CN107826211A - 一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶与海洋工程专业船模技术领域，特指一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，包括压力板、过渡面板、滑动加载轴、加载轴滑动槽、钢丝绳、拉力传感器、电动机滑动板、电动机、支撑平台、电动机滑槽、矩形连接板、U形连接板、控制器与拉力平衡装置。本发明通过分析江海直达船宽扁船型的特点，在模型试验中增加了对舷外水压力的载荷模拟，通过监测拉力传感器的数据信号，由控制程序实时调节电机输出的扭矩，从而保证通过钢丝绳施加到舷侧外板上的拉力恒定不变，使试验过程与实际情况更加贴切，试验结果更具有说服力。

Description

一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程专业船模技术领域，特指一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置。
背景技术
船体结构的极限强度是合理、准确地评估和保证船体结构安全性与可靠性的重要指标，船体的极限强度(即极限承载能力)是指船舶在航行过程中，在极端荷载条件下，抵抗弯矩的扭矩的能力，自从船体结构极限强度的概念被提出以来，鉴于极限强度的真实预报对于保证船体结构在极限状态下的安全与可靠性起到了决定性的作用，船体结构极限强度的重要性与日俱增，成为了近几十来船舶领域研究的焦点和热点，发展至今有关于如何准确预报船体结构的极限强度问题已经取得长足的进步，形成了几大系统的研究方法。模型试验的研究方作为其中重要的成员在极限强度研究领域发挥着重要的作用，从试验结果中能直观地了解到某船型的极限强度，并在此基础之上通过与非线性有限元的计算结果的对比，互补性地总结分析得到能够对两者的结果都有提高的有效措施。另方面模型试验的结果对于数值分析的方法和手段提供了一个真实、可靠的验证途径，从而对于提高数值分析结果的准确性与可靠性具有现实的意义。
然而，船舶在航行时，会受到各种各样的载荷作用。采用传统的试验方法对出船体极限强度进行校核时，仅考虑中拱、中垂以及弯扭组合工况，对于整个船体漂浮于海水之上，必然存在的舷外水对舷侧产生的压力却一直忽略不予考虑。一方面是因为舷外水压力相对于整个船体处于中拱、中垂以及弯扭组合工况时受到的载荷参与度较小，对整体结果影响不大；另一方面是因为实验条件限制，无法模拟出舷外水对船体舷侧持续旋加的压力，若采用千斤顶旋加压力，当船体舷侧开启发生变形时，千斤顶的力也会随之变化，且无法迅速地调节千斤顶施加的顶推力。
然而，舷外水压力对船体的影响始终是存在的，若仅仅因为实验条件的限制而忽略不计势必会对实验结果的准确性产生一定的影响。并且，当船体舷侧外板在模型船加载实验过程中开始发生变形时，此时舷外水压力对船体舷侧外板产生的横向载荷将对其破坏模式产生较大的影响。尤其对于横剖面较为宽扁的船体，其舷外水对中横剖面的弯矩相较于其他船型而言，对全船的结构强度有着更大的影响。在《钢制内河船规范》中也体现出由于船体横向宽度较大时，横向载荷对全船结构的强度是不可忽略的，其中，舷外水压力在船体所受的横向载荷里所占比重也十分明显。
因此，设计一种能等效于舷外水对船体舷侧产生一定压力、又不会因为舷侧外板的微小变形造成压力突然减小甚至消失的装置，对今后通过模型试验中，更加全面地考虑实船受到的载荷，更进一步提高船体极限强度试验结果的精确性有着积极的作用。通过电动机转轴卷绕钢丝绳来提供初始的等效舷侧压力，拉力传感器实时监控钢丝绳上拉力大小的变化，当压力大于等效面值时，控制器控制电动机反转松动钢丝绳、减小拉力；当拉力小于等效面值时，控制器控制电动机正转收紧钢丝绳、增大拉力。通过控制器的这种调节机制，即使有外办因素的影响，也能使得钢丝绳上的拉力时刻保持着动态的平衡状态。相较于其他人工操作、机械式的加载方式，本发明所阐述的自动化控制调节机制是一种非常行之有效的思路。