CN108426697B - 一种货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，包括水槽，所述水槽内放置有分段船模，分段船模包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心处设有中心轴杆，中心轴杆贯穿船模单元，中心轴杆的一端固定在水槽底部，船模单元上设有轴承套筒，轴承套筒套在中心轴杆上，相邻的船模单元通过垂向滑轨连接，相邻的船模单元通过插销锁紧，插销通过电磁继电器控制，在每个船模单元上设有环扣，环扣与中心轴杆通过弹簧连接。本发明的一种货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，通过仪器设备来显示船舶受到的剪切应力并观察船舶受到剪切应力后发生的变形破坏，方便学生掌握船舶剪切应力方面的知识。
Description
技术领域
本发明涉及一种货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，属于教学实验仪器领域。
背景技术
在船体总纵强度计算中，通常将船舶静置在水面上，求船体梁横剖面上的剪力和弯曲力矩以及相应的应力，并将它与许用应力相比较来判断船体强度。由于弯矩载荷加载方便、容易控制和操作，所以在以前的实验探究方面，往往单纯地讨论弯矩，忽略了船舶剪力对船舶总纵强度的影响。即使讨论时有所涉及剪力，也仅仅是提到剪力与弯矩的关系。
目前针对船舶在总纵强度计算中的剪力讨论，主要集中在计算与软件分析方面，在教学中只能进行船舶发生剪切的外力探讨，不能让学生直观的看到船舶因剪切而发生剪切破坏，从而影响学生认知船舶所受剪力对船舶造成的危害。理论上造成船舶产生剪切应力的原因主要有以下两个：1)货物装载不平衡导致的剪切应力；2)船舶在波浪中航行时导致的剪切应力。
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船舶所受剪切应力的实验装置，通过仪器设备来显示船舶受到的剪切应力并观察船舶受到剪切应力后发生的变形破坏，方便学生掌握船舶剪切应力方面的知识。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，包括水槽，所述水槽内放置有分段船模，分段船模包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心处设有中心轴杆，中心轴杆贯穿船模单元，中心轴杆的一端固定在水槽底部，船模单元上设有轴承套筒，轴承套筒套在中心轴杆上，相邻的船模单元通过垂向滑轨连接，相邻的船模单元通过插销锁紧，插销通过电磁继电器控制，在每个船模单元上设有环扣，环扣与中心轴杆通过弹簧连接，在每个船模单元上设有应力传感器和游标定位加载装置，应力传感器通过电荷放大器、多通道数据采集仪与计算机连接，计算机同时与电磁继电器连接。
作为优选，所述游标定位加载装置包含垂直交叉的三个钢条，分别为第一钢条、第二钢条和第三钢条，第一钢条L1套在中心轴杆上，可以沿着套筒上下滑动，并有紧固螺栓进行固定。第二钢条L2、第三钢条L3分别位于中心轴杆的两侧，与第一钢条L1垂直交叉连接，可以沿着第一钢条L1滑动，有紧固螺栓进行固定。第二钢条L2、第三钢条L3分别设有腰型槽，腰型槽内设有可滑动加载砝码。
作为优选，每个船模单元上的环扣沿中心轴杆对称。
作为优选，所述垂向滑轨包含凸台和凹槽，在一个船模单元上设有凸台，在相邻的船模单元上设有与凸台配合的凹槽，凸台沿凹槽滑动。
作为优选，所述应力传感器的设置点在船舶两舷侧水线上。
作为优选，所述水槽的内壁上设有读取水深的刻度。
有益效果：本发明的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，具有以下优点：
(1)此剪切实验装置是模拟船舶发生剪切破坏而制成的实验装置。作为教学使用的实验装置，不是直接加载剪力，而是模拟船舶由于货物装载不平衡而产生的剪切应力，使实验真实，易观察，更有说服力。
(2)现有的剪切应力计算方法及软件只是用来计算数值，而本实验装置可以使学生了解船舶发生剪切的基本成因和原理，船模发生的剪切变形和破坏，可以使学生对船舶剪切有一个直观认识，强化学生对船舶发生剪切破坏的理解。
(3)在采集了相关应力数据后，释放各船模单元，船模发生剪切变形和破坏，这样可以说明船模是因为受到剪切作用而产生变形破坏。
(4)在船模根据相似性理论设计与制作的前提下，本剪切实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际船舶的剪切强度。
附图说明
