CN105438399A - 一种系泊船舶物理模型及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种系泊船舶物理模型及其试验方法，系泊船舶物理模型包括港池、造波机、消浪缓坡、地下水库、码头模型、船舶模型、潜水泵、导流墙、风架、缆绳模型和六运动量测量仪；消浪缓坡设在港池四周，地下水库设在港池的地面以下，造波机设在港池一端，码头模型和船舶模型设在港池的另一端；导流墙设在码头模型和船舶模型外围，风架设置在船舶模型上；码头模型包括靠船墩、系缆墩、护舷传感器、铁架和计算机，缆绳模型一端与码头模型连接，另一端与船舶模型连接，缆绳模型与船舶模型连接端设有缆力传感器；船舶模型设有探头和六运动量测量仪；缆力传感器、护舷传感器、六运动量测量仪分别与计算机连接。本发明可对各种风浪流组合工况进行模拟。

Description

一种系泊船舶物理模型及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种系泊船舶物理模型及其试验方法。

背景技术

系泊船舶在波浪、水流和风荷载作用下会产生横移、纵移、升沉、横摇、纵摇、回旋6个自由度的运动；当船舶远离码头时，缆绳受到拉力，将船舶往码头方向拉；当船舶靠近码头时，码头上的护舷受到船舶的撞击力并将撞击能量传递给码头。由于三者之间互相影响，所以泊稳条件极其复杂，难以用一般理论进行解释，需要通过物理模型试验得到实测值来检验系泊的安全性。

国外物理模型试验做的较少，主要通过数模来对系泊工况进行检验。国内部分高校和研究单位进行系泊船舶物理模型试验，但水流条件、缆绳、护舷等模拟方法各家不尽相同。

风浪流、码头结构及船型各种不同工况组合都会对系泊船舶的泊稳产生影响，现有研究项目系泊船舶物理模型试验方法精度不高且不能做到对各种工况都适用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种通过设计模型来测定系泊船舶在波浪、水流和风等共同作用下的6个运动量、缆力和船舶对码头的撞击能量的试验方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种系泊船舶物理模型，包括港池、造波机、消浪缓坡、地下水库、码头模型、船舶模型、潜水泵、导流墙、风架、缆绳模型和六运动量测量仪；

所述消浪缓坡设在港池四周，地下水库设在港池的地面以下，造波机设在港池一端，码头模型和船舶模型均设在港池的另一端；所述导流墙设在码头模型和船舶模型外围，且船舶模型与造波机之间的导流墙中间设有缺口，潜水泵设在码头模型左右两侧或正后方，并与导流墙连接；所述风架为2组，关于船舶模型纵轴、横轴对称设置在船舶模型上；所述码头模型包括靠船墩、系缆墩、护舷传感器、铁架和计算机，护舷传感器设在靠船墩上，铁架悬臂端伸到船舶正上方，缆绳模型一端与码头模型连接，另一端与船舶模型连接，缆绳模型与船舶模型连接端设有缆力传感器；所述船舶模型重心位置处设有探头，六运动量测量仪通过铁架悬挂在探头正上方；缆力传感器、护舷传感器、六运动量测量仪分别与计算机连接。

