《Ocean Engineering》：Research on bow slamming loads and whipping response's characteristics in hydroelastic experiment by FBG method
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本文基于分段变截面船体水弹性模型实验，首次利用光纤光栅（FBG）方法实时测量船首波浪冲击载荷与结构whipping响应的关联性，揭示非线性波载荷下船体动态特性的频谱特征及应力分布规律，为船舶结构安全评估提供实验依据。
王艺文|张汉涛|王淼竹|孔向绍|郑成|田光宇|李玉然
绿色与智能河海航行船舶、游艇研究中心，武汉理工大学，中国湖北省武汉市430063
摘要
在海洋状态恶劣、船首明显起伏的情况下，剧烈的相对运动会导致船首结构受到巨大的冲击载荷。这些冲击载荷会引起结构上的鞭打效应，显著增加整体结构应力，严重威胁船舶安全。为了研究波浪作用下的冲击载荷和鞭打效应特性，本研究进行了分段变截面主梁水弹性模型实验。实验首先利用光纤布拉格光栅（FBG）技术测量并分析了船舶的鞭打效应。通过整合船首波浪的入射运动，研究了冲击载荷对船舶的影响，并探讨了冲击载荷与鞭打效应之间的相关性。实验结果证实了FBG技术在测量鞭打效应方面的可靠性。严重的冲击载荷使得第二谐波响应分量达到了波频分量的60.81%。多阶谐波响应的叠加导致船舶的俯仰弯矩增加了72.35%。本研究利用FBG技术分析了船首运动、冲击载荷、鞭打效应以及船舶结构响应，为在非线性波浪载荷下应用FBG技术提供了参考。
引言
在恶劣海况下航行的船舶容易受到非线性波浪载荷的影响。在剧烈船舶运动过程中，冲击载荷显著增加。冲击载荷不仅会导致局部结构应力加剧，还会引发全局性的高频鞭打效应。高频垂直弯矩与波频垂直弯矩的叠加对船舶的整体纵向强度构成严重威胁，大大降低了结构安全性。8000 TEU集装箱船“MOL Comfort”在航行过程中因波频弯矩和鞭打效应引起的高频弯矩而发生断裂。事故后的调查显示，波频垂直弯矩占总弯矩的67%，高频分量占33%–50%。根据全尺寸实验和模型实验结果，鞭打效应引起的高频弯矩可达到总弯矩的30%–40%。高频弯矩与波频弯矩的叠加对船体纵向强度构成严重威胁，因此对船舶水弹性特性进行了大量研究。
研究人员对船舶水弹性理论和数值分析进行了广泛研究，从二维模型发展到三维模型（Jiao等人，2019年；Lu等人，2023年），并从线性方法发展到非线性方法（Chen等人，2017年；Riesner和el Moctar，2021年）。目前基于流体-结构相互作用的CFD–FEM方法（Lakshmynarayanana和Hirdaris，2020年；Jiao等人，2024年；Zhang等人，2024a年；Tian等人，2025年）能够有效捕捉波浪破碎、冲击和绿色水浪等非线性现象。Marstruct虚拟研究所（Parunov等人，2024年）开展了一项基准研究，量化了军舰模型在规则波浪中的水弹性响应，重点研究了其运动和载荷。该项目涉及多个机构，使用了多种算法，包括非线性条带理论、在频率和时间域中建立的三维边界元方法（BEM）以及CFD。在2014年的第二届ITTC–ISSC联合研讨会上，针对6750 TEU集装箱船的运动和波浪载荷进行了基准研究（Kim和Kim，2016年），共有11个机构参与了测试，并比较了17种不同的分析算法。比较结果揭示了计算结果的性能和趋势。
然而，由于计算成本高且结果验证困难，该方法在工程应用中尚未完全成熟或广泛应用。水弹性模型实验是分析船舶船首冲击和鞭打效应的重要方法。目前，分段水弹性模型因其精确的波浪载荷测量能力和简化的制造流程而成为研究者的首选。分段水弹性主梁模型（Wang等人，2020年；Kim等人，2023年）将船体划分为多个部分，并通过主梁连接这些部分，以模拟船舶的弹性振动。通过修改主梁的截面属性（Chen等人，2023年；Yang等人，2021b年；Zhang等人，2025年），确保每个主梁截面的惯性矩与全尺寸船舶相匹配，从而能够准确模拟全尺寸船舶的振动模式。为了研究船舶在波浪中的水弹性响应特性，WILS-JIP项目对一艘10,000 TEU集装箱船进行了水弹性模型测试。该研究探讨了船舶在不同主梁（Hong和Kim，2014年）和波浪条件（Hong等人，2012年；Kim等人，2016年）下的结构高频响应特性，以及船首冲击载荷（Kim等人，2019年；Kim和Kim，2015年）和其他相关物理量。
