CN106872282B - 导轮式弹性绳索模拟装置及其设置方法和应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导轮式弹性绳索模拟装置及其设置方法和应用方法，该装置将模型缆绳一侧与作用物体连接，另一侧通过导轮与重块连接；通过重块的重力模拟弹性绳索的拉力，对应拉力作用下的绳索变形，通过重块的距离控制；重块之间通过设置弹簧，来保证在相邻的拉力作用下弹性绳索的变形呈线性。将弹性绳索在受到拉力作用下的非线性变形转化成若干线性变形，通过精确控制重要的拉力节点处绳索的变形，从而在模型试验中能够更加准确的反应弹性绳索的拉力‑变形关系。该导轮式弹性绳索模拟装置可以准确模拟实际绳索的拉力变形特性，适用于船舶系泊、大型结构物锚定等弹性绳索模拟，可推广应用于其他类型模型试验的绳索模拟。

Description

导轮式弹性绳索模拟装置及其设置方法和应用方法
技术领域
本发明属于港口航道工程实验室试验设备，具体涉及一种导轮式弹性绳索模拟装置及其设置方法和应用方法。
背景技术
随着海洋经济的快速发展，滨海资源得到进一步的开发，深海经济越来越受到重视。船型的大型化及码头的深水化成为必然的趋势，但随之而来的，工程建设也将面对越来越恶劣的自然条件。船舶的系泊及大型结构物的锚定通常会利用高强度的缆绳来与固定的墩柱连接以保证安全。缆绳的受力与船舶运动具有非常复杂的关系，它不仅涉及到系缆力等对船舶的非线性约束，同时还涉及风、水流动以及波浪的作用，而且不同的码头泊位布置方案如码头长度、结构布置等也会直接影响到船舶的系缆力的分布。其中，系泊缆绳的布置方式、使用数量、初张拉力以及材料种类都会对船舶和码头结构的安全与正常运行产生重要的影响。
如上所述，由于船舶所受外荷载的多样性，缆绳受力十分复杂，因此需要在实验室中通过船舶系泊物理模型试验的方法对实际工程中码头泊位和系泊船舶缆力设计等进行验证和优化。在实验室中进行船舶系泊物理模型试验时，需要合适的替代物来模拟实际工程中的弹性绳索(在实际工程中，缆绳在受拉力作用下都会有一定变形，而其变形将影响对于系缆物体的约束,缆绳的受力变形特性与其长度、直径以及材料等因素有关，表现为明显的非线性特点。因此正确的模拟弹性绳索对于试验结果具有重要的影响)。
目前，试验室主要通过组合弹簧片或者寻找相似替代材料来模拟实际工程原型的弹性绳索，如以缩小的钢丝绳、尼龙线等性能接近的材料来进行试验。但上述方法均无法较为准确模拟实际绳索的拉力-变形曲线(即无法准确模拟实际绳索的拉力变形特性)。一方面需要多次重复试验，操作费时，且模拟效果较差；另一方面，由于实际工程中采用的绳索多样，且由于试验比尺限制，很难找到一种便捷、通用的方法来模拟弹性绳索。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种可以准确模拟实际工程中的弹性绳索的导轮式弹性绳索模拟装置。该导轮式弹性绳索模拟装置可以准确模拟实际绳索的拉力变形特性，适用于船舶系泊、大型结构物锚定等弹性绳索模拟，可推广应用于其他类型模型试验的绳索模拟。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种导轮式弹性绳索模拟装置，包括两个滑道板，在滑道板上沿其长向竖直开设有多个滑槽，在每一个滑槽上设置可以上下自由滑动的限位螺丝；在两个滑道板中间竖直设置有一空心导轨，空心导轨底部固定于底板上，空心导轨顶端设置一定滑轮，空心导轨的底部还滑动套装有一托盘；定滑轮一侧的导线竖直穿过空心导轨并与底部托盘相连；其中空心导轨侧面留有缝隙，以使托盘能够随导线通过导轨上下移动；在空心导轨上还套设有多个重块，重块的数量与单个滑道板上的滑槽的数量一致；重块之间通过弹簧连接，并在每个重块的底部水平设置支撑杆，支撑杆的两端分别搭接在两个滑道板滑槽上的限位螺丝上，以使重块只能向上移动而限制其向下运动；当弹性绳索受力时，绳索拉力通过滑轮导线将底部托盘提起，并压缩弹簧，当重块提升高度达到一定程度时，底部托盘与其上重块相接并继续向上运动；至拉力达到最大值时，重块停止向上运动，并随着拉力变小向下运动；当拉力恢复至小于某个重块的重量时，该重块由于受到限位螺丝的阻挡而停止向下运动。
在上述技术方案中，每个滑道板上竖直设置5-10个规格相同的滑槽，每个滑槽等间距布置。
