带气囊高压逃生舱在波浪条件下的入水载荷与运动响应分析

《Journal of Marine Science and Engineering》：Analysis of Entry Load and Motion Response of High-Pressure Escape Chamber with Airbag Under Wave Condition

　　

为降低高压逃生舱在波浪中入水时的冲击载荷，本研究在其底部配置缓冲气囊。研究人员建立了该气囊式舱体入水冲击的数值模型。该模型将任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法与活塞式造波方法相耦合，同时采用控制体积（CV）法捕捉气囊行为。针对空心楔形体入水开展了数值模拟与模型试验。通过将计算加速度与变形形态同实验测量结果进行对比，验证了数值方法。随后进一步开展数值模拟，分析气囊式舱体在规则波下的冲击载荷与运动响应。研究重点考察了气囊形状、初始入水速度、入水角及波浪条件的影响。结果表明：筏形气囊可有效降低冲击载荷并促使舱体更早回弹至水面。随着入水角增大，垂向加速度先减小后增大，而气囊的缓冲效应则减弱且延迟。此外，波浪条件下垂向加速度、位移及气囊内部压力的峰值均大于静水条件。该差异在较低入水速度下更为显著。

本研究针对饱和潜水系统高压逃生舱在波浪环境下的入水冲击问题，建立了任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法与活塞式造波相耦合的流固耦合数值模型，并采用控制体积（CV）法模拟底部缓冲气囊的力学行为，系统分析了气囊形状、入水速度、入水角及波浪条件对冲击载荷与运动响应的影响。研究背景在于，饱和潜水系统在军事与民用救援、海底工程等领域广泛应用，紧急情况下需将高压逃生舱从母船舷侧直接投放入海，这构成典型的大尺寸结构高速入水冲击问题。入水瞬间气水密度比相差近三个数量级，舱体在极短时间内承受巨大冲击载荷，呈现强非线性、强瞬态的流固耦合特征。自Von Karman提出冲击压力与速度平方成正比的经典结论及Wagner建立入水冲击理论以来，该问题始终是海洋工程与冲击动力学交叉领域的核心议题。近五年研究逐渐从经验公式转向高保真数值方法与多物理场耦合。然而，现有研究多集中于小尺度简化体（楔形体、圆柱体或弹体），针对配备附属缓冲装置的大尺度工程载体在静水中的系统参数研究仍然匮乏；同时，波浪相位、波高与方向会显著改变入水过程中的空泡形态与弹道稳定性，但针对配备缓冲装置的大尺度工程结构（如逃生舱）在波浪中入水的研究仍属空白。气囊在航空迫降、航天器回收、气垫船及水下航行器回收中已有长期应用，但将气囊缓冲与波浪入水相结合、面向大型载人逃生舱的研究尚不充分。本研究与Han等基于ALE+CV方法的研究共享方法论，在其基础上将对象扩展至长5.81 m、重16,157 kg的饱和潜水逃生舱，比较三种气囊构型并建立以舱体能否回浮水面为准则的选型依据，将舱体建模为弹性体以同时获取传递至乘员位置的加速度与结构响应，并补充波高系列与波浪相位的定量研究。

研究人员开展的主要工作包括：建立气囊式逃生舱入水冲击的ALE流固耦合数值模型，采用活塞式造波法在LS-DYNA中构建数值波浪水池，通过空心楔形体入水试验验证ALE方法、通过已发表气囊基准验证CV气囊模型，进而开展静水与规则波下的参数化数值模拟。主要关键技术与方法为：采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法处理大变形自由面流固耦合，流体假设为无粘并忽略表面张力（韦伯数约4.65×10⁷）；采用控制体积（CV）法结合织物材料模型模拟气囊的充气、压缩与变形，气囊内部干空气热力学状态由*AIRBAG_WANG_NEFSKE关键字控制；采用活塞式造波方法（*PRESCRIBED_MOTION_RIGID）生成规则波；结构域采用拉格朗日壳单元，流固耦合采用罚函数法（*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID）；通过空心楔形体入水试验（Q235钢，质量约5.5 kg，入水速度约1.95 m/s，加速度传感器与高速摄像测量）验证数值方法。研究所用样本为数值模型与模型试验，未涉及样本队列来源。

