基于时域动力学与CFD联合方法的自由下落救生艇在风载作用下的全运动预测

《Ocean Engineering》：Full motion prediction of a free-fall lifeboat under wind loads using a combined time-domain dynamics and CFD method

　　

•开发了一种考虑风载荷的多阶段动力学求解器，用于入水前运动预测。
•模型试验验证了完整运动预测方法的可靠性。
•从入水前运动到入水后稳定性，追踪了风载荷效应。

## 引言

随着海上石油开发和远洋运输向深水区扩展，大型海上平台（MacGregor等，2019）和高干舷海船的尺度不断增大。因此，甲板到水面的垂直高度显著增加，使人员疏散系统面临更严格的安全约束（Huang等，2021）。自由落体救生艇凭借其认证的较大下落高度和快速部署能力，已被国际法规认定为关键的救生设备（IMO，1986）。救生艇从发射滑道释放后，经历一个由"(a)滑动、(b)旋转、(c)自由落体、(d)入水和(e)升腾"组成的运动过程（Boef，1992a），如图1所示。

在整个过程中，入水前运动受风场显著影响（Fouques等，2013）。风载荷引发额外的纵倾和横摇运动，限制了入水速度和姿态角，直接影响入水安全（Boef，1992b）。值得注意的是，滑动与自由落体之间的旋转阶段是关键过渡阶段，在此阶段救生艇在滑道约束下纵倾角迅速增大，导致入水条件发生显著变化。

然而，现有研究通过预设初始条件来分析入水问题，侧重于入水运动（Li等，2024；Lyu等，2022a）和拍击载荷（M?rch等，2009；Berchiche等，2015）等流体动力学方面。它们忽略了救生艇在整个运动过程中的旋转阶段和风载荷效应，难以准确预测实际的入水条件。因此，迫切需要开发一种结合理论方法计算流体力学（CFD）的救生艇运动全过程预测方法。研究考虑风载荷的整个过程，并揭示风载荷对入水前运动状态的影响，对于自由落体救生艇的入水安全至关重要。

对于自由落体救生艇的安全，确定了三个关键响应指标：运动轨迹和姿态演化、拍击载荷响应以及加速度时程特征。

轨迹和姿态角是入水安全的关键指标，对救生艇与母船之间的相对运动以及乘员受伤风险具有决定性影响。DNV法规将自由落体救生艇的入水和升腾过程分为几种典型运动模式，明确规定在设计和试验中应避免木桩式入水伴随滚动等危险运动模式以及空中运动，以防止救生艇运动失控和二次碰撞（DNV，2009）。基于此标准，Wisniewski（2001）通过全尺寸试验展示了轨迹模式随入水姿态的变化，指出微小的姿态变化即可引发运动模式转变。Zakki等（2015）应用了流固耦合方法（Shams和Porfiri，2015），分析了滑行长度、角度和下落高度对轨迹的影响。Arai等（1995）通过动量理论（Von Karman，1929）求解时域方程来预测轨迹，并通过模型试验进行了验证。Lyu等（2022a，2022b）和Chen等（2021）采用平滑粒子流体动力学（SPH）方法（Gingold和Monaghan，1977）详细分析了不同入水角下的运动特征，识别出超过70°时的危险条件。此外，Qiu等（2023）将Kane方法与MMG模型相结合，评估了移动母船条件下的轨迹，发现入水角增大会减小水面逃逸距离和疏散安全裕度（Sauder和Fouques，2009），并且在波浪作用下表现出更高的危险性（M?rch等，2009；Fan等，2025）。

除宏观运动外，入水期间的表面拍击载荷也是自由落体救生艇的另一关键安全决定因素。当前研究分为两大类：数值流体动力学建模和通过缩尺或全尺寸试验进行实验压力测量。对于数值方法，基于有限体积法的流体体积（VOF）多相流界面追踪技术，结合叠加网格处理大位移运动，已成为主流方法。例如，Huang等（2021）捕捉了入水过程中救生艇表面的时变载荷，并报道了不同入水角下的压力峰值变化（M?rch等，2009；Ji等，2015）。SPH（Shibata等，2011）也被广泛用于模拟拍击引起的大变形、剧烈飞溅和底部射流，改进了拍击压力的预测。此外，通过流固耦合（FSI）方法分析了拍击载荷对结构的影响（Ringsberg等，2017；Roy等，2019；Groth，2017；Choi和Choi，2014；Califano和Brinchmann，2013；Liu等，2026），揭示了结构柔性如何影响峰值压力、载荷持续时间和结构损伤风险。实验研究（Ringsberg等，2017；Heggelund等，2015；Hwang等，2012，2016；Yan等，2025）通常在救生艇表面布置压力传感器和六自由度（6-DOF）运动测量系统，获取压力时程和峰值分布，以验证数值模型并为工程规范提供基准数据。

