杂的海洋环境下，储液舱内液体的晃荡现象将会非常显著。液化天然气L N G，其常压下的液化温度为零下1 6 3 0C，液化后体积仅为气态时体积的1 6 0 0，液化方式的高效性和天然气本身的清洁性使得深远海天然气的开发利用受到极大青睐【2 ，而由此也带来了开采及运输装备的广泛研发与建
24、造。对于深远海天然气的开发，一般利用采气平台和穿梭液化天然气船舶进行开采及运输，而其中又以具有薄膜型储液舱的L N G 船舶为主，随着对液化天然气需求量的不断增大，L N G 船舶的设计载液容积也随之增大，甚至达到2 5 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 m 3。由于相应的储液舱数目仍维持在如5 个，使得单个储液舱的设计容积不断增大，由此带来的舱内液体晃荡问题将会更加显著。而由晃荡引起的冲击荷载严重时会导致液舱舱壁结构破坏及舱内泵塔结构的变形，而一旦液舱发生破损将会引发液体的泄漏，带来环境污染。据记载到目前为止，已经有4 起因为晃荡冲击荷载导致液货舱损坏的事故【3 J。同时，一种集开采、
25、分离液化、存储及外输于一体的新型浮式液化天然气储卸装置，F L N G 船舶也正在进行研发与建造。由荷兰皇家壳牌公司，法国G T T 公司(G a z t r a n s p o r t&T e c h n i g a 互)以及韩国三星重工集团合作研发并建造的全球第一艘，年产3 5 万吨天然气的大型F L N G 船舶“P r e l u d e”号预计将于2 0 1 7 交付投产【4 J。新装置的使用将会大大提升深远海天然气开采及运输方式的先进性和经济性，其中F L N G 船舶的液货维护系统，即储液舱设计将会沿用现有的L N G 船舶薄膜型液舱或S P B 型液舱。与L N G 船舶相比，
26、除了同样具有超大容积的薄壁储液舱外，F L N G 船舶长期服役时还将面临更加复杂多变的海洋环境荷载以及储液舱内连续变化的装载水平，这些都会使得储液舱内液体晃荡问题更加突出，而晃荡引发的冲击荷载问题也越来越显著。超大型船载液舱晃荡冲击荷载的研究因此，晃荡冲击荷载是L N G 船舶及F L N G 船舶薄膜型储液舱结构设计中一个无法回避的问题，而准确有效的评估舱内晃荡冲击荷载分布及其特性对于液舱结构设计及船舶性能分析有着至关重要的作用。1 2 研究问题阐述1 2 1 液体晃荡现象及影响参数对于满载或空载的液舱，是不存在晃荡现象的，而只有对于移动的具有自由表面的液舱装置才有可能发生液体的晃荡现象，
27、且当液舱运动周期接近于自由液面的固有周期时，液体晃荡最为剧烈 1】。不同的液舱运动激励，舱内液体晃荡时通常会产生4 种不同的波形，即驻波，行波，水跃以及三者的组合【5】。而伴随着不同的液体晃荡波形，会发生更多复杂的物理现象，如波的翻转与破碎，砰击，气液两相流，气穴效应等，如图1 1 所示。图1 1 液体晃荡现象F i g 1 1L i q u i ds l o s h i n gp h e n o m e n o n当液舱在低载液率，且运动周期远离自由液面固有周期时，舱内液体晃荡会形成驻波，随着液舱运动周期接近于自由液面的固有周期，驻波会变成波长较短的行波【6 1。当液舱运动周期位于水跃形成的
28、周期范围内时，舱内液体会产生水跃，由于运动周期的不同使得水跃现象发生的时间不同，较早形成的水团在还未冲击舱壁壁面时，就发生了翻转破碎的现象，而形成较晚的水团会在冲击完舱壁后才发生破碎，并产生较大的冲击荷载。舱内液体晃荡冲击舱壁时，有时会发生对气体的截留作用，即液体水团与舱壁之间有空气截留，再之后会形成大量的气泡，发生气穴效应，这种气体和液体共同作用下的晃荡冲击荷载一般非常大。大连理工大学硕士学位论文晃荡具有高度的非线性，这种非线性受多个参数影响【刀1)船体运动，即液舱运动的外激激励：2)液舱整体形状尺寸及舱内局部结构的形状尺寸；3)液舱的载液率；4)液化天然气密度，气液密度比，压缩率及表面张力