在上述技术方案中，滑轮另一侧的导线与另一个可移动的滑轮相连，该可移动的滑轮可灵活固定于弹性绳索的一段。
在上述技术方案中，在滑道板一侧，设置一标尺，其精度为毫米级，用于控制各个重块之间的距离。
在上述技术方案中，为防止重块在与托盘或前一个重块接触前被弹簧顶起，将重块下部设置凹槽，将弹簧一段设置在凹槽内，即留有部分的弹性空间。
所述的导轮式弹性绳索模拟装置的具体设置方法：
(1)根据原型弹性绳索拉力-变形对应关系，计算得到缩尺后的与原型对应的模型绳索的拉力-变形关系，并取若干节点(Fn，Ln)，见下表，
拉力 F1 F2 F3 F4 … Fn
变形 L1 L2 L3 L4 … Ln
其中Fn-Fn-1为模型重块Gn的重力,重块Gn到Gn-1之间距离为Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n(n一般小于10)，当n＝1时，模型重块G1的重力为F1，且重块G1到G0之间距离即重块G1到托盘(G0相当于托盘，托盘的重力忽略为0)的距离，等于L1
(2)根据胡克定律计算每个重块(Gn,n＝1,2,3…)下边连接的弹簧的弹性系数Kn：
Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；
由于实际弹簧的弹性系数不可能完全等于理论上求得的弹性系数，所以实际中，保证弹簧的弹性系小于或数等于理论上求得的弹性系数即可。
(3)根据需要，设置每个滑道板上的滑槽数目为n个；
(4)通过调节限位螺丝，设置重块Gn到Gn-1之间距离为Ln-Ln-1，并将弹性系数Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的弹簧分别置入重块下边。
所述的导轮式弹性绳索模拟装置在船舶系泊物理模型试验中的应用：将导轮式弹性绳索模拟装置连接实验室中的相应设备(模型船舶)进行船舶系泊物理模型试验，具体方法如下：
试验时，绳索一端受到拉力，托盘受绳索牵引向上运动，托盘G0开始挤压弹簧K1直至运动L1后，与第一重块G1相接触，此时可以保证当拉力为F1时，绳索的伸长量为L1；当拉力逐渐增大并超过第一重块G1的重量时，第一重块G1随托盘一起上升并挤压弹簧K2直至拉力达到F2时与第二重块G2一起向上运动，此时可以保证当拉力为F2时，绳索的伸长量为L2，依次类推，随着拉力的增大，模拟绳索受力变形情况，可以保证各拉力节点位置处绳索的变形能精确符合拉力-变形曲线，从而准确模拟实际工程原型的弹性绳索。当拉力减小时，过程相反，由于受到支撑杆和限位螺丝的制约，当拉力减小了一个重块的重量时，随准托盘运动中最上边的重块停止向下运动。
进一步的讲，在实验过程中，导轮式弹性绳索模拟装置的绳索的受拉端设置有测力传感器，通过测力传感器实时采集绳索的受力大小，以验证原型绳索的系缆力是否符合要求，当测力传感器采集的绳索受力大于绳索的破端点时(选取的节点(Fn，Ln)中包括破端点)，则原型绳索的系缆力设计不符合要求。
本发明的优点和有益效果为：
本装置将模型缆绳一侧与作用物体(船舶等)连接，另一侧通过导轮与重块(砝码)连接；通过重块的重力模拟弹性绳索的拉力，对应拉力作用下的绳索变形，通过重块的距离控制；重块之间通过设置弹簧，来保证在相邻的拉力作用下弹性绳索的变形呈线性。将弹性绳索在受到拉力作用下的非线性变形转化成若干线性变形，通过精确控制重要的拉力节点(绳索破端力等)处绳索的变形，从而在模型试验中能够更加准确的反应弹性绳索的拉力-变形关系。
本发明可以克服现有技术的不足，满足不同试验比尺及各种材料。由于试验中采用导轮挂重，因此可用于多种复杂的试验条件，包括水底测力；空间占用面积小，布置灵活，可用于多种复杂结构部分；保证绳索的拉力与绳索轴线处于同一直线，能够真实反映绳索的受力状态；使用效率高，不需率定，操作方便，极大提高工作效率，且造价较低；试验精度高，满足工程需要。
附图说明
图1是本发明导轮式弹性绳索模拟装置的正视图；
图2为导轮式弹性绳索模拟装置的侧视图；
图3某绳索在受到轴向拉力时的对应拉力-变形曲线。
其中，1为底板；2为带有刻度尺的滑道板；3为限位螺丝；4为滑槽；5为定滑轮；6为空心导轨；7为重块；8为弹簧；9为支撑杆；10为可移动的滑轮；11为托盘。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。
