一种基于液垫层的波浪砰击荷载缓解方法及装置

本技术波浪砰击荷载缓解，具体来说是一种基于液垫层的波浪砰击荷载缓解方法及装置。

背景技术：

1、在恶劣海况下，船舶、海洋平台等结构的首部、侧部等关键部位易遭受极端波浪的砰击作用，承受峰值高、作用时间短的瞬时冲击压力。此类砰击荷载会直接造成结构局部塑性变形、疲劳累积损伤，甚至引发结构开裂破坏，大幅降低船舶与海洋平台的结构安全性能、服役寿命，同时显著增加运营维护成本，影响工程运营经济性。

2、然而，现有波浪砰击荷载防护技术主要分为被动结构强化和主动流场干预两大类，均存在显著技术缺陷。被动结构强化缓解方案通过增加结构板厚、增设纵桁/肋骨、局部嵌高强度钢等方式提升结构抗力，或通过船型/平台型线优化（如船首外飘、平台立柱流线型设计）改善入水砰击过程。前者会大幅增加结构自重，降低船舶航行性能、平台有效载荷，且无法动态适应海况变化；后者受总体布置、快速性、平台功能等多因素约束，减砰效能有限，且对已建船舶/平台无改造适用性。主动流场干预缓解方案多采用气幕防护、可动机械结构（襟翼/拍击板）干预等方式，其中气幕防护在高强度砰击下易发生气体压缩失效、气幕被击穿，流场调控稳定性与可靠性差，可动机械结构复杂度高，恶劣海况下的机械磨损、故障风险大，耐久性难以保障。

3、近年来，基础研究发现水垫层可显著降低结构入水砰击力。例如，结构裹挟水体落入水中，其产生的砰击荷载是不裹挟水体的70%左右。该效应为水垫层在波浪砰击荷载防护提供了全新技术思路。但目前该效应仅停留在基础研究阶段，尚未形成可工程化应用的技术方案，同时未解决液垫层主动构建、海况自适应调控、系统可靠性保障等工程应用核心技术问题。因此，亟需研发一种基于该效应的工程化缓解技术，填补基础研究与工程应用之间的技术空白。

技术实现思路

1、本发明针对现有波浪砰击缓解技术的不足，以及液垫层减砰效应在工程化应用中的技术空白，提供一种基于液垫层的波浪砰击荷载缓解装置及方法。本发明通过主动构建可控防护水层，在结构表面形成一层紧贴结构的附着式液垫层，利用液体的流动性增大波浪局部砰击的作用面积、延长作用时间，实现砰击荷载峰值的高效削减；同时解决工程应用中的液垫层主动构建、海况自适应调控、系统可靠性保障等核心技术问题，填补了基础研究与工程应用之间的技术空白。

2、针对上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于液垫层的波浪砰击荷载缓解方法，包括如下步骤：

