CN104658369A - 一种浩航船舶稳性演示模型及其使用方法 - Google Patents

一种浩航船舶稳性演示模型及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种浩航船舶稳性演示模型，模型上的重量和船舶上的重量有确定的比例，模型上的长度与船舶上的长度也有确定的比例。模型的组成中，包括底座；底座上安装有第一支座、第二支座和第三支座；所述第一支座和第二支座上贯穿有中心轴；中心轴上套装有模型主体；模型主体正面设有面板；模型主体反面设有风力模拟器；中心轴穿入模型主体内两隔板，两隔板上都装有滚珠轴承；模型主体内安装有按一定规律运动的重锤。本发明所述的浩航船舶稳性演示模型，具有结构简单，操作方便的特点。可以适用于教学过程中，将船舶稳性问题直观化，让看不见摸不着的稳性概念能够在模型上得到直观体现，使教学过程中，学生能够对稳性概念更容易理解。

Description

一种浩航船舶稳性演示模型及其使用方法
技术领域
本发明是涉及船舶专业的一种教学教具，具体涉及船舶的初稳性、大角稳性、静稳性和动稳性等技术领域。
背景技术
在船舶专业的教学过程中，涉及到船舶的初稳性，大角稳性，静力横倾和动力横倾，在传统教学过程中，关于上述专业问题，只能依靠枯燥的公式推导以及课堂板书来进行传授，传授内容比较抽象，不够直观，学生不容易理解。
发明内容
发明的目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种浩航船舶稳性演示模型及其使用方法。
技术方案：浩航船舶稳性演示模型，包括底座，所述底座上安装有第一支座、第二支座和第三支座，所述第一支座和第二支座上贯穿有中心轴，所述中心轴上套装有模型主体，所述模型主体正面设有面板，所述模型主体反面设有风力模拟器，所述模型主体内安装有按一定规律运动的重锤。
作为优选，所述中心轴与模型主体连接处设有滚珠轴承。
作为优选，所述风力模拟器以中心轴为圆心安装在模型主体反面，所述风力模拟器包括线滚轮，所述线滚轮上绕有线，并通过线绕装于所述第三支座上的滚轮上，所述线的末端连接有托盘。
作为优选，所述面板上设有若干个铁钉，所述若干个铁钉上套有若干个砝码，所述面板上的滑槽中设有浮心浮力指针，所述面板上画有重心点，稳心点和稳心曲线。
浮心浮力指针可以在槽中移动，形成浮心曲线；稳心在重心之上的距离就是此时的稳心高h；面板上安置有若干个铁钉，铁钉上套些砝码，可进行左右或上下移动，以观察移动载荷对船舶稳性的影响；风力模拟器的线滚轮装在模型主体的背面，通过调整托盘中砝码大小模拟从舷侧吹来的风力大小。
具体的，本模型可演示下列几个方面的情景：
(1)初稳性：浮心曲线近似园弧，由此导出稳心高概念及复原力矩公式。
(2)大角稳性：重力浮力形成复原力矩随倾角而变化，作出静稳性曲线。
(3)侧风作用下的静力横倾及动力横倾：可演示二者倾角，有显著不同。
(4)移动载荷对稳性的影响：移动载荷无非就是引起船舶重心位置的改变。重心位置改变后的重力和浮力同样可以演绎出如实精彩的复原力矩，来说明移动载荷对上述诸情况的影响。
(5)负初稳性：可看出此时重心、稳心、浮心的位置。稳心高为负，可能立即倾覆，或直立状态不稳定，产生初始横倾角。此时，若按通常固有观念：遇到船舶横倾，就用反方向横向移动载荷的办法来解决。但反方向横移载荷到最后，却获得反方向的更大横倾角。何以会如此？从模型的重心、稳心、浮心的演绎情况就能得到一目了然的解释。正确的扶正方法应该是下移载荷以降低重心，使稳心高转为正值，就行。否则，我们通过模型演示就可说明，若凭固有观念盲目横移载荷，则不仅解决不了问题，弄不好还会因产生动力横倾而使船舶瞬间倾覆。
所述的浩航船舶稳性演示模型的复原力矩怎样产生？解答如下：
所述模型主体内部装有一定的压载物，设压载物重量为F压，其重心对轴a的位矢为主体转动部重量为F转，其重心对轴a的位矢为
设模型横倾至某位置(图4)，浮心浮力指针运动轨迹的曲率中心为M，M点对a轴的位矢为G点表示船舶重心位置，G点对a轴的位矢为M点对G点的位矢为则可得
在此横倾位置时重锤所处的状态中(图5)，重锤运动轨迹的曲率中心为m，m点对轴a的位矢为g点是某任意选定的一个定点，g点对轴a的位矢为m点对g点的位矢为则可得
压载物重量主体转动部重量指针重量和重锤重量全部作用于此模型时，总力矩如下：
式中是铅垂向下的单位矢量，中括弧内有前后两小括弧项，前小括弧项只要适当调整压载物的重量和重心位置，可成为零，从而使前小括弧项消失无踪，
