CN105355132B - 货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置及模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置及模拟方法，该装置包括船模、基台、传力杆、连接杆和支柱，所述船模通过两端的第一刚性杆固定在基台上，在船模的两侧通过传力杆对称的安装有四个加载水箱，船模两侧的加载水箱通过连接杆连接，连接杆的中部通过第二刚性杆与支柱连接，第二刚性杆同时与连接杆和支柱铰接；在船模的扭转轴心处安装有角位移传感器，在船模上设有若干个应变传感器，所述应变传感器均与电荷放大器连接，电荷放大器将信号放大通过信号采集仪采集。本发明是模拟大开口船舶发生扭转的原理而制成的实验装置，作为教学中的实验装置，通过加载扭矩模拟船舶装载不平衡的情况，使实验真实，易观察，具有说服力。

Description

货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置及模拟方法
技术领域
本发明涉及一种货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置及模拟方法，属于教学实验仪器领域。
背景技术
伴随着全球经济一体化的发展，海洋运输业发展迅猛，而以集装箱船为代表的大开口船舶由于其舱室的大开口使装卸效率大大提高，使它们的数量越来越多。然而，大开口船舶由于其大开口的结构特点造成了扭转强度被削弱，因而造成的事故也越来越多，所以对大开口船舶扭转的研究也越来越重要。
造成大开口船舶发生扭转的原因主要有以下两类：
1.船舶在波浪中航行时受到扭矩；
2.船舶由于货物装载不平衡受到扭矩；
本实验装置模拟船舶由于货物装载不平衡受到的扭矩。
目前对于大开口船舶扭转的研究主要集中在计算与软件计算方面，在教学中只是列出了大开口船舶发生扭转的外力的探讨，对于模拟大开口船舶扭转变形方面存在着很大的空缺，教学中不能让学生看到船舶因受扭矩而发生的扭转变形，认识到扭转对大开口船舶的危害。开展模拟大开口船舶扭转变形的实验在教学中主要由以下三方面优点：
(1)船舶受到的扭转力矩与总纵弯矩相比小得多，因此人们对船舶扭转强度的研究不够重视，在学习中学生也缺少对船舶扭转强度的认识，然而扭转强度对于大开口船舶来说，其重要性比总纵强度更加值得重视。货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置验证了扭转对船舶的危害，从而引起学生对大开口船舶扭转的重视。
(2)货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置的设计可以让学生对船舶扭转有一个直观的认识，在具有直观认识的基础上掌握有关船舶扭转方面的知识。
(3)本实验装置可以直接读取船舶扭转力矩，船舶扭转角位移，在本实验装置的船模根据相似性理论设计与制作的前提下，本扭转实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际船舶的扭转强度。
图1(a)和图1(b)表示的是一艘前后对称的船首尾部货物装载不平衡的情况：单位长度的扭矩为c＝v×e，其中e：单位长度船舶浮力作用线到重心的距离；v：单位长度 的浮力，c:单位长度的扭矩。
由图1(b)可以看出，图中船首船尾货物装载不平均，船首货物集中在右舷，船尾货物集中在左舷，因此船体前半部分重心偏向右舷，船体后半部分重心偏向左舷。船舶前半段的重力(排水量的1/2)作用点位于距船纵中剖面的右舷e处，船舶后半段的重力(排水量的1/2)作用点位于距船纵中剖面的左舷e处，由船舶前后左右两舷加载不同，造成船舶前半部分由于自重对船体产生纵向扭转，船舶的后半部分恰恰相反；这样，在船中剖面的地方将作用一个绕船体扭转轴的力矩。它的扭转中心一般在形心位置的附近，则在船中剖面所受到的扭矩是T＝V总·e(V总为船舶受到的浮力)
本实验装置模拟了大开口船舶由于货物装载不平衡受到扭矩而发生扭转变形的情景。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置及模拟方法，通过仪器设备来显示船舶受到扭矩并观察大开口船舶受到扭矩后发生扭转变形，方便学生掌握大开口船舶扭转方面的知识。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，包括船模、基台、传力杆、连接杆和支柱，所述船模通过两端的第一刚性杆固定在基台上，在船模的两侧通过传力杆对称的安装有四个加载水箱，船模两侧的加载水箱通过连接杆连接，连接杆的中部通过第二刚性杆与支柱连接，第二刚性杆同时与连接杆和支柱铰接；在船模的扭转轴心处安装有角位移传感器，在船模上设有若干个应变传感器，所述应变传感器均与电荷放大器连接，电荷放大器将信号放大通过信号采集仪采集，信号采集仪采集的信号经过计算机分析测出扭矩。
作为优选，所述应变传感器位于船模舱口的角隅处。
作为优选，所述加载水箱设有直接读取各个水箱内水深的刻度。
作为优选，所述船模由聚氨酯软泡沫塑料制作。
作为优选，所述第一刚性杆位于船模的中轴线上，第一刚性杆上连接有竖向的指针，在船模上设有以第一刚性杆和船模的交点为圆心的角刻度。