29、等流体的物理特性等。当液舱形状尺寸和舱内流体物理特性确定后，液体晃荡主要与液舱运动激励和载液率相关。如图1 1 所示，不同的液舱运动激励会产生不同的晃荡物理现象，而不同的物理现象又形成了不同的晃荡冲击荷载形式。低载液率时，舱内液体会形成水跃，波的翻转破碎等现象，并且液体主要冲击液舱的侧壁位置。而液舱高载液率时液体对液舱的冲击过程有所区别，如图1 2 所示 8】，为液体晃荡对舱顶冲击的三种不同过程。图1 2(a)中，在液体冲击舱顶前，自由液面与液舱侧壁具有一定夹角，液体向上高速喷射冲击舱顶，与舱顶的接触面积较小，形成局部的幅值较大的冲击荷载；图1 2 C o)中，在液体冲击舱顶前，自由液面平坦光
30、滑，之后液体向上冲击舱顶，与舱顶的接触面积较大，形成较大的冲击荷载；图1 2(c)中，液体水团冲击舱顶时，与舱顶，侧壁共同作用将气体截留，并产生大量气泡，发生气穴效应。(b)o 二厂鼍壁，2 1罗1 葛争1 雩置图l-2 液舱高载液率，液体晃荡对舱顶的冲击形式：(a)高曲率自由液面的水动力冲击(b)平坦光滑自由液面的水动力冲击(c)气体截留冲击F i g 1 2L i q u i di m p a c tt y p eo nt a n kr o o ff o rah i g hf i l l i n gl e v e l：(a)h i【g hc u r v a t u r eh y d r o
31、 d y n a m i ci m p a c t(b)h y d r o d y n a m i ci m p a c t 谢也af l a tf r e es u r f a c e(c)i m p a c tw i t hag a sc u s h i o ne n t r a p p e d(R o g n e b a k k ee ta 1，2 0 0 6)1 2 2 晃荡冲击荷载特点及其类型由液体晃荡引起的局部荷载分为冲击荷载和非冲击荷载两类，当舱内液体晃荡形成驻波形式时，其对舱壁一般表现为非冲击荷载，如图1 3(a)所示。冲击荷载是指液体对舱壁冲击产生的瞬时高脉冲荷载，持续时间一
32、般为几毫秒量到十几毫秒，且冲击具有局部性。由于舱内液体晃荡时会发生不同的物理现象，所以其产生的冲击荷载形式也不尽相同。液舱低载液率运动时，舱内液体形成水跃，在冲击液舱侧壁发生破碎，这种情况形成的冲击荷载一般为双峰形式，如图1 3(b)所示，第一个峰值是液体对舱壁的冲击性动压，第二个峰值是由于液体惯性力作用下产生的非冲击性动压。液舱高载液率运动时，超大型船载液舱晃荡冲击荷载的研究液体晃荡对于舱顶的直接冲击产生的水动力冲击荷载形式，如图1 3(c)所示。液舱在低载或高载液率运动时，都有可能发生液体水团和舱壁将气体截留的现象，并产生大量的气泡，形成气穴效应，这种情况下的晃荡冲击荷载具有振荡性，并保持
33、一定的衰减特性，同时冲击位置会出现负压的结剁9 1，如图1 3(d)所示。誊奁图1 3 晃荡荷载形式：(a)非冲击荷载(b)水跃破碎冲击(C)水动力冲击(d)气泡冲击F i g 1 3S l o s h i n gp r e s s u r et y p e：(a)n o n-i m p a c tp r e s s u r e(b)b r e a k i n gw a v ei m p a c t(C)h y d r o d y n a m i ci m p a c tp r e s s u r e(d)i m p a c tp r e s s u r ew i t hag a sc u s