参见附图1，一种导轮式弹性绳索模拟装置，包括底板1，在底板1上竖直设置两个滑道板2，滑道板2为长方体形，在滑道板2上沿其长向竖直开设有多个滑槽4，如附图1所示，每个滑道板2上竖直设置6个规格相同的滑槽4，6个滑槽4等间距布置，在每一个滑槽4上设置可以上下自由滑动的限位螺丝3；
在两个滑道板2中间竖直设置有一空心导轨6，空心导轨6底部固定于底板1上，空心导轨6顶端设置一定滑轮5，空心导轨6的底部还滑动套装有一托盘11；定滑轮5一侧的导线竖直穿过空心导轨6并与底部托盘11相连；其中空心导轨6侧面留有缝隙，以使托盘11能够随导线通过导轨上下移动；
在空心导轨6上还套设有6个重块7，重块7的数量与单个滑道板2上的滑槽4的数量一致；重块7之间通过弹簧8连接，并在每个重块7的底部水平设置支撑杆9，支撑杆9的两端分别搭接在两个滑道板2滑槽4上的限位螺丝3上，以使重块只能向上移动而限制其向下运动；
参见附图2，滑轮另一侧的导线与另一个可移动的滑轮10相连，该可移动的滑轮10可灵活固定于弹性绳索的一段；
在滑道板2一侧，设置一标尺，其精度为毫米级，用于控制各个重块之间的距离。
当弹性绳索受力时，绳索拉力通过滑轮导线将底部托盘11提起，并压缩弹簧8，当重块提升高度达到一定程度时，底部托盘与其上重块相接并继续向上运动；至拉力达到最大值时，重块停止向上运动，并随着拉力变小向下运动；当拉力恢复至小于某个重块的重量时，该重块由于受到限位螺丝的阻挡而停止向下运动。
下面说明本发明导轮式弹性绳索模拟装置的具体设置方法：
(1)根据原型弹性绳索拉力-变形对应关系，计算得到缩尺后的与原型对应的模型绳索的拉力-变形关系(图3)，并取若干节点(Fn，Ln)，见下表，
拉力 F1 F2 F3 F4 … Fn
变形 L1 L2 L3 L4 … Ln
其中Fn-Fn-1为模型重块Gn的重力,重块Gn到Gn-1之间距离为Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n(n一般小于10)，当n＝1时，模型重块G1的重力为F1，且重块G1到G0之间距离即重块G1到托盘(G0相当于托盘，托盘的重力忽略为0)的距离，等于L1
(2)根据胡克定律计算每个重块(Gn,n＝1,2,3…)下边连接的弹簧的弹性系数Kn：
Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；
由于实际弹簧的弹性系数不可能完全等于理论上求得的弹性系数，所以实际中，保证弹簧的弹性系小于或数等于理论上求得的弹性系数即可。
(3)根据需要，设置每个滑道板2上的滑槽4数目为n个；
(4)通过调节限位螺丝，设置重块Gn到Gn-1之间距离为Ln-Ln-1，并将弹性系数Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的弹簧分别置入重块下边；
至此本发明的导轮式弹性绳索模拟装置设置完成，接下来将导轮式弹性绳索模拟装置连接实验室中的相应设备(模型船舶)进行船舶系泊物理模型试验。
试验时，绳索一端受到拉力，托盘受绳索牵引向上运动，托盘G0开始挤压弹簧K1直至运动L1后，与第一重块G1相接触(为防止重块在与托盘或前一个重块接触前被弹簧顶起，将重块下部设置凹槽，将弹簧一段设置在凹槽内，即留有部分的弹性空间)，此时可以保证当拉力为F1时，绳索的伸长量为L1；当拉力逐渐增大并超过第一重块G1的重量时，第一重块G1随托盘一起上升并挤压弹簧K2直至拉力达到F2时与第二重块G2一起向上运动，此时可以保证当拉力为F2时，绳索的伸长量为L2，依次类推，随着拉力的增大，模拟绳索受力变形情况，可以保证各拉力节点位置处绳索的变形能精确符合拉力-变形曲线，从而准确模拟实际工程原型的弹性绳索。当拉力减小时，过程相反，由于受到支撑杆和限位螺丝的制约，当拉力减小了一个重块的重量时，随准托盘运动中最上边的重块停止向下运动。
