高速摄像机在极地船舶与浮冰碰撞模型实验中的应用

      作为近北极国家，加强极地船舶设计制造技术研发，提升极地船舶航行安全性，将有力助推我国实现海洋强国目标。

       极地船舶在冰区航行时易遇见浮冰碰撞情况，浮冰碰撞载荷下船舶结构会产生变形损伤，如图1图2所示。极地船舶与浮冰碰撞模型实验技术是船-冰碰撞下结构动力响应机理研究的核心技术，冰体破碎特性一级结构变形机制研究又是其中的关键。

图1  极地船舶在冰区航行中与冰山碰撞

图2 冰山碰撞下船体结构塑性变形损伤

       武汉理工大学交通学院朱凌教授团队在冰体碰撞下船体板动力响应模型试验研究中，利用千眼狼高速图像采集与测量技术、XTDIC图像处理分析技术，拍摄分析了冰体碰撞过程中速度变化过程以及冰体失效破坏情况，研究船体板模型在冰体碰撞过程中变形过程以及船体板的应变分布变化过程，如图3所示。

图3 冰体-船体板碰撞模型试验示意图

      试验过程利用三台千眼狼高速摄像仪，其中一台监测冰体碰撞过程中冰体破碎动态图像，以及分析碰撞过程中冰体速度变化，另外两台拍摄捕捉船体板的动态变形过程，用XTDIC图像分析技术，对船体板表面形貌、位移以及应变进行测量和分析，并得到三维应变场以及位移场数据。 

实验过程

1、试验前在船体板模型上做好散斑标定，试验过程中利用千眼狼高速摄像机进行实时采集船体板模型各个变形阶段的散斑图像；

2、通过千眼狼高速图像采集与测量技术以及XTDIC图像处理分析技术所得到的船体板模型在冰体碰撞过程中的位移变形特性以及位移，如图5；

图5 冰体碰撞下船体板变形时间历程

3、新的散斑系统集成了动态变形系统与轨迹姿态分析系统，在散斑计算的同时对于船体板模型表面特殊点的位移变化和轨迹姿态进一步分析计算，如图6。

图6 冰体碰撞下船体板ZX点处ZD主应变时间历程

       通过上述试验观察发现在碰撞过程中冰体主要发生挤压破坏，并以小颗粒的形式快速剥落，如图7所示。并发现冰体与船体板模型的接触面积在逐渐变大，碰撞过程中速度在逐渐变小。

图7 冰体与船体板接触过程中失效破坏过程

      上述实验研究结果可助力提升极地船舶结构强度，降低船舶航行损伤成本，为船舶制造过程中船体耐撞结构设计及抗撞性能评估提供了一定的应用价值。（作者：武汉理工大学 蔡伟）