加速度响应对于自由落体救生艇安全至关重要，直接关系到乘员生理耐受能力和整体安全性。Nelson等（1996）首次将均方根合成法与动态响应模型进行了对比，使用全尺寸试验和Hybrid III假人数据表明，考虑加速度幅值和持续时间的动态响应指标能更好地反映受伤风险。Tregde等（2011）、Sauder和Fouques（2009）以及Khaware等（2019）将CFD方法与模型试验相结合，对不同入水和波浪条件等参数进行了系统的敏感性分析，报道了代表性座椅处的CAR分布，并指出仅使用重心加速度会阻碍对个人乘员载荷的准确评估。此外，Svendsen（2017）和Berchiche等（2015）捕捉了艉部气穴和可压缩气垫效应，表明局部气穴会放大纵向加速度峰值和振荡。此外，Tregde等（2011）使用叠加网格改变入水姿态角，证明波浪幅度和入水角耦合显著改变前后方向加速度峰值，并提出了对座椅和垫子更严格的设计约束。

这三个安全指标取决于入水速度和姿态角，而后者由入水前运动过程决定。旋转阶段受发射滑道几何约束和姿态变化的控制，表现出复杂的非线性动力学特征。同时，姿态变化导致显著的时间变化风载荷面积和风载荷。这种复杂性为整个运动过程（滑动-旋转-自由落体-入水-升腾）的建模和数值求解带来了理论和实践挑战。

一些学者曾尝试将风阻力与救生艇全过程运动耦合，但相关研究仍然稀缺。现有努力集中在发射式救生艇上（Dymarski等，2006；Raman-Nair等，2005），其中运动通过数值方法求解，局部流体载荷通过CFD进行修正，但这种方法难以扩展到自由落体救生艇。其他研究主要通过风洞试验或CFD获得姿态相关的阻力系数（Wisniewski，2001；Willis等，1999），但这些研究仍停留在参数分析水平，并未系统地嵌入到时域动力学框架中，该框架需整合滑动、旋转和自由落体。Fouques等（2013）使用时域Monte Carlo模拟评估了自由落体救生艇从旋转式系泊FPSO的安全发射，强调风速和风向可以显著影响入水姿态和发射安全。Frickel等（2021）进一步使用MARIN的时域XMF框架研究了救生艇运动预测对风场建模的敏感性，表明FPSO引起的风遮蔽效应可显著改变救生艇轨迹。Qiu等（2023）使用Kane方法开发了从移动船舶发射的自由落体救生艇三维运动模型，其中船舶运动、滑道接触和入水载荷通过解析时域模型描述。这些研究表明时域运动预测对自由落体救生艇发射分析的重要性，但其目标主要涉及运行评估、风场敏感性或母船运动效应。

然而，仍有三个问题尚未得到充分解决。首先，滑动与自由落体之间的约束旋转阶段尚未被充分详细地明确建模，尽管它直接决定了救生艇入水前的姿态、速度和角速度。其次，完整运动预测仍然缺乏涵盖入水前和入水后两个阶段的系统性实验验证。第三，风载荷如何改变入水前运动并进而影响后续入水过程的机制尚未得到清晰阐明。

为弥补上述空白，本研究开发了一种结合时域动力学和CFD的方法，用于风载荷下自由落体救生艇的完整运动预测。如图1所示，入水前运动通过多阶段时域动力学求解器求解，而入水和升腾阶段通过CFD模拟。采用模型试验验证所提方法，并研究了风载荷对运动响应的影响。主要创新贡献可归纳为以下三个方面：