34、 h i o n晃荡具有高度的非线性和随机性，使得1)对于规则的液舱运动激励，液体晃荡引发的冲击荷载也不完全是规则的；2)对于液舱在相同激励运动时的两次冲击，其冲击荷载峰值的大小和发生时间也是不能完全确定的，但是可以根据其统计特性来进行晃荡冲击荷载的分析研究。一次典型的晃荡冲击过程主要包含荷载峰值大小，荷载上升时间和持续时间等信息叭。峰值大小表征了冲击荷载对舱壁冲击的强度，而上升时间和持续时间表征了冲击荷载对舱壁冲击的快慢和历程，上述参数值的不同都会带来液舱结构响应的不同，因此在开展液舱结构有限元分析时，冲击荷载必须从上述几个方面考虑加载方式。此外，舱内液体晃荡还会产生整体荷载，表现为对船体运
35、动的反作用。船体运动带来液舱运动，液舱运动引发舱内液体晃荡，而晃荡整体荷载又会反作用于船体运动，形成耦合作用【1 l】。1 3 晃荡冲击荷载的研究概述国内外学者及研究机构主要通过解析方法，数值仿真及模型实验三种方法开展对晃荡冲击荷载的研究工作，并得到大量成果。1 3 1 理论研究方法大连理工大学硕士学位论文液舱晃荡问题的理论研究主要建立在等效摆力学模型和势流假设理论的基础上，而势流假设主要包括线性势流理论【l2】和非线性多模态分卡厅【1 1。理论研究工作相对完善，但其局限性也显得特别突出。对于简单规则形状，没有内部结构且载液较高的液舱，可以通过线性势流理论和混合模态方法计算其自由液面的n 阶共
36、振频率以及在小幅值外激激励运动下的舱内液体波高变化和动压结果。然而对于任意形状的液舱和大幅值外激激励下的液舱运动，解析方法存在一定的局限性，只能通过摄动法，特征函数展开法和级数展开法l l J 等得到半解析解。对于载液较低的规则形状液舱，舱内液体晃荡时可能会发生水跃现象，使得势流假设不再成立，需要采用浅水波理论求解。1 3 2 数值仿真研究基于线性和非线性势流理论的数值计算方法主要包括四种：有限差分法(F i n i t eD i f f e r e n c eM e t h o d，F D M)，有限体积法(F i n i t eV o l u m eM e t h o d，F V M)，有
37、限元法(F i n i t eE l e m e n tM e t h o d，F E M)和边界元法(B o u n d a r yE l e m e n tM e t h o d，B E M)等【l 引。在处理具有自由液面的液体晃荡时，有限差分法最常用有效的两种算法为标记点(M a r k e ra n dC e l l，M A C)法和流体体积(V o l u m eo f F l u i d，V O F)法。其中，基于V O F法的液舱晃荡问题研究得到大量成果。C e l e b i 和A k y i l d i z t l 4】采用V O F 方法跟踪液体自由表面，模拟了二维矩形舱部
38、分装载下，舱内液体的晃荡问题以及竖直挡板对晃荡的影响情况。数值计算与解析解，模型实验值得到了比较吻合的对比结果，且竖直挡板在液舱低载液率时防晃作用显著。朱仁庆【”等对现有的V O F 法中速度边界条件进行了改进，避免了在液舱大幅值运动时，由于速度边界条件的不合适而导致数值计算的不收敛问题，使改进的V O F 法可以模拟液舱的大幅值晃荡问题，并通过模型实验方法验证了改进V O F 法的可行性。沈猛【1 6】等采用部分单元参数概念对传统的V O F 方法进行了改进，引入了混合自由表面边界速度条件，使得改进的V O F 法能够处理具有斜板等复杂边界的八边形液舱的晃荡问题。有限体积法同样在模拟液体自由
39、表面方面得到广泛应用，其离散控制方程能使自由表面的非线性边界条件得到较好的满足 1 7】。基于有限体积法的常用商业软件有F L U E N T，S T A R C D 及M S C D Y T R A N 等。由于液体的非线性，使得有限元法在液体晃荡问题方面的应用不如有限差分法普遍。基于任意拉格朗日一欧拉有限元(A L E F E M)法也产生了大量的研究成果，且如果能够解决流体有限元与结构有限元的配合问题，有限元法可用于分析流固耦合问题。边界元法的求解速度较快，且能得到较高的精度，但是在处理处理粘性流问题时有一定的缺陷。滕斌【1 8】等采用时域高阶边界元方法建立了自超大型船载液舱晃荡冲击荷载