上述6个运动量为船舶模型在波浪、水流和风荷载作用下产生的横移、纵移、升沉、横摇、纵摇、回旋6个自由度的运动量；

上述地下水库可通过水泵向港池内加水，并可通过港池底部的回水孔将港池内的水回收到地下水库。

上述船舶模型靠近造波机一侧为正前方，船舶模型与造波机相背方为正后方；靠船墩位置相对船舶模型比系缆墩位置靠前，系缆墩和靠船墩都可以系缆；

上述导流墙可调整流向；

工作原理：本发明系泊船舶物理模型，在港池的一端设置造波机，四周设置消浪缓坡，根据设计要求在港池的另一端制作码头模型和船舶模型，船舶模型设置在码头模型一侧，从地下水库向港池中加水至设计水位；在港池中码头模型周围安置大流量潜水泵和可调整流向的导流墙，产生所需要的水流条件；根据规范及系泊船舶受风面积计算得到船舶所受风荷载，将风荷载分解为沿船长方向和垂直船长方向，设置关于船纵轴、横轴对称的风架两组，通过滑轮挂重物的方式将均匀分布于船身的风荷载转化为四个集中力；在码头模型上固定缆绳模型位置，缆绳模型系泊船舶模型模拟船舶艏缆、横缆及艉缆等；船舶模型上的系泊端设置缆力传感器，通过将实际缆力转化为传感器内电阻片变形，引起电压变化得到相应数值的方法测量缆力值；在码头模型中系缆墩上设置护舷传感器，通过与缆力传感器相似的原理测量撞击力和撞击能量；在系泊船舶模型重心位置处固定探头，使探头的运动量能代表整个船舶模型的运动量，通过在探头正上方悬挂六运动量测量仪发射红外射线扫描探头位置测量船舶模型的6个运动量；六运动量测量仪、缆力传感器、护舷传感器分别于计算机连接，通过软件采集处理数据。

所述造波机为多向不规则波造波机，能造出不同需求的波浪。

所述潜水泵为1个以上，均匀设置在码头模型左右两侧及正后方，并与导流墙连接，能快速产生所需要的水流条件。

所述缆绳模型由钢丝与多级钢片组合而成，采用无弹性的钢丝与多级钢片组合成缆绳模型模拟原型缆绳非线性的拉力-伸长曲线。

所述缆绳模型为4个，分别模拟船舶模型的艏缆、横缆、倒缆和艉缆，能模拟各种系缆情况，测量相应的缆力值。

上述系泊船舶物理模型的试验方法，包括以下步骤：

1)、在没有放入码头模型和船舶模型时，从地下水库向港池中加水至设计水位，对试验所需波要素进行率定，并在造波机系统中保留率定文件；

2)、安装码头模型、船舶模型和缆绳模型，通过设计资料中给定的码头前沿水流流向确定大流量潜水泵及导流墙位置，通过设计资料中给定的码头前沿风向确定风架位置，根据风荷载计算值在风架上配得相应重物；

3)、安装缆力传感器、护舷传感器和六运动量测量仪，并连接到计算机；

4)、调用率定文件，造波机打出相应工况的波要素，通过计算机分别采集系泊船舶的6个运动量、缆力和撞击能量，将采集到的数据通过软件处理；

5)、停止造波机，等待港池中水面平静，根据工况调整风架上的重物及潜水泵和导流墙，打下一个波要素并进行数据采集处理；

6)、步骤5)水位波要素打完后，加水或放水至下一设计水位，同理进行试验，至实验结束。

上述步骤1中对试验所需波要素进行率定为：将原型的波要素转换至模型波要素。

所述步骤6)试验结束后，将港池中水抽回至地下水库，供下次试验时使用，能防止港池内的水被污染，节约水资源，并方便下次试验使用。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)设置消浪缓坡，防止波浪水流反射对试验精度产生影响；

2)多向不规则波造波机可在港池中打出不同浪向、不同波要素的规则波或不规则波；

3)大流量潜水泵及导流墙可调整流速流向；

4)通过风架可模拟不同风速、风向条件下作用于船身的风荷载；

5)可对各种不同风浪流组合的工况进行模拟，适用性强；

6)试验用水来自地下水库，用完的水放入水库中，实现了水资源的循环利用；

7)系泊船舶模型的6个运动量、系缆力和撞击能量数据都使用计算机进行采集，精度较高。

附图说明

图1是本发明系泊船舶物理模型的结构示意图；

图2是本发明的工作流程图；

图3为六运动量测量仪安装示意图；

图中，1为港池、2为造波机、3为消浪缓坡、4为码头模型、5为船舶模型、6为地下水库、7为潜水泵、8为导流墙、9为风架、10为缆绳模型、11为缆力传感器、12为系缆墩、13为护舷传感器、14为探头、15为六运动量测量仪、16为计算机、17为系缆墩、18为铁架。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种系泊船舶物理模型，包括港池1、多向不规则波造波机2、消浪缓坡3、地下水库6、码头模型4、船舶模型5、潜水泵7、导流墙8、风架9、缆绳模型10和六运动量测量仪15；