第一，开发了一种考虑风载荷的多阶段入水前动力学求解器。在旋转阶段，利用救生艇与发射滑道之间的接触关系来建立运动方程，考虑滑道反力、摩擦力、重力和风载荷。使用事件函数控制滑动、旋转和自由落体之间的过渡，确保位置、速度、姿态和角速度的连续传递。在运动过程中，使用面积积分法从三角化船体表面计算时变的投影迎风面积和风矩臂。拟合并存储姿态相关的阻力系数数据库，并引入Fr?ya风廓线来计算不同高度的风载荷。使用Runge-Kutta方法求解控制方程，获得风载荷下救生艇的入水前轨迹、速度和姿态响应。

其次，建立了救生艇整个运动过程的水槽模型试验方法。采用图像识别方法来估计救生艇在大振幅空中运动过程中的姿态，并通过与陀螺仪测量对比来验证其可靠性。然后使用图像识别获得的轨迹、速度和姿态来验证入水前动力学求解器。对于入水和升腾阶段，将动力学求解器预测的终端状态作为初始条件传递到CFD模型中，并使用测量的压力时程来验证CFD结果。通过这种方式，所提方法在入水前和入水后两个阶段都得到了系统验证。

第三，基于已验证的预测框架，阐明了风载荷如何改变终端入水状态的机制。获取了不同风速和风向下救生艇的完整运动响应，识别了约束旋转阶段对入水姿态的影响。定量分析了入水前轨迹、速度和姿态角的变化，揭示了风引起的入水前运动变化如何影响后续入水过程。此外，考察了风功和能量变化，从能量角度解释了风载荷如何改变救生艇的入水前运动。

本文结构安排如下：在第2节中，介绍了自由落体救生艇整个运动过程的坐标系定义和基本结构参数。详细阐述了滑动-旋转-自由落体阶段的入水前过程建模和求解方法，并给出了入水和升腾阶段的CFD数值方法和网格生成技术。在第3节中，基于Ahmed体试验标定阻力系数的计算方法，然后获得救生艇在不同姿态下的阻力系数拟合结果。基于水槽模型试验完成理论方法和CFD数值方法的验证，并展示了典型工况下整个运动过程的完整运动响应。在第4节中，在上述基础上，讨论了不同风向和风速条件下对救生艇运动响应和能量演化特征的影响，并提出了研究的局限性和未来工作。最后，第5节总结了研究结论。

## 坐标系定义和模型参数

自由落体救生艇在气-水介质中的运动表现为耦合的大振幅三维平动和转动运动。因此，引入一个地固坐标系（O-XYZ）和一个救生艇坐标系（G-xyz）进行描述。

如图所示，救生艇坐标系以救生艇重心G为原点：x轴指向船首，y轴指向左舷，z轴垂直于xyMethod calibration基于完整运动模型和方法（第2节），本节系统地校准和验证了各阶段解，以确保结果可靠性。首先，利用经典Ahmed汽车模型风洞试验数据校准救生艇阻力系数的计算方法。随后，计算并拟合不同姿态下的阻力系数，利用拟合函数闭合动力学求解器的阻力系数模块（3.1节）。利用自由降落救生艇模型试验，Results and discussions在第3节方法校准之后，本节分析了在不同参考风速U0和风向角γ条件下，自由降落救生艇完整运动的响应特性，从能量演化的角度揭示了风载荷对入水前运动的影响机制.Conclusion本文提出了一种风载荷作用下自由降落救生艇完整运动的联合预测方法，在耦合框架中将时域动力学求解器与CFD方法相结合，并通过模型试验验证了其可靠性。与试验对比确认了阻力系数计算、入水前运动响应以及入水砰击压力的准确性。验证结果表明，主要运动响应误差一般在5%以内，压力历程也吻合CRediT作者贡献声明冯旭：方法论、软件、验证、撰写——初稿。王志栋：概念化、资金获取、资源、监督、可视化。凌宏杰：方法论、软件、撰写——审阅与编辑。严扬跃：验证、撰写——审阅与编辑。窦鹏：软件、撰写——审阅与编辑。丁宇飞：撰写——审阅与编辑。杨吉平：撰写——审阅与编辑。任彩龙：撰写——审阅与编辑。利益冲突声明作者声明，没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。Acknowledgement本工作得到国家自然科学基金的资助[批准号52071163, 52572407]。冯旭|王志栋|凌宏杰|严扬跃|窦鹏|丁宇飞|杨吉平|任彩龙