40、的研究由液面满足非线性边界条件的数学模型，研究隔板在抑制液体晃荡方面的可行性，并且通过与相关文献数值结果的对比，验证了模型的准确性。随着无网格技术的发展，光滑粒子动力学方法(S m o o t h e dP a r t i c l eH y d r o d y n a m i c s，S P H)在液舱晃荡问题的研究中也得到了广泛的应用 1 9-2 2】。但是S P H 方法难以保证自由边界精度以及在计算中会出现张力的不稳定振荡。1 3 3 模型实验研究不同算法的数值计算，虽然在晃荡冲击荷载的评估方面都得到了广泛的应用，但是由于晃荡本身较强的非线性使得数值计算很难模拟晃荡时舱内复杂的物理现象，
41、如水跃现象，波的破碎，气泡效应等，而这些特殊的物理现象对晃荡冲击荷载的研究又至关重要，同时对于模拟长期船体运动，数值计算也具有一定的缺陷。因此，能够最大程度反映舱内流体晃荡现象的室内中大尺度模型实验仍然是评估液舱晃荡冲击荷载最有效，且应用最广泛的研究手段【2 3 2 引。基于模型实验的液舱晃荡问题研究，涉及内容较为广泛，包括：1)晃荡模型实验技术，2)晃荡冲击荷载的发生条件及影响参数，3)舱内液体晃荡特殊的物理现象，4)晃荡抑制，5)相似准则及比尺效应，6)面向液舱结构设计的荷载评估等。模型实验技术的研究主要集中于激励平台和测量技术两个方面。船体运动一般包含横荡，横摇，纵荡，纵摇，垂荡和艏摇六
42、个自由度，晃荡模型实验主要通过大吨位运动平台来复现船体运动，且运动平台在每个自由度的实现能力以及精度非常关键。早期的模型实验受技术所限，主要集中于船体单个自由度规则激励下晃荡实验的研究，并且多以矩形，球形等液舱作为研究模型。随着实验技术的不断提高，在室内利用六自由度运动平台模拟真实的不规则的船体运动变成了现实，而准确再现真实的船体不规则运动对于晃荡冲击荷载的研究是关键的一步。目前，国内外拥有先进六自由度运动平台的晃荡研究单位主要有法国G T T 公司，法国国际检验局B V，挪威海洋工程研究中心实验室M A R I N T E K，韩国首尔国立大学S N U，中国大连理工大学D U T 以及西澳
43、大利亚大学U W A 等，如图1 4 所示为上述研究单位六自由度运动平台的实物图，均可以精确实现规则和不规则的单自由度和多自由度耦合的运动激励。S Y K i m 和K H m 2 6 等对比分析了相同实验工况和模型液舱，韩国S N U 与挪威M A R I N T E K 两个不同运动平台下，舱内晃荡冲击荷载大小及分布的差异。从2 0 1 2 年开始，由法国G T T 公司组织 2 7-2 9 ，包括法国B V，南特中央理工学院，大连理工大学，韩国釜山国立大学等世界主要晃荡研究单位参与的一系列矩形舱标准实验，旨在对比分析相同运动激励在不同运动平台下的复现情况，以及晃荡冲击荷载对六自由度运动平
44、台实现方式和精度的敏感性。大连理工大学硕士学位论文 I。，S N U“D U T 图1 4 六自由度运动平台F i g 1 4H e x a p o dt e s tr i g晃荡模型实验主要通过压力传感器直接测量液舱舱壁的冲击荷载。由于液体冲击舱壁是一个非常复杂且随机性很高的过程，因此压力传感器能否捕捉并真实反映实际冲击荷载就非常关键，此外传感器的布点位置对于有效捕捉舱内晃荡冲击荷载的关键值也同样重要。用于晃荡模型实验冲击荷载测量的压力传感器一般有压电式和压阻式两种，其中压电式传感器对温度较敏感【3 0】，而压阻式传感器对温度不敏感，适合长期的晃荡冲击荷载测量实验【3 l】。根据受力原理的不