在对大型集装箱船（Lin等人，2020年；Zhang等人，2023年；Adolfo和Geert，2014年）和高速三体船（Chen等人，2019年；Tang等人，2016年）的水弹性模型实验中，由于冲击现象的发生，高频弯矩占据了总弯矩的主导地位。随着波浪高度幅度的增加，鞭打效应的幅度也随之增加，其增长率加快（Zhang等人，2024b年）。在波浪陡度较高的情况下，测量到的弯矩中高阶谐波分量更加明显，且波浪陡度的变化会显著影响波浪诱导的弯矩特性（Bouscasse和Merrien，2022年；Klein等人，2023年）。波浪陡度、波长、速度等参数都会不同程度地影响船首冲击载荷（Acharya和Datta，2022年；Shinwoong等人，2023年）。随着速度的增加，高速显著影响了船首处的冲击压力大小和分布。同时，鞭打效应会在模型固有频率附近显著增强谐波分量的强度。对于船首轮廓较大的船舶，冲击载荷类型根据其作用模式进行分类，反映了冲击载荷对船首轮廓区域的影响程度（Si等人，2025年）。波浪载荷模型实验还记录了船舶在波浪中的冲击压力。模型实验表明，波浪高度和航行速度是影响冲击压力的两个关键因素（Wang等人，2023年；Wang和Soares，2017年）。通过研究冲击压力和鞭打效应，可以更直接地阐明水弹性效应对船舶结构的影响。
非线性波浪载荷测量通常使用应变计在主梁的特定位置测量应变。获得的应变数据经过解耦分析以计算弯矩（Si等人，2020年）。同时，在船首部署压力传感器阵列以捕捉冲击载荷（Ha等人，2024年）。主梁上的有限测量点可以提供弯矩和剪力数据，但仅能反映局部结构响应。主梁的设计具有与全尺寸船舶相似的结构动态特性，其应变场部分再现了全尺寸船舶的结构应变响应。利用多点测量能力，FBG技术已被广泛应用于船舶结构健康监测（Shen等人，2015年）。在波浪载荷测量中，由于船舶湿表面的频繁变化，传统的FBG方法会受到流体和空气之间温度差异的影响，导致干扰。研究人员通过温度补偿（Suzuki等人，2023年；Yang等人，2021a年）减少了温度引起的误差，后续测试证实了其可靠性。目前，FBG技术在研究波浪中船舶的非稳态压力空间分布方面具有独特优势。Suzuki等人（2024年）在船体侧面安装了379个FBG压力传感器，以获取模型表面的压力分布，然后将其整合以计算整个船体的剪力分布。与传统压力传感器相比，FBG压力传感器在测量船体压力场方面具有显著优势。然而，目前尚无明确的研究证实其在高频结构响应测量中的可靠性。
本文首先使用FBG技术测量和分析船舶结构的应变分布，以研究波浪作用下的冲击载荷和鞭打效应。研究重点关注船首冲击载荷，将冲击事件分为不同的演化阶段，并明确了冲击载荷的分布和船首波浪入射的时间域特性。此外，基于FBG技术，还研究了冲击载荷与波浪频率响应之间的耦合效应，以及恶劣海况下船舶结构应变的时间和空间分布特性。本研究为提高船舶结构的安全可靠性提供了重要见解。
实验设置
水弹性船舶模型实验
为了研究船舶在非线性波浪载荷下的水弹性响应，进行了分段主梁水弹性模型实验。实验在武汉理工大学的拖曳水池实验室进行。该水池长度为131.32米，宽度为10.8米，水深为2米。水池末端装有20个独立控制的液压造波装置，可以生成指定周期和高度的波浪。
船舶运动
分析了船舶的纵摇（heave）和横摇（pitch）运动的响应幅度（RAO）。为了减少实验不确定性，采用ζa对纵摇和横摇运动进行了无量纲化处理，如图8所示。ζa表示波浪幅度，ζ3对应于船舶重心处的纵摇运动，ζ5表示船舶的横摇运动。
对于纵摇运动，无量纲幅度随着遭遇频率（ωe）的增加而减小。当ωe超过1.83 rad/s时...
船首运动和冲击载荷特性
波浪条件和船舶航行速度显著影响船舶在波浪中的运动。恶劣的海况会导致船首结构受到冲击载荷。本节从船首波浪的入射运动开始分析，首先分析了不同波浪高度（H）和航行速度（V）下的船首垂直波浪入射位移和速度。随后，根据时间域载荷历史将船首波浪入射冲击过程划分为不同的典型阶段。
垂直弯矩的谐波响应
随着H和V的增加，船舶在波浪中的垂直运动显著增强。尽管船舶运动表现出谐波特性，但作用在船舶上的波浪载荷已不再是线性的。此时，船舶各部分的MV响应表现出非谐波和不对称行为，这是由于船舶受到非线性波浪载荷的影响。
结论
本研究首次在主梁上布置FBG以测量结构响应，进行了分段变截面主梁水弹性模型实验。研究了船首波浪的入射运动、冲击载荷的分布和时间域结果，以及鞭打效应的特性。探讨了冲击载荷与鞭打效应之间的相关性，以及船舶结构响应。主要结论如下：
1作者贡献声明
王艺文：监督、资金获取。张汉涛：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，软件开发，数据管理。王淼竹：软件开发，数据管理。孔向绍：监督，资金获取。郑成：监督，资金获取。田光宇：软件开发，数据管理。李玉然：软件开发，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（12202329）和武汉自然科学基金（2024040801020258）的支持。