4、建立局部波浪测量坐标系，并对船舶前方海域进行连续扫描，获取船舶航行方向前方海域的波面高程序列；

5、基于所述波面高程序列以及线性波浪理论和频谱分析，对船舶前方海域的波浪场进行重构，获取重构后的波浪场表达式；

6、基于所述重构后的波浪场表达式，计算船舶前方预测位置在未来时刻的波面高程预测值；

7、在预测时间窗口内，对船舶前方预测位置在未来时刻的波面高程预测值进行分析，提取预测的危险波高及其持续时间；

8、基于所述预测的危险波高作为危险判据，将其与预设的液垫层喷射系统开启波高阈值进行比较，判定是否开启液垫层装置；

9、根据预测的危险波高确定波浪砰击作用区域，并据此确定液垫层喷洒面积；基于预测的危险波高估算波浪砰击的压力峰值，根据所述波浪砰击的压力峰值确定目标液垫层厚度；

10、基于所述液垫层喷洒面积和目标液垫层厚度计算液垫层喷射流量；

11、基于所述危险波高持续时间确定液垫层喷洒持续时间并设置液垫层喷射单元的喷头的目标俯仰角。

12、进一步地，建立局部波浪测量坐标系包括：在波浪雷达开始当前轮次探测的初始时刻

t=

t0，建立局部波浪测量坐标系；其中坐标原点

o设置于初始时刻

t0船舶首垂线与静水面的交点；

x轴位于静水面内，并沿船舶在初始时刻

t0的航向指向船首前方；

y轴位于静水面内，并垂直于

x轴，指向船舶右舷；z轴垂直于静水面，竖直向上；

x-

o-

y平面与平均静水面重合。

13、进一步地，所述重构后的波浪场表达式为：

14、

15、其中，表示时刻

t在位置(x, y)处的波面高程，单位为m；

x为纵向坐标，单位为m；

y为横向坐标，单位为m；

t为时间，单位为s；

n为组成波数量；为第个组成波的波幅；为第个组成波的波数；为第个组成波的传播方向；为第个组成波的圆频率；为第个组成波的初始相位。

16、进一步地，船舶前方预测位置在未来时刻的波面高程预测值为：

17、

18、其中，为经过预测时间

τ后船舶前方预测位置的波面高程预测值；

u为船舶航速，单位为m/s；

τ为预测时间，单位为s。

19、进一步地，提取预测的危险波高及其持续时间包括：

20、采用下跨零点法对船舶前方预测位置在未来时刻的波面高程预测值进行分波处理，得到预测时间窗口内包含的各个单波波高

hb(

j)及其对应的周期

tb(

j)，其中，

j代表预测波面中的单波序号；

21、取预测时间窗口内最大的单波波高作为预测的危险波高；

22、根据预测的危险波高所对应的波峰高度，确定预测砰击高度

zp；并结合船首外形，根据所述预测砰击高度对应船首外板坐标确定砰击的

x向位置

xp；

23、记录产生预测的危险波高对应波峰到达船舶首部的时间

tc，以及预测的危险波高

hp所在

j位置下的对应周期

tb(

j)，即为危险波浪的持续时间，记作

tp。

24、进一步地，确定液垫层喷洒面积包括：

25、根据船舶波浪砰击规律，对于砰击作用范围，以波浪砰击点(

y=0

, z=

zp)为中心，向船宽和垂向分别延伸；设预测砰击区域的

z向和

y向长度分别为：

26、

27、其中：

28、

29、式中：为预测砰击区域z向长度，单位为m；为预测砰击区域

y向宽度，单位为m，当波浪为长峰波则取船宽；和为经验系数；

30、则预测砰击区域面积

a为：

31、

32、液垫层喷洒面积为：

33、

34、式中：为液垫层喷洒面积，单位为m²；

ks为喷洒裕量系数。

35、进一步地，根据所述波浪砰击的压力峰值确定目标液垫层厚度为：

36、

37、其中，

h为目标液垫层厚度，单位为mm；

f(·)为预测的波浪砰击的压力峰值与液垫层厚度之间的映射关系，其中为预测的波浪砰击的压力峰值，根据经验关系估算得到。

38、进一步地，所述液垫层喷射流量为：

39、

40、其中，

q为液垫层总喷射流量，单位为m³/s；

as为液垫层喷洒面积，单位为m²；

h为目标液垫层厚度，单位为m；

ξ为液垫层附着效率；

tg为液垫层建立时间；

41、当各喷头结构参数相同且采用均匀流量分配时，第m个喷头的喷射流量为：

42、

43、式中，

m为当前开启的喷头数量。

44、进一步地，所述液垫层喷洒持续时间为：

45、

46、其中，

tg为液垫层建立时间，单位为s；

tp为危险波浪持续时间，单位为s；为安全裕量时间，单位为s；

47、所述液垫层喷射单元的喷头的目标俯仰角设置为：

48、

49、其中，为液垫层喷射单元的喷头的目标俯仰角， (

xm,

ym,

zm)为第

m个喷头的安装坐标；(

zp+

l/2)为预测砰击区域的上边界高。

50、另一方面，本发明提供一种基于液垫层的波浪砰击荷载缓解装置，包括：

51、波浪探测单元，其用于获取船舶航行方向前方海域的波浪信息；

52、波浪预测单元，其用于根据所述波浪信息以及船舶航速预测船舶后续遭遇波面；

53、控制单元，其用于用于根据预测波面判断是否启动液垫层喷射系统，并确定喷洒范围、喷洒强度以及喷洒持续时间；

54、高压海水供应单元，其用于向液垫层喷射单元提供具有预定压力和流量的海水；

55、液垫层喷射单元，其用于用于在船体预定区域形成具有目标厚度的液垫层，以降低波浪砰击荷载；

56、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

57、1.本发明减砰效能突出且可靠：通过主动构建附着式液垫层，高效稀释耗散砰击能量，大幅降低结构砰击压力峰值，规避现有技术气幕击穿、机械故障等隐患，适配高强度砰击场景。

58、2.本发明调控精准且适配性强：依托波浪探测与遭遇波预测技术，实现危险波浪提前预警，根据预测危险波高自适应确定液垫层喷洒范围、喷洒强度、喷射流量、喷洒持续时间及喷头俯仰角，提高液垫层对不同海况的防护效果。

59、3.本发明工程实用性与经济性优：装置采用模块化设计，安装便捷且不影响船体原有结构性能；采用海水原位提取、按需启停及按需喷射方式，有效降低系统能耗与运行维护成本，具有良好的工程应用前景和推广价值。