45、同，压阻式传感器一般分为针孔型和薄膜型两种，其中针孔型压力传感器对气体衰减振荡的物理现象较敏感，而薄膜型压力传感器测量得均值效应较突出【3 2】。由于晃荡冲击荷载的持续时间为毫秒量级，因此模型实验时传感器的采样频率对冲击荷载峰值的捕捉也非常关键，一般情况下应不低于2 0 k H z E 3 3 。影响晃荡模型实验准确程度的其他技术参数还包括，液舱载液率的误差，液舱在平台上安装位置的误差以及数据采集系统的误差等【3 4 3 6】。影响晃荡冲击荷载的主要参数包括液舱外激激励幅值和周期以及液舱载液率。祁恩荣等人【3 7】设计了三维晃荡模型实验，开展了不同液舱载液率下，系列规则和不规则外激激励的晃荡实
46、验，以研究晃荡冲击荷载特性。研究结果表明不论是规则还是不规则外激超大型船载液舱晃荡冲击荷载的研究激励，晃荡冲击荷载均表现出明显的随机性，多自由度耦合激励实验冲击荷载结果要大于单自由度激励的实验结果。卫志军等人 3 8-3 9】以大尺度的三维矩形舱为模型，开展了不同载液率下，小幅值平动外激激励的晃荡模型实验，旨在研究晃荡冲击荷载的时空分布规律及随外激激励幅值和周期的关系。研究结果表明外激激励周期越接近于自由液面的一阶固有周期，晃荡冲击荷载梯度受外激幅值的影响越大。H I K i m 等人 4 0】开展了二维八边形液舱在不同外激幅值和不同液舱载液高度的实验研究，并且得到了相应工况下的荷载时程曲线，
47、最大冲击荷载，冲击荷载峰值的平均值等信息。G B u l i a n 等人【4 1】以二维矩形舱为研究模型，开展低载液率的晃荡模型实验，分析了不同外激激励周期下，舱内晃荡现象的不同，并且得到了低载液率最大冲击荷载并不是发生在自由液面的一阶固有周期，而是发生在略大于一阶固有周期的实验。2 0 1 3 年的矩形舱标准实验【2 8】开展了高载液率下，不同外激激励形式，幅值和周期的单次冲击实验研究，旨在得到液体冲击舱顶时不同的物理现象对晃荡冲击荷载的影响。Y M J i 等人 4 2】在大幅值，远离自由液面一阶固有周期的外激激励下，开展了二维矩形舱模型实验研究，得到了不同的液体晃荡现象，大致分为三种类
48、型：驻波，在侧壁位置的液体翻转以及液体在舱壁之间来回晃荡时的破碎现象。晃荡抑制主要是通过在液舱内部加入防晃挡板，使液体晃荡的流场发生变化，从而达到降低晃荡冲击荷载的效果。其中防晃挡板的形状，尺寸及位置是影响阻晃效果的主要因素，此外柔性防晃挡板的阻晃效果要好于刚性挡板【4 3 1。将模型实验得到的晃荡冲击荷载还原到原型液舱中对于评估液舱结构强度非常关键。包括美国船级社A B S(矧，英国劳氏船级社L R 4 5 1，法国国际检验局B V(7】以及挪威船级社D N V t 4 6】在内的世界主要船级社的规范中，是通过F r o u d e 相似准则进行还原的。对于直接的水动力冲击，运用F r o
49、u d e 相似得到的冲击荷载原型液舱结果是比较符合的，然而对于带有气泡冲击的荷载，F r o u d e 相似是偏于保守的。R L B a s s 等人 4 7 对晃荡模型实验的相似准则进行了研究，主要目的一是提出更加全面的影响晃荡冲击荷载的影响因素，二是通过模型实验结果提出合适的相似准则信息。实验分别讨论分析了流体粘性，液体压缩率，气体压缩率，气穴效应及表面张力等参数对荷载相似的影响。研究结果表明，气体和液体压缩率是影响相似处理的主要因素，而粘性和表面张力不是主要的影响因素。T W Y u n g 等人 4 8 对L N G 晃荡的冲击特性和相似准则进行了研究，首先通过典型的矩形舱实验分析
50、晃荡冲击形式的不同，冲击荷载的分布规律和随机特性以及液舱局部尺寸特性对于晃荡冲击荷载的影响。对于相似准则的研究主要从F r o u d e 相似和I n t e r a c t i o ni n d e xf 两方面考虑，分别给出了冲击荷载，生成时间，冲击速度和加速度，大连理工大学硕士学位论文综合力和力矩由模型实验到原型的换算公式。M R K a r i m i 等人 4 9】利用两个具有比例关系的二维八边形液舱，开展了晃荡模型实验，分别研究气液密度比和气体音速对晃荡冲击荷载的影响以及荷载之间的缩比关系，结果表明气液密度比不同的模型实验所测的冲击荷载经过相似处理后，差别很大，而采用空气的模型实