消浪缓坡3设在港池1四周，地下水库6设在港池1的地面以下，造波机2设在港池1一端，码头模型4和船舶模型5均设在港池1的另一端；导流墙8设在码头模型4和船舶模型5外围，且船舶模型5与多向不规则波造波机2之间的导流墙8中间设有缺口，潜水泵7为1个以上，均匀设置在码头模型4左右两侧及正后方，并与导流墙8连接；风架9为2组，关于船舶模型5纵轴、横轴对称设置在船舶模型5上；码头模型4包括靠船墩12、系缆墩17、护舷传感器13、铁架18和计算机16，护舷传感器13设在靠船墩12上，铁架18悬臂端伸到船舶正上方，缆绳模型10为4个，分别模拟船舶模型5的艏缆、横缆、倒缆和艉缆，缆绳模型10由钢丝与多级钢片组合而成，缆绳模型10一端与码头模型4连接，另一端与船舶模型5连接，缆绳模型10与船舶模型5连接端设有缆力传感器11；船舶模型5重心位置处设有探头14，六运动量测量仪15通过铁架18悬挂在探头14正上方；缆力传感器11、护舷传感器13、六运动量测量仪15分别与计算机16连接。

本发明系泊船舶物理模型，在港池1的一端设置多向不规则波造波机2，四周设置消浪缓坡3，根据设计要求在港池1的另一端制作码头模型4和船舶模型5，船舶模型5设置在码头模型4一侧，从地下水库6向港池1中加水至设计水位；在港池1中码头模型4周围安置大流量潜水泵7和可调整流向的导流墙8，产生所需要的水流条件；根据规范及系泊船舶受风面积计算得到船舶所受风荷载，将风荷载分解为沿船长方向和垂直船长方向，设置关于船纵轴、横轴对称的风架9两组，通过滑轮挂重物的方式将均匀分布于船身的风荷载转化为四个集中力；在码头模型4上固定缆绳模型10位置，缆绳模型10系泊船舶模型5模拟船舶艏缆、横缆及艉缆等；船舶模型5上的系泊端设置缆力传感器11，通过将实际缆力转化为传感器内电阻片变形，引起电压变化得到相应数值的方法测量缆力值；在码头模型4中系缆墩17上设置护舷传感器13，通过与缆力传感器11相似的原理测量撞击力和撞击能量；在系泊船舶模型5重心位置处固定探头14，使探头14的运动量能代表整个船舶模型5的运动量，通过在探头14正上方悬挂六运动量测量仪15发射红外射线扫描探头14位置测量船舶模型5的6个运动量；六运动量测量仪15、缆力传感器11、护舷传感器13分别于计算机16连接，通过软件采集处理数据。

如图2所示，上述系泊船舶物理模型的试验方法，包括以下步骤：

1)、在没有放入码头模型4和船舶模型5时，从地下水库6向港池1中加水至设计水位，对试验所需波要素进行率定，并在造波机2系统中保留率定文件；

2)、安装码头模型4、船舶模型5和缆绳模型10，通过设计资料中给定的码头前沿水流流向确定大流量潜水泵7及导流墙8位置，通过设计资料中给定的码头前沿风向确定风架9位置，根据风荷载计算值在风架9上配得相应重物；

3)、安装缆力传感器11、护舷传感器13和六运动量测量仪15，并连接到计算机16；

4)、调用率定文件，多向不规则波造波机2打出相应工况的波要素，通过计算机16分别采集系泊船舶的6个运动量、缆力和撞击能量，将采集到的数据通过软件处理；

5)、停止造波机2，等待港池1中水面平静，根据工况调整风架9上的重物及潜水泵7和导流墙8，打下一个波要素并进行数据采集处理；

6)、步骤5)水位波要素打完后，加水或放水至下一设计水位，同理进行试验，至实验结束。

步骤6)试验结束后，将港池1中水抽回至地下水库6，供下次试验时使用。

表1

表1为某30万吨级船舶运用本文系泊船舶物理模型及试验方法进行试验后得到的6个运动量、缆力和撞击能量数据，结果表明，本文所述方法适用于多种工况，且采集的数据精度较高。