后小括弧项中，只要适当调整F锤和的大小和方向，就可满足下列关系式：
式中P表示船舶排水量，矢量的大小与排水量相等，但方向则是铅垂向上，故即为船舶的浮力而就是船舶的复原力矩，
综上所述可知，在模型横倾的整个过程中，只要重锤的运动时刻都满足上述关系式A，则模型就会显现出随横倾角而变化的，相应大小的复原力矩。
有益效果：本发明所述的浩航船舶稳性演示模型，具有结构简单，操作方便的特点，可以适用于教学过程中，将船舶稳性问题直观化，让看不见摸不着的稳性能够在模型上得到直观体现，使教学过程中，学生能够更容易理解。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的后视图；
图4为本发明的模型横倾至某位置时浮心和浮力指针示意图；
图5为本发明的模型横倾至某位置时重锤所处的状态示意图。
具体实施方式
实施例：
如图1、2、3、4、5所示，浩航船舶稳性演示模型，包括底座1，所述底座1上安装有第一支座2、第二支座3和第三支座10，所述第一支座2和第二支座3上贯穿有中心轴4，所述中心轴4上套装有模型主体5，所述模型主体5正面设有面板6，所述模型主体5反面设有风力模拟器7，所述模型主体5内安装有按一定规律运动的重锤9，在模型横倾过程中，重锤9的规律性运动，能使模型产生随横倾角而变化的，相应大小的复原力矩；上述中心轴4与模型主体5连接处设有滚珠轴承8；上述风力模拟器7以中心轴4为圆心安装在模型主体5反面，上述风力模拟器7包括线滚轮11，所述线滚轮11上绕有线，并通过线绕装于所述第三支座10上的滚轮上，上述线的末端连接有托盘12；上述面板6上设有若干个铁钉13，所述若干个铁钉13上套有若干个砝码14，上述面板6上的滑槽中设有浮心浮力指针15，面板6上有重力重心点16，稳心点17和稳心曲线18。
如图2所示，图2中，浮心浮力指针15可以在槽中移动，形成浮心曲线；稳心在重心之上的距离就是此时的稳心高h；面板6上安置的若干个铁钉13，铁钉13上套些砝码14，砝码可进行左右或上下移动，以观察移动载荷对船舶稳性的影响。
如图3所示，风力模拟器7的线滚轮11装在模型主体5的背面，通过调整托盘12中砝码大小模拟从舷侧吹来的风力大小。
所述的浩航船舶稳性演示模型的复原力矩怎样产生？现作理论论证如下：
模型主体内部装有一定的压载物，设压载物重量为F压，其重心对轴a的位矢为主体转动部重量为F转，其重心对轴a的位矢为
设模型横倾至某位置，浮力指针运动轨迹的曲率中心为M，M点对a轴的位矢为G点表示船舶重心位置，G点对a轴的位矢为M点对G点的位矢为则可得
在此横倾位置时重锤所处的状态中，重锤运动轨迹的曲率中心为m，m点对轴a的位矢为g点是某任意选定的一个定点，g点对轴a的位矢为m点对g点的位矢为则可得
压载物重主体转动部重指针重和重锤重全部作用于模型时总力矩为：
式中是铅垂向下的单位矢量，中括弧内有前后两小括弧项，前小括弧项只要适当调整压载物的重量和重心位置，可成为零，从而使前小括弧项消失无踪，
后小括弧项中，只要适当调整F锤和的大小和方向，就可满足下列关系式：
式中P表示船舶排水量，矢量的大小与排水量相等，但方向则是铅垂向上，故即为船舶的浮力而就是船舶的复原力矩，
综上所述可知，在模型横倾的整个过程中，只要重锤的运动时刻都满足上述关系式A，则模型就会显现出随横倾角而变化的，相应大小的复原力矩。
本发明所述的浩航船舶稳性演示模型，具有结构简单，操作方便的特点，可以适用于教学过程中，将船舶稳性问题直观化，让看不见摸不着的稳性能够在模型上得到直观体现，使教学过程中学生能够更容易的理解。
具体的，本模型可演示下列几个方面的情景：
(1)初稳性：浮心曲线近似园弧，由此导出稳心高概念及复原力矩公式。
(2)大角稳性：重力浮力形成复原力矩随横倾角而变化，作出静稳性曲线。
(3)侧风作用下的静力横倾及动力横倾：可演示二者倾角，有显著不同。
(4)移动载荷对稳性的影响：移动载荷无非就是引起船舶重心位置的改变。重心位置改变后的重力和浮力同样可以演绎出如实而精彩的复原力矩，来说明移动载荷对上述诸情况的影响。