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，该装置通过对船体舷侧施加恒定的压力来实现模拟舷外水压力对船体在海水中航行时的影响，相较于传统的三点加载或者四点加载以及弯扭组合试验，本发明使试验过程更加贴近实际情况，对提高试验结果的准确性有着十分重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，包括用于对模型船舷侧外板施加等效舷侧水压力的压力板、过渡面板、滑动加载轴、加载轴滑动槽、钢丝绳、拉力传感器、电动机滑动板、电动机、支撑平台、电动机滑槽、矩形连接板、U形连接板、控制器、拉力平衡装置、信号线，压力板与过渡面板固定连接，滑动加载轴一端固定于过渡面板上，滑动加载轴另一端限位于加载轴滑动槽上，钢丝绳一端连接于滑动加载轴，钢丝绳另一端连接于拉力传感器，电动机固定于电动机滑动板上，拉力平衡装置设于电动机上，并与钢丝绳对应设置，支撑平台固定于模型船甲板上，电动机滑槽固定于支撑平台上，电动机滑动板与电动机滑槽对应设置，矩形连接板一端连接于加载轴滑动槽上，矩形连接板另一端固定于U形连接板上，控制器固定于支撑平台上，控制器分别通过信号线连接于拉力传感器与电动机。
进一步而言，所述压力板与过渡面板通过螺栓固定连接，螺栓上对应设置有螺杆垫高块。
进一步而言，所述滑动加载轴由直径为50mm的圆钢加工成U形结构设置，并与过渡面板进行焊接。
进一步而言，所述加载轴滑动槽采用板厚为10mm的钢制成箱体，在与船体中纵剖面平行的两块面板中心处开设直径为55mm的圆孔，并穿过长度为300mm、外径55mm、内径为50mm的钢管，作为滑动加载轴的滑动槽道。
进一步而言，所述钢丝绳一端通过吊环螺钉连接于滑动加载轴，钢丝绳另一端通过吊环螺钉拉力传感器。
进一步而言，所述拉力平衡装置由两个间距为100mm型号为6403的深沟球轴承组成，轴承内圈与电动机采用销接的连接方式，轴承外圈通过焊接钢条的方式焊接。
进一步而言，所述电动机的底座与电动机滑动板进行螺栓连接，电动机滑动板沿船长方向分别超出电动机的底座30mm的距离，电动机滑动板使电动机可以沿船宽方向左右移动。
进一步而言，所述电动机滑动槽沿船宽方向布置，其截面为U形结构，以作为电动机滑动板的滑动槽道，滑动槽道长度为800mm，且在距离两端长度为100mm处的槽道内壁分别设置了厚度为10mm的隔板，起到电动机滑动板沿船宽方向移动的限位作用。
进一步而言，所述支撑平台为两端较窄、中间较宽、厚度为10mm的钢板，两端较窄部分的宽度为300mm、长度为1000mm，中间较宽部分的宽度为520mm，长度为1000mm。
本发明有益效果：
1.本发明采用自动化控制的原理，通过监测拉力传感器反馈的钢丝绳上的拉力变化，实时调整电动机的转动方向及角度，从而实现动态控制钢丝绳上的拉力保持不变的目的；
2.目前国内开展的船体极限强度等试验由于无法准确控制舷侧水压力对船体舷侧的影响，在进行加载试验时不考虑舷侧水压力的影响，这种试验方案对试验结果的准确性势必会产生一定影响，本发明通过自动化控制的方法很好地解决了这一问题，对今后船体模型试验的加载装置提供了一定的技术支持，有利于提高船体模型相关试验结果的准确性；
3.同时本发明也具备一定的灵活性，在采用同样的自动化控制方法的基础上，通过改变工装的布置形式，也可应用于其他需要提供恒拉力或压力的试验。
附图说明
图1是本发明整体结构竖直剖视图；
图2是本发吸电动机与电动机滑槽结构示意图；
图3是本发明江海直达船舷外水压力等效原则图；
图4是本发明工作流程图。
1.压力板；2.过渡面板；3.滑动加载轴；4.加载轴滑动槽；5.钢丝绳；6.拉力传感器；7.电动机滑动板；8.电动机；9.支撑平台；10.电动机滑槽；11.矩形连接板；12.U形连接板；13.控制器；14.螺杆垫高块；15.螺杆；16.吊环螺钉；17.拉力平衡装置；18.