以上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，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种系泊船舶物理模型，其特征在于：包括港池(1)、造波机(2)、消浪缓坡(3)、地下水库(6)、码头模型(4)、船舶模型(5)、潜水泵(7)、导流墙(8)、风架(9)、缆绳模型(10)和六运动量测量仪(15)；所述消浪缓坡(3)设在港池(1)四周，地下水库(6)设在港池(1)的地面以下，造波机(2)设在港池(1)一端，码头模型(4)和船舶模型(5)均设在港池(1)的另一端；所述导流墙(8)设在码头模型(4)和船舶模型(5)外围，且船舶模型(5)与造波机(2)之间的导流墙(8)中间设有缺口，潜水泵(7)设在码头模型(4)左右两侧或正后方，并与导流墙(8)连接；所述风架(9)为2组，关于船舶模型(5)纵轴、横轴对称设置在船舶模型(5)上；所述码头模型(4)包括靠船墩(12)、系缆墩(17)、护舷传感器(13)、铁架(18)和计算机(16)，护舷传感器(13)设在靠船墩(12)上，铁架(18)悬臂端伸到船舶正上方，缆绳模型(10)一端与码头模型(4)连接，另一端与船舶模型(5)连接，缆绳模型(10)与船舶模型(5)连接端设有缆力传感器(11)；所述船舶模型(5)重心位置处设有探头(14)，六运动量测量仪(15)通过铁架(18)悬挂在探头(14)正上方；缆力传感器(11)、护舷传感器(13)、六运动量测量仪(15)分别与计算机(16)连接。

2.如权利要求1所述的系泊船舶物理模型，其特征在于：所述造波机(2)为多向不规则波造波机(2)。

3.如权利要求1所述的系泊船舶物理模型，其特征在于：所述潜水泵(7)为1个以上，均匀设置在码头模型(4)左右两侧及正后方，并与导流墙(8)连接。

4.如权利要求1-3任意一项所述的系泊船舶物理模型，其特征在于：所述缆绳模型(10)由钢丝与多级钢片组合而成。

5.如权利要求4所述的系泊船舶物理模型，其特征在于：所述缆绳模型(10)为4个，分别模拟船舶模型(5)的艏缆、横缆、倒缆和艉缆。

6.权利要求1-5任意一项所述的系泊船舶物理模型的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、在没有放入码头模型(4)和船舶模型(5)时，从地下水库(6)向港池(1)中加水至设计水位，对试验所需波要素进行率定，并在造波机(2)系统中保留率定文件；

2)、安装码头模型(4)、船舶模型(5)和缆绳模型(10)，通过设计资料中给定的码头前沿水流流向确定大流量潜水泵(7)及导流墙(8)位置，通过设计资料中给定的码头前沿风向确定风架(9)位置，根据风荷载计算值在风架(9)上配得相应重物；

3)、安装缆力传感器(11)、护舷传感器(13)和六运动量测量仪(15)，并连接到计算机(16)；

4)、调用率定文件，造波机(2)打出相应工况的波要素，通过计算机(16)分别采集系泊船舶的6个运动量、缆力和撞击能量，将采集到的数据通过软件处理；

5)、停止造波机(2)，等待港池(1)中水面平静，根据工况调整风架(9)上的重物及潜水泵(7)和导流墙(8)，打下一个波要素并进行数据采集处理；

6)、步骤5)水位波要素打完后，加水或放水至下一设计水位，同理进行试验，至实验结束。

7.如权利要求6所述的系泊船舶物理模型的试验方法，其特征在于：所述步骤6)试验结束后，将港池(1)中水抽回至地下水库(6)，供下次试验时使用。