一种上述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置的模拟方法，根据试验要求，向四个加载水箱中加入不同的水量，水量根据加载水箱的刻度加入，从而模拟船舶在不平衡装载情况下船舶受到的扭矩，通过角位移传感器和应变传感器观察实验现象。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本扭转实验装置是模拟大开口船舶发生扭转的原理而制成的实验装置，作为教学中的实验装置，通过加载扭矩模拟船舶装载不平衡的情况，使实验真实，易观察，具有说服力。
(2)现有的扭转计算方法及软件只是用来计算船舶扭转的翘曲应力，而本实验装置可以使学生了解船舶发生扭转的基本成因及扭转发生的基本原理，船模发生的扭转变形，可以使学生对船舶扭转有一个直观认识，强化学生对船舶发生扭转的机理的理解。
(3)船模是由特殊材料制成的，与刚性杆之间铰接，当船模受到扭矩作用后会发生扭转变形，这样的视觉效果，在教学过程中让学生的印象深刻。
(4)船模的测量仪器测出船模受到的扭矩，这样可以用来说明船模是因为受到扭矩作用而产生扭转变形的，结合着测量数据，证明扭矩导致船舶发生扭转。
(5)在本实验装置的船模根据相似性理论设计与制作的前提下，本扭转实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际船舶的扭转强度。
附图说明
图1为船舶受力示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的扭转主体部分的俯视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3的B-B剖视图。
具体实施方式
如图2至图5所示，本发明的一种货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，包括船模5、基台3、传力杆10、连接杆1和支柱7，所述船模5通过两端的第一刚性杆9固定在基台3上，在船模5的两侧通过传力杆10对称的安装有四个加载水箱6，船模5两侧的加载水箱6通过连接杆1连接，连接杆1的中部通过第二刚性杆8与支柱7连接，第二刚性杆8同时与连接杆1和支柱7铰接；在船模5的扭转轴心处安装有角位移传感器2，这样可以直接读出船舶发生的扭转角的大小，在船模5的上设有若干个应变传感器4，所述应变传感器4均与电荷放大器11连接，电荷放大器11将信号放大通过信号采集仪12采集，信号采集仪12采集的信号经过计算机13分析测出扭矩。
在本发明中，所述应变传感器4位于船模5舱口的角隅处，此处大开口船舶的扭矩作用最大。所述加载水箱6设有直接读取各个水箱内水深的刻度。所述船模5由聚氨酯软泡沫塑料制作，扭转实验中大开口船模5是由聚氨酯软泡沫塑料制作，这样可以保证实验船模5具有一定的刚度使其在不受扭矩时保持平衡状态，当受到扭矩时会发生扭转变形，在扭矩消失后仍能回到原来状态。所述第一刚性杆9位于船模5的中轴线上，第 一刚性杆9上连接有竖向的指针，在船模5上设有以第一刚性杆9和船模5的交点为圆心的角刻度，在扭转的时候通过指针可以指示扭转的角度。
一种上述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置的模拟方法，根据试验要求，向四个加载水箱6中加入不同的水量，使得船模5发生扭转，水量根据加载水箱6的刻度加入，从而模拟船舶在不平衡装载情况下船舶受到的扭矩，通过角位移传感器2和应变传感器4观察实验现象。
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.货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，其特征在于：包括船模、基台、传力杆、连接杆和支柱，所述船模通过两端的第一刚性杆固定在基台上，在船模的两侧通过传力杆对称的安装有四个加载水箱，船模两侧的加载水箱通过连接杆连接，连接杆的中部通过第二刚性杆与支柱连接，第二刚性杆同时与连接杆和支柱铰接；在船模的扭转轴心处安装有角位移传感器，在船模上设有若干个应变传感器，所述应变传感器均与电荷放大器连接，电荷放大器将信号放大通过信号采集仪采集，信号采集仪采集的信号经过计算机分析测出扭矩。
2.根据权利要求1所述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，其特征在于：所述应变传感器位于船模舱口的角隅处。
3.根据权利要求2所述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，其特征在于：所述加载水箱设有直接读取各个水箱内水深的刻度。
4.根据权利要求3所述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，其特征在于：所述船模由聚氨酯软泡沫塑料制作。
5.根据权利要求4所述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置，其特征在于：所述第一刚性杆位于船模的中轴线上，第一刚性杆上连接有竖向的指针，在船模上设有以第一刚性杆和船模的交点为圆心的角刻度。
6.一种如权利要求5所述的货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置的模拟方法，其特征在于：根据试验要求，向四个加载水箱中加入不同的水量，水量根据加载水箱的刻度加入，从而模拟船舶在不平衡装载情况下船舶受到的扭矩，通过角位移传感器和应变传感器观察实验现象。
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