信号线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明所述一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，包括用于对模型船舷侧外板施加等效舷侧水压力的压力板1、过渡面板2、滑动加载轴3、加载轴滑动槽4、钢丝绳5、拉力传感器6、电动机滑动板7、电动机8、支撑平台9、电动机滑槽10、矩形连接板11、U形连接板12、控制器13、拉力平衡装置17、信号线18，压力板1与过渡面板2固定连接，滑动加载轴3一端固定于过渡面板2上，滑动加载轴3另一端限位于加载轴滑动槽4上，钢丝绳5一端连接于滑动加载轴3，钢丝绳5另一端连接于拉力传感器6，电动机8固定于电动机滑动板7上，拉力平衡装置17设于电动机8上，并与钢丝绳5对应设置，支撑平台9固定于模型船甲板上，电动机滑槽10固定于支撑平台9上，电动机滑动板7与电动机滑槽10对应设置，矩形连接板11一端连接于加载轴滑动槽4上，矩形连接板11另一端固定于U形连接板12上，控制器13固定于支撑平台9上，控制器13分别通过信号线18连接于拉力传感器6与电动机8。本发明通过分析江海直达船宽扁船型的特点，在模型试验中增加了对舷外水压力的载荷模拟，通过监测拉力传感器6的数据信号，由控制程序实时调节电机输出的扭矩，从而保证通过钢丝绳5施加到舷侧外板上的拉力恒定不变，使试验过程与实际情况更加贴切，试验结果更具有说服力。
如图2所示，电动机8通过电动机滑动板7可以沿着电动机滑槽10左右移动，拉力平衡装置17则由两个轴承采用销接的连接方式与电动机8的转轴连接，轴承外圈通过焊接钢条连接，在电动机8转动时，轴承内圈同钢丝绳5一起转动，而轴承外圈则保持不动，本发明优选采用电动机8正转实现拉紧钢丝绳5，电动机8反转实现放松钢丝绳5的效果。
如图3所示，本发明工作流程：
步骤一：向支撑平台9上的控制器13输入船舶吃水高度、压力板距船底高度、船宽；
步骤二：控制器13通过输入计算舷侧水压力对于船中剖面的弯矩，得出恒拉力装置应该输出的等效拉力值；
步骤三：控制器13按照设定控制电动机8转动，拉紧钢丝绳5。
步骤四：拉力传感器6实时监测拉力值并反馈给控制器13，控制器13比较等效拉力值与测量拉力值,采取相应的算法实时负反馈调节转轴，松紧钢丝绳5，最终使得拉力传感器的检测值等于等效拉力值，调节过程完毕，恒拉力输出。
如图4所示，作用在舷侧外版上的静水压力呈三角形分布，在舭列板上缘最大，通常船体横剖面的中和轴偏于船底一边。本发明进行横向载荷等效原则为：由本装置对舷侧施加的载荷对中和轴的弯矩M1与均布载荷对中和轴的弯矩M2相等。
更具体而言，所述压力板1与过渡面板2通过螺栓15固定连接，螺栓15上对应设置有螺杆垫高块14。优选的，本发明所述压力板1与过渡面板2的板面几何质心重合，并于重合相同的位置开有六个螺孔，通过标准螺栓M10进行栓接，为了避免螺栓15穿过压力板1顶到船体舷侧，故设置了螺栓垫高块14，使螺栓15穿过螺栓垫高块14后，伸出螺纹的长度正好同压力板1的板厚保持一致，本发明所述螺栓15采用标准螺栓M10。
更具体而言，所述滑动加载轴3由直径为50mm的圆钢加工成U形结构设置，并与过渡面板2进行焊接。
更具体而言，所述加载轴滑动槽4采用板厚为10mm的钢制成箱体，在与船体中纵剖面平行的两块面板中心处开设直径为55mm的圆孔，并穿过长度为300mm、外径55mm、内径为50mm的钢管，作为滑动加载轴3的滑动槽道。
更具体而言，所述钢丝绳5一端通过吊环螺钉16连接于滑动加载轴3，钢丝绳5另一端通过吊环螺钉16拉力传感器6。优选的，本发明吊环螺钉16的型号为M10。
更具体而言，所述拉力平衡装置17由两个间距为100mm型号为6403的深沟球轴承组成，轴承内圈与电动机8采用销接的连接方式，轴承外圈通过焊接钢条的方式焊接。
更具体而言，所述电动机8的底座与电动机滑动板7进行螺栓连接，电动机滑动板7沿船长方向分别超出电动机8的底座30mm的距离，电动机滑动板7使电动机8可以沿船宽方向左右移动。
更具体而言，所述电动机滑动槽10沿船宽方向布置，其截面为U形结构，以作为电动机滑动板7的滑动槽道，滑动槽道长度为800mm，且在距离两端长度为100mm处的槽道内壁分别设置了厚度为10mm的隔板，起到电动机滑动板(7)沿船宽方向移动的限位作用。
更具体而言，所述支撑平台9为两端较窄、中间较宽、厚度为10mm的钢板，两端较窄部分的宽度为300mm、长度为1000mm，中间较宽部分的宽度为520mm，长度为1000mm。