研究结果如下：3.1 气囊构型选择与缓冲性能评估。研究人员基于母船典型干舷高度选取2、7.5、16.5、29.5 m四个释放高度，对应初始入水速度6、12、18、24 m/s，在静水中开展无气囊舱体垂向入水冲击数值模拟，监测点P1位于方形钢底座（表征局部砰击载荷），P2位于舱体底板乘员座椅正下方（表征乘员承受加速度）。结果表明，入水速度为6 m/s与12 m/s时P2峰值加速度分别为176.18 m/s²与258.76 m/s²，低于人体耐受阈值392 m/s²（约40 g，对应仰卧姿态胸-背方向Eiband曲线限值）；18 m/s与24 m/s时峰值达402.64 m/s²与570.70 m/s²，超过阈值。对比方形、圆柱形与筏形三种气囊构型，筏形气囊使舱体在约0.24 s出现3.35 m/s二次速度峰值并回弹至水面，而方形与圆柱形气囊舱体持续下沉。为分离形状与体积效应，将方形与圆柱形气囊按几何相似放大至与筏形气囊相同缓冲体积后比较，筏形气囊最大侵彻深度为0.64 m（方形0.81 m、圆柱形0.86 m），回浮时间为0.45 s（分别为0.62 s与0.66 s），表明筏形优势源于其下裙结构对排出水体的约束而非体积。筏形气囊在6~24 m/s各速度下y向峰值加速度均低于392 m/s²。3.2 入水角影响。在静水中设定x、y向初始速度分量均为6 m/s，入水角取0°、20°、40°、60°。结果表明，气囊使P1峰值加速度在0°时由558.07 m/s²降至99.91 m/s²（降低82.1%），P2由176.18 m/s²降至88.89 m/s²（降低49.5%）；入水角增至20°、40°、60°时整体峰值加速度较同角度无气囊工况分别降低53.8%、40.0%、35.9%。随入水角增大，垂向速度负峰值增大、回弹正峰值减小，最大侵彻深度增大，气囊峰值压力单调减小且峰值时刻延迟，归因于大气囊与水接触面积减小。3.3 波浪影响。在波高0.7 m、周期3.4 s规则波下，波浪条件x向加速度峰值均高于静水，y向加速度峰值亦高于静水但差异随入水速度增大而减小；气囊内部压力峰值在波浪下更高且随速度增大而升高、峰值持续时间缩短、峰值时刻提前；垂向位移在波浪下更大但差异随速度增大而减弱。波浪下18 m/s与24 m/s时无气囊y向峰值加速度达410.2 m/s²与580.4 m/s²，超过人体安全阈值，而有气囊时降至230.5 m/s²与350.8 m/s²，处于安全范围。波高0.7、1.5、2.0 m下，垂向加速度峰值随波高增大显著增大。波浪相位研究表明，波谷入水峰值最高、迎浪面前坡居中、波峰最低；在线性波理论中波峰与波谷处垂向轨道速度均为零，故该排序不能归因于瞬时垂向速度，而由接触点自由面几何决定：波谷处表面凹且向上加速（表面垂向加速度为+aω²），水面汇聚于侵彻气囊，润湿面积增长最快、附加质量变化率最大，砰击压力最高；波峰处表面凸且向下加速，水面远离气囊，润湿面积增长较慢，峰值最低。

讨论与结论部分总结：本研究建立了ALE方法与活塞式造波相结合的流固耦合数值模型，模拟气囊式高压逃生舱在波浪条件下的入水冲击，经空心楔形体入水试验验证后，系统比较了初始入水速度、入水角、气囊有无及波浪条件的影响。研究主要局限性在于气囊-水模型的验证：流固耦合经入水试验验证、CV气囊模型经已发表气囊基准验证，但缺乏气囊式舱体专用落水试验，完整气囊-水系统尚未整体验证，相关实验工作正在进行。与Han等的ALE与控制体积研究相比，本研究结果证实了其波谷入水最为严酷的发现，并将其扩展至更大舱体、三种气囊构型、弹性舱体、波高系列及基于机理的相位效应解释。主要结论为：(1)三种构型中仅筏形气囊体积足以使总浮力超过舱体重力，使舱体保持漂浮并回浮水面，方形与圆柱形气囊在可布置体积下无法维持漂浮；在保持漂浮前提下，筏形气囊在等缓冲体积下性能亦最优，侵彻最小、回浮最早；无气囊时垂向入水速度超过18 m/s峰值加速度即超过392 m/s²人体安全阈值，安装筏形气囊后各模拟速度下y向峰值加速度均低于该阈值。(2)入水角显著影响冲击载荷与运动响应，峰值冲击加速度随入水角先减小后增大，在40°达最小；静水中带气囊时较大入水角产生更高垂向速度与位移峰值但更低气囊压力峰值，且各峰值时刻延迟，归因于大气囊与海水接触面积减小导致缓冲效应减弱与延迟。(3)波浪影响冲击载荷与运动响应，尤其在较低入水速度下；波浪条件下垂向加速度、位移与气囊压力峰值均超过静水对应值，但差异随入水速度增大而减小，表明高速时波浪效应减弱、初始入水速度占主导；入水时刻亦起关键作用，波谷入水冲击载荷最高、波峰最低，因凹形波谷表面汇聚于侵彻气囊而凸形波峰表面远离气囊，润湿面积在波谷增长最快。