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为解决液化货物晃荡影响船舶航行安全问题，研究人员开展液化铁矿石晃荡特性及防晃挡板尺寸优化研究。利用 Carbomer 940 模拟液化铁矿石，借助数据驱动模型，得出最优挡板尺寸，能降重心位移 23.3% ，为海运安全提供重要支撑。
在大海上，一艘艘货船满载着货物穿梭于各个港口之间。其中，运输铁矿石的货船一旦出现问题，后果不堪设想。近年来，液化货物晃荡对船舶航行安全的影响日益显著。在船舶运输过程中，当遭遇风浪时，货物会随着船舶的摇晃而晃动。对于液化铁矿石这种具有特殊性质的货物来说，问题更加棘手。它在液化后呈现非牛顿流体特性，黏度较高，与典型液体货物的运动特性差异很大。以往针对液化天然气（LNG）油轮或典型油货船设计的防晃装置，并不适用于液化铁矿石运输船。而且，目前对于液化铁矿石的研究相对较少，其防晃装置的设计存在很大的空白。在这样的背景下，为了保障船舶运输液化铁矿石的安全，开展相关研究迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员进行了深入探索。他们的研究成果发表在《Applied Ocean Research》上。研究人员通过一系列实验和分析，得出了一系列重要结论，对于提升船舶运输液化铁矿石的安全性具有重要意义。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：
- 模型实验法：采用模型实验，搭建包含货舱模型、防晃挡板、压力传感器和 6 自由度摇晃台的实验装置。使用 Carbomer 940 溶液模拟液化铁矿石，进行 75 次晃荡实验，研究不同条件下的晃荡特性。
- 数据驱动模型法：构建包含时间、挡板长度、挡板宽度、冲击压力和重心位移等数据特征的数据库，运用反向传播神经网络（BPNN）、极端梯度提升（XGBoost）和支持向量回归（SVR）三种模型进行回归预测，优化模型超参数，对比模型性能。
下面详细介绍研究结果：
- 外部滚动运动对液化货物晃荡特性的影响：通过实验发现，随着船舶滚动运动幅度的增加，货舱受到的最大冲击压力也随之上升，二者呈现近似线性关系。研究人员还尝试确定液化货物晃荡系统的共振频率，对比了牛顿流体和非牛顿流体的自然频率差异。结果表明，液化货物在晃荡时产生的冲击压力比纯水更高，尤其是在共振频率附近。而且，与纯水不同，液化货物不存在 “软弹簧” 或 “硬弹簧” 效应。同时，研究发现激励频率与罐体一阶自然频率的差值对晃荡强度有重要影响，差值越小，冲击压力越大，差值越大，晃荡则会受到抑制。
- 挡板适用性的验证：研究人员选取了三种不同尺寸的水平挡板，并与无挡板的情况进行对比。实验结果显示，在不同的装载深度下，有挡板时的冲击压力均低于无挡板时的情况，且随着装载深度的增加，二者的峰值压力差异更加明显。此外，挡板还能显著抑制自由表面的运动，有效减轻液体货物的晃荡。
- 挡板高度的影响：研究人员评估了挡板安装在货物上方、货物顶部表面以及货物内部时对防晃性能的影响。结果表明，挡板安装在货物上方时，防晃效果有限；安装在货物顶部表面时，能有效抑制货物运动的大偏差；安装在货物内部时，货物重心位移减小不明显，整体稳定性会降低。
- 挡板长度和宽度的影响：研究发现，对于固定长度的挡板，宽度增加会使货物重心位移和最大冲击压力减小；而对于固定宽度的挡板，随着长度增加，防晃效果先增强后减弱，存在一个最优挡板长度使防晃效果最佳。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，本研究利用 Carbomer 940 模拟液化铁矿石，揭示了其晃荡行为与纯水有显著差异，产生的冲击压力更高，尤其是在共振频率附近。虽然纯水表面波动更剧烈，但铁矿石的高黏度使其易聚集并对货舱施加更大作用力，增加船舶不稳定风险。通过反向传播神经网络（BPNN）模型预测不同挡板尺寸下的冲击压力和重心位移，该模型展现出强大的泛化能力，相比传统方法降低了计算成本，加速了优化过程。最终确定的最优挡板尺寸为长度 201.6mm、宽度 480mm，使用该尺寸挡板可使货物重心位移减少 23.3% ，显著提高了船舶运输液化铁矿石时的稳定性。
然而，该研究也存在一定的局限性。一方面，实验使用的物理模型未严格遵循几何或动态缩放比，无法完全反映真实船舶环境中的流体动力学相互作用，未来研究应考虑纳入缩放定律或进行全尺寸、高保真数值验证，以增强研究结果的普适性；另一方面，实验仅考虑了一种货物，而实际中液化货物的流变特性可能随时间变化，影响挡板的防晃效果，未来应考虑更多实际情况和不同种类的货物。
总的来说，这项研究为液化铁矿石运输船的防晃装置设计提供了重要的理论依据和实践指导，填补了相关领域的研究空白，对于保障船舶运输安全具有重要的现实意义。它不仅有助于提高船舶运输的安全性和稳定性，还为后续研究指明了方向，推动了相关领域的进一步发展。