(5)负初稳性：可看出此时重心、稳心、浮心的位置。稳心高为负，可能立即倾覆，或直立状态不稳定，产生初始横倾角。此时，若按通常固有观念：遇到船舶横倾，就用反方向横向移动载荷的办法来解决。但反方向横移载荷到最后，却获得相反方向的更大横倾角。何以会如此？从模型的重心、稳心、浮心的演绎情况就能得到一目了然的解释。正确的扶正方法应该是下移载荷以降低重心，使稳心高转为正值，就行。否则，我们通过模型演示就可说明，若凭固有观念盲目反方向横移载荷，则不仅解决不了问题，弄不好还会因产生动力横倾而使船舶瞬间倾覆。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种浩航船舶稳性演示模型，包括底座(1)，其特征在于：所述底座(1)上安装有第一支座(2)、第二支座(3)和第三支座(10)；所述第一支座(2)和第二支座(3)上贯穿有中心轴(4)；所述中心轴(4)上套装有模型主体(5)；所述模型主体(5)正面设有面板(6)；所述模型主体(5)反面设有风力模拟器(7)；所述模型主体(5)内安装有按一定规律运动的重锤(9)。
2.根据权利要求1所述的浩航船舶稳性演示模型，其特征在于：所述中心轴(4)与模型主体(5)内两隔板连接处设有滚珠轴承(8)。
3.根据权利要求1或2所述的浩航船舶稳性演示模型，其特征在于：所述风力模拟器(7)以中心轴(4)为圆心安装在模型主体(5)反面，所述风力模拟器(7)包括线滚轮(11)，所述线滚轮(11)上绕有线，并通过线绕装于所述第三支座(10)上的滚轮上，所述线的末端连接有砝码托盘(12)。
4.根据权利要求1或3所述的浩航船舶稳性演示模型，其特征在于：所述面板(6)上设有若干个铁钉(13)；所述若干个铁钉(13)上套有一些砝码(14)；所述面板(6)上的滑槽中设有浮心浮力指针(15)；所述面板(6)上画有重心点(16)，稳心点(17)和稳心曲线(18)。
5.根据权利要求1所述的浩航船舶稳性演示模型的使用方法，其特征在于：可演示下列几个方面的情景：
(1)初稳性：浮心曲线近似园弧，由此导出稳心高概念及初稳性复原力矩公式；
(2)大角稳性：重力浮力形成复原力矩随倾角而变化，可作出静稳性曲线；
(3)侧风作用下的静力横倾及动力横倾：可演示静力横倾角和动力横倾角；
(4)移动载荷对稳性的影响：可将面板铁钉上的砝码作上下移动或左右移动，来模拟船舶上的载荷移动，可按比例算出船舶载荷移动后所引起船舶重心位置的改变，由此相应地将模型上的重力指针从原重心位置移动到模型上新的位置，改变后的重力和浮力在模型上同样可以演绎出移动载荷后的新的平衡位置、及其新的稳心高、以及复原力矩随横倾角而作相应变化的情况等，来说明移动载荷对初稳性和大角稳性的影响；
(5)负初稳性：若垂直向上移载，致使重心G高度超过了稳心M0，稳心高就为负；这时模型直立不稳，可能立即倾覆；也可能产生初始横倾角；此时，若按通常固有观念：遇到船舶横倾，就向相反方向横向移动载荷来对付。但横移载荷到最后，却获得相反方向的更大横倾角；何以会如此？从模型的重心、稳心、浮心的演绎情况就能得到一目了然的解释。正确的扶正方法应该是下移载荷以降低重心，使稳心高转为正值，就行；否则，我们通过模型演示就可说明，若凭固有观念盲目横移载荷，则不仅解决不了问题，弄不好还会因产生动力横倾而使船舶瞬间倾覆。
6.根据权利要求5所述的浩航船舶稳性演示模型的使用方法，其特征在于：所述模型主体(5)内安装有一个重锤(9)，此重锤能在模型横倾过程中按一定规律进行运动，从而随着模型的横倾，便模型产生相应大小的复原力矩；现对此进行理论论证如下：
在模型主体内部是必须装有一定的压载物的，设压载物重量为F压，其重心对轴a的位矢为主体转动部重量为F转，其重心对轴a的位矢为
设模型横倾至某位置，此时浮心浮力指针运动轨迹的曲率中心为M，M点对a轴的位矢为G点表示船舶重心位置，G点对a轴的位矢为M点对G点的位矢为则可得
表示在此横倾位置时重锤所处的状态，设此时重锤运动轨迹的曲率中心为m，m点对轴a的位矢为g点是某任意选定的一个定点，g点对轴a的位矢为m点对g点的位矢为则可得
压载物重量主体转动部重量指针重量和重锤重量对模型的总力矩为：
式中是铅垂向下的单位矢量。中括弧内有前后两小括弧项，前小括弧项只要适当调整压载物的重量和重心位置，就可成为零，从而使前小括弧项消失无踪；
后小括弧项中，只要适当调整F锤和的大小和方向，就可满足下列关系式：
式中P表示船舶排水量，矢量的大小与排水量相等，但方向则是铅垂向上，故即为船舶的浮力而就是船舶的复原力矩；
由此可知，在模型横倾的整个过程中，只要重锤的运动时刻都满足上述关系式A，则模型就会显现出随横倾角而变化的，相应大小的复原力矩。
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