1.1目的：

随着绿色环保概念的深入人心，近年来国际上对于海上行驶船舶在营运中结构的安全和强度问题越来越关注。海上石油运输船碰撞导致货油舱破损原油泄漏，海上环保型能源天然气的开发对大型液化LNG运输船的需求日益增长，压载水舱的设置使船舶适应多变的海洋环境，这些行业发展的趋势都指向一个亟待研究的问题：船舶在碰撞中液舱晃荡与结构动力响应之间的相互作用问题。所谓液舱晃荡，是指船舶上装载有液体的舱室结构，在遭遇外界环境载荷激励，例如舱壁遭受到碰撞作用时，舱内液体介质以一定频率振荡流动。舱室结构内的液体晃荡呈现出很大的不确定性和非线性，由于受到舱室尺寸和形状的约束，流体在有限空间内来回振荡对舱室结构产生冲击载荷，从而对其造成不同程度的破坏作用，甚至可能导致舱室破损。因此，在船舶碰撞过程中，应同时考虑舱内流体运动对结构的动力响应，以便在船舶舱室结构设计阶段，优化结构设计提高其抗冲击性能。

对于船舶碰撞问题的研究方法主要有三类^[1]，简化分析法通过对船舶进行简化处理，运用解析方法和经验数据建立力学方程研究碰撞问题，但数据的有限性影响结果准确性；试验研究可以通过模型得到相对可靠的数据，但船模结构中的板厚、加筋等细节无法按统一比例缩放，由此造成的尺度效应让实验数据的准确性有所下降，模型试验受到小尺度比例的限制；计算机有限元方法可以实现数值仿真，精确模拟船舶碰撞过程。试验研究与数值仿真结合，互相映证成为研究碰撞问题的主流趋势。Zhang等人^[2]将大量模型碰撞实验数据与闭合形式的分析解进行对比，两者很好地吻合。

本文采用有限元方法分析碰撞过程中流体运动对水舱结构动力响应的影响，并通过小型水舱结构的碰撞实验观察和分析水舱内液体运动影响，并验证数值仿真结果，为船舶液舱结构设计提供参考。

1.2意义：

碰撞过程中，晃荡液体与舱室结构之间作用是典型的耦合问题，船舶在环境载荷下运动状态改变引起舱室液体流动，运动流体对舱壁结构会产生力和力矩。胡志强和崔维成^[3]在总结用理论解析法分析船舶碰撞事故时指出，碰撞力学的研究分为内部机理和外部机理，内部机理考虑结构变形模式和变形吸能过程，外部机理则分析能量释放和转化，给出了碰撞中晃荡问题的一般讨论思路。近年来，对于液舱晃荡耦合的理论研究主要以数值计算分析方法为主，以基于线性势流的理论推导为辅，陆志妹和范佘明^[4]对常用的数值分析方法以及液舱晃荡研究中常用的VOF法、SPH法、Level-set法、ALE法进行了总结综述。Zhang和Suzuki等人^[5]建立了任意拉格朗日—欧拉有限元、拉格朗日有限元和和线性晃荡三种不同的数值模型对流体—结构进行耦合模拟，并发现拉格朗日有限元法更适合工程实际应用。朱仁庆^[6]基于VOF法建立了液体晃荡水弹性力学理论和分析方法，利用液体晃荡数值计算模型分析了晃荡液体与结构之间的相互作用。刘永涛^[7]建立了三维液舱晃荡运动控制方程，利用PLIC-VOF方法、CLSVOF方法、三维通度系数法结合 PLIC-VOF法等对液舱晃荡进行了数值模拟液舱晃荡与船体的耦合运动。Li等人^[8]利用IRF方法模拟舱内液体晃荡，并建立时域方程获得了流固耦合的结果。Zhao等人^[9]采用ALE法模拟了水箱内液体晃荡现象，从数值方面研究流体与结构之间的相互作用，并将不同水位高度的影响考虑在内。Na等人^[10]基于有限元/有限体积法和ALE耦合技术，利用显示时间积分分析了三维结构和流体在晃荡中的行为及其相互作用。Tabri等人^[11]建立了用于液舱晃荡的简化力学模型，可以等效合理地预测碰撞中液体晃荡产生的作用力对结构变形的影响。

工程实际上对于船舶的晃荡问题，主要以大型液货船（如VLCC船、FPSO船以及LNG船）的货舱段为代表开展研究，以获得更加合理和优化的舱室结构设计方案。黄硕等人^[12]对将试验模型和数值模拟方法应用于LNG船/FPSO液舱晃荡问题研究进行了技术分析和思路总结，并提出获取可靠数值的建议。张延昌等人^[13]利用有限元软件MSC.Dytran分析了VLCC在碰撞过程中液货与结构之间的流固耦合力和结构变形吸能，研究了液货在碰撞过程中产生的影响。胡锦文等人^[14]通过分析FPSO舷侧结构在舷侧舱水存在的情况下的撞击例子，发现水的惯性迟滞效应提高了船舶的抗碰撞性能。吴文锋等人^[15]利用ANSYS/LS—DYNA有限元软件分析双壳油船液货晃荡的动能对舷侧结构碰撞性能的影响，并对模拟结果进行了碰撞力、撞击船速度变化和吸能分析。Na等人^[10]提出了一套适用于大型油轮液舱结构的设计耦合结构响应评估程序。Cui等人^[16]通过对有油和80%舱容装油量两种条件下的抗冲击性、结构变形模态和变形范围等具体问题的分析，研究了装载液货双层舷侧结构耐撞性。

综上所述，液舱晃荡与舱室结构之间的耦合运动问题的研究已趋于成熟，主要是通过建立模型进行两者之间的数值模拟，定性分析了晃荡对于碰撞过程中的结构变形，而对空舱碰撞后的变形量进行具体比较的讨论以及不同撞击环境（舱内水深、撞击能量）的分析仍不充分。本文拟利用小型水舱结构作为对象开展实验和数值仿真研究。