在实验过程中，导轮式弹性绳索模拟装置的绳索的受拉端设置有测力传感器(即绳索的一端通过测力传感器与实验室的测试设备连接)，通过测力传感器实时采集绳索的受力大小，以验证原型绳索的系缆力是否符合要求，当测力传感器采集的绳索受力大于绳索的破端点时(本装置选取的节点(Fn，Ln)中包括破端点)，则原型绳索的系缆力设计不符合要求。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种导轮式弹性绳索模拟装置，其特征在于：包括两个滑道板，在滑道板上沿其长向竖直开设有多个滑槽，在每一个滑槽上设置能够上下自由滑动的限位螺丝；在两个滑道板中间竖直设置有一空心导轨，空心导轨底部固定于底板上，空心导轨顶端设置一定滑轮，空心导轨的底部还滑动套装有一托盘；定滑轮一侧的导线竖直穿过空心导轨并与底部托盘相连；其中空心导轨侧面留有缝隙，以使托盘能够随导线通过导轨上下移动；在空心导轨上还套设有多个重块，重块的数量与单个滑道板上的滑槽的数量一致；重块之间通过弹簧连接，并在每个重块的底部水平设置支撑杆，支撑杆的两端分别搭接在两个滑道板滑槽上的限位螺丝上，以使重块只能向上移动而限制其向下运动；
当弹性绳索受力时，绳索拉力通过滑轮导线将底部托盘提起，并压缩弹簧，当重块提升高度达到一定程度时，底部托盘与其上重块相接并继续向上运动；至拉力达到最大值时，重块停止向上运动，并随着拉力变小向下运动；当拉力恢复至小于某个重块的重量时，该重块由于受到限位螺丝的阻挡而停止向下运动。
2.根据权利要求1所述的导轮式弹性绳索模拟装置，其特征在于：每个滑道板上竖直设置5-10个规格相同的滑槽，每个滑槽等间距布置。
3.根据权利要求1所述的导轮式弹性绳索模拟装置，其特征在于：滑轮另一侧的导线与另一个可移动的滑轮相连，该可移动的滑轮可灵活固定于弹性绳索的一段。
4.根据权利要求1所述的导轮式弹性绳索模拟装置，其特征在于：在滑道板一侧，设置一标尺，其精度为毫米级，用于控制各个重块之间的距离。
5.根据权利要求1所述的导轮式弹性绳索模拟装置，其特征在于：为防止重块在与托盘或前一个重块接触前被弹簧顶起，将重块下部设置凹槽，将弹簧一段设置在凹槽内。
6.如权利要求1所述的导轮式弹性绳索模拟装置的具体设置方法：其特征在于：
(1)根据原型弹性绳索拉力-变形对应关系，计算得到缩尺后的与原型对应的模型绳索的拉力-变形关系，并取若干节点(Fn，Ln)，见下表，
拉力 F1 F2 F3 F4 … Fn 变形 L1 L2 L3 L4 … Ln
其中Fn-Fn-1为模型重块Gn的重力,重块Gn到Gn-1之间距离为Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n，当n＝1时，模型重块G1的重力为F1，且重块G1到G0之间距离即重块G1到托盘的距离，等于L1
(2)根据胡克定律计算每个重块(Gn,n＝1,2,3…)下边连接的弹簧的弹性系数Kn：
Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；
由于实际弹簧的弹性系数不可能完全等于理论上求得的弹性系数，所以实际中，保证弹簧的弹性系小于或数等于理论上求得的弹性系数即可；
(3)根据需要，设置每个滑道板上的滑槽数目为n个；
(4)通过调节限位螺丝，设置重块Gn到Gn-1之间距离为Ln-Ln-1，并将弹性系数Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的弹簧分别置入重块下边。
7.如权利要求1-6之一所述的导轮式弹性绳索模拟装置在船舶系泊物理模型试验中的应用，其特征在于，将导轮式弹性绳索模拟装置连接实验室中的相应设备进行船舶系泊物理模型试验，具体方法如下：
绳索一端受到拉力，托盘受绳索牵引向上运动，托盘G0开始挤压弹簧K1直至运动L1后，与第一重块G1相接触，此时当拉力为F1时，绳索的伸长量为L1；当拉力逐渐增大并超过第一重块G1的重量时，第一重块G1随托盘一起上升并挤压弹簧K2直至拉力达到F2时与第二重块G2一起向上运动，此时当拉力为F2时，绳索的伸长量为L2，依次类推，随着拉力的增大，模拟绳索受力变形情况，保证各拉力节点位置处绳索的变形能精确符合拉力-变形曲线，从而准确模拟实际工程原型的弹性绳索；当拉力减小时，过程相反，由于受到支撑杆和限位螺丝的制约，当拉力减小了一个重块的重量时，随准托盘运动中最上边的重块停止向下运动。
8.如权利要求7所述的导轮式弹性绳索模拟装置在船舶系泊物理模型试验中的应用，其特征在于：在实验过程中，导轮式弹性绳索模拟装置的绳索的受拉端设置有测力传感器，通过测力传感器实时采集绳索的受力大小，以验证原型绳索的系缆力是否符合要求，当测力传感器采集的绳索受力大于绳索的破端点时，则原型绳索的系缆力设计不符合要求。
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