本发明适用于现有的船舶模型试验中对舷侧水压力的等效模拟，对目前单一的船舶模型试验约束加载方案是一种有益的补充。尤其是对目前国家大力支持研发制造的江海直达船这种宽扁型船舶，舷外水压力在其航行于江水或海水中所受到的横向弯矩中占有着不可忽视的比重，因此通过实际舷侧水压力与本发明所施加的局部载荷的等效转化的方法，很好的解决了目前船模模型实验中对对舷侧水压力的模拟，使试验过程与实际情况更加贴切，试验过程更具有说服力，另外，本发明所述的滑动加载轴3与加载轴滑动槽4应做好润滑保养与维护，提高其使用寿命。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：包括用于对模型船舷侧外板施加等效舷侧水压力的压力板(1)、过渡面板(2)、滑动加载轴(3)、加载轴滑动槽(4)、钢丝绳(5)、拉力传感器(6)、电动机滑动板(7)、电动机(8)、支撑平台(9)、电动机滑槽(10)、矩形连接板(11)、U形连接板(12)、控制器(13)、拉力平衡装置(17)、信号线(18)，所述压力板(1)与过渡面板(2)固定连接，所述滑动加载轴(3)一端固定于过渡面板(2)上，所述滑动加载轴(3)另一端限位于加载轴滑动槽(4)上，所述钢丝绳(5)一端连接于滑动加载轴(3)，所述钢丝绳(5)另一端连接于拉力传感器(6)，所述电动机(8)固定于电动机滑动板(7)上，所述拉力平衡装置(17)设于电动机(8)上，并与钢丝绳(5)对应设置，所述支撑平台(9)固定于模型船甲板上，所述电动机滑槽(10)固定于支撑平台(9)上，所述电动机滑动板(7)与电动机滑槽(10)对应设置，所述矩形连接板(11)一端连接于加载轴滑动槽(4)上，所述矩形连接板(11)另一端固定于U形连接板(12)上，所述控制器(13)固定于支撑平台(9)上，所述控制器(13)分别通过信号线(18)连接于拉力传感器(6)与电动机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述压力板(1)与过渡面板(2)通过螺栓(15)固定连接，所述螺栓(15)上对应设置有螺杆垫高块(14)。
3.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述滑动加载轴(3)由直径为50mm的圆钢加工成U形结构设置，并与过渡面板(2)进行焊接。
4.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述加载轴滑动槽(4)采用板厚为10mm的钢制成箱体，在与船体中纵剖面平行的两块面板中心处开设直径为55mm的圆孔，并穿过长度为300mm、外径55mm、内径为50mm的钢管，作为滑动加载轴(3)的滑动槽道。
5.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述钢丝绳(5)一端通过吊环螺钉(16)连接于滑动加载轴(3)，所述钢丝绳(5)另一端通过吊环螺钉(16)拉力传感器(6)。
6.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述拉力平衡装置(17)由两个间距为100mm型号为6403的深沟球轴承组成，轴承内圈与电动机(8)采用销接的连接方式，轴承外圈通过焊接钢条的方式焊接。
7.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述电动机(8)的底座与电动机滑动板(7)进行螺栓连接，所述电动机滑动板(7)沿船长方向分别超出电动机(8)的底座30mm的距离，所述电动机滑动板(7)使电动机(8)可以沿船宽方向左右移动。
8.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述电动机滑动槽(10)沿船宽方向布置，其截面为U形结构，以作为电动机滑动板(7)的滑动槽道，滑动槽道长度为800mm，且在距离两端长度为100mm处的槽道内壁分别设置了厚度为10mm的隔板，起到电动机滑动板(7)沿船宽方向移动的限位作用。
9.根据权利要求1所述的一种用于江海直达船大开口模型试验的恒拉力装置，其特征在于：所述支撑平台(9)为两端较窄、中间较宽、厚度为10mm的钢板，两端较窄部分的宽度为300mm、长度为1000mm，中间较宽部分的宽度为520mm，长度为1000mm。
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