图1为实施例中总体结构示意图；
图2为船模与水槽的俯视图；
图3为船模与水槽的正视图；
图4为图2A-A中纵剖面示意图；
图5为图2B-B中横剖面示意图；
图6为游标定位加载装置图；
图7为典型船舶横剖面上的剪力流示意图。
上图中，1-水槽，2-分段船模，3-中心轴杆，4-轴承套筒，5-滑轨，6-插销，7-电磁继电器，8-终端计算机，9-游标定位加载装置，10-测量弹簧，11-应力传感器(应变片)，12-电荷放大器，13-多通道数据采集仪，14-环扣。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图7所示，本发明的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，包括水槽1，所述水槽1的内壁上设有读取水深的刻度，所述水槽1内放置有分段船模2，分段船模2包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心处设有中心轴杆3，中心轴杆3贯穿船模单元，中心轴杆3的一端固定在水槽1底部，船模单元上设有轴承套筒4，轴承套筒4套在中心轴杆3上，相邻的船模单元通过垂向滑轨5连接，所述垂向滑轨5包含凸台和凹槽，在一个船模单元上设有凸台，在相邻的船模单元上设有与凸台配合的凹槽，凸台沿凹槽滑动，相邻的船模单元通过插销6锁紧，插销6通过电磁继电器7控制，在每个船模单元上设有环扣14，每个船模单元上的环扣14沿中心轴杆3对称，环扣14与中心轴杆3通过弹簧10连接，在每个船模单元上设有应力传感器11和游标定位加载装置9，所述应力传感器11的设置点在船舶两舷侧水线上，应力传感器11通过电荷放大器12、多通道数据采集仪13与计算机8连接，计算机8同时与电磁继电器7连接。
在本发明中，所述游标定位加载装置9包含垂直交叉的三个钢条，分别为第一钢条、第二钢条和第三钢条，第一钢条L1套在中心轴杆3上，可以沿着套筒上下滑动，并有紧固螺栓进行固定。第二钢条L2、第三钢条L3分别位于中心轴杆3的两侧，与第一钢条L1垂直交叉连接，可以沿着第一钢条L1滑动，有紧固螺栓进行固定。第二钢条L2、第三钢条L3分别设有腰型槽，腰型槽内设有可滑动加载砝码。
(一)实验装置的制作：
剪切实验中的分段船模2由玻璃钢制成，既保证船模刚度和强度，又使得船模质量轻巧。水槽1用具有一定刚度和良好透明性的亚克力玻璃制作。
所述分段船模2由5个船模单元(①、②、③、④、⑤)组合而成，每个船模单元在几何中心处有垂向中心轴杆3贯穿，船模单元上设有轴承套筒4，可沿中心轴杆3上下滑动，中心轴杆3一端固定在加载水槽1底面上，另一端自由。两两船模单元之间有垂向滑轨5相连，通过中心轴杆3和滑轨5的配合，使得船模单元在空间上仅剩垂向平移的一个自由度。两两船模单元在船舷外侧设有插销6，由电磁继电器7控制闭合，电磁继电器7与电脑终端8相连，共同组成自动控制系统。
船模单元横壁上设有环扣14，环扣14与中心轴杆3用弹簧10进行连接，测量弹簧10伸长量，利用胡克定律得到船模单元所受剪力的同时，也可避免因船模单元载重悬殊造成船模单元之间过渡滑移而脱轨。
船模单元内的中心轴杆上安装有游标定位加载装置9，该装置由垂直交叉的三个钢条组合而成，第一钢条L1套在中心轴杆3上，可以沿着套筒4上下滑动，并有紧固螺栓进行固定。第二L2、第三L3钢条分别位于中心轴杆3的两侧，与第一钢条L1垂直交叉连接，可以沿着第一钢条L1滑动，有紧固螺栓进行固定。第二L2、第三L3钢条分别设有腰型槽，腰型槽内可滑动加载砝码，模拟货物装载。通过定位加载，可以模拟船舶的不平衡货物装载。
(二)测量仪器的安装：
由典型横剖面的剪力流可以看出，舷侧水线附近的剪切应力最大，为了得到明显的实验效果，每个船模单元在左右舷的水线附近分别贴两个应变片11。之后将各传感器和电荷放大器12、多通道信号采集仪13、计算机8顺次连接。
所述加载水槽1由亚克力玻璃制作，具有较好的强度和透明度，在水槽1侧壁上设有直接读取各个船模单元吃水深度的刻度，方便将分段船模2调整到理想浮态。
(三)实验操作：
整个剪切模型实验装置制作完成后，将①至⑤船模单元分别沿着中心轴杆3安装进加载水槽1，通过电磁继电器7合上插销6开关，使5个船模单元连为一刚性整体。向加载水槽1内注水，通过水槽1侧壁上的刻度，确定最佳水位和浮态。
一种上述的货物装载不平衡导致的船舶剪切应力的实验装置的模拟方法，根据实验要求，对①、②、③三个船模单元施加货物载荷，且将砝码加在①、②船模单元的中轴线上，将砝码加在③船模单元的右舷，待水面平静后，通过电脑终端显示单元8查看各处应力并作记录。对此时的分段船模2而言，重力和浮力大小相等、方向相反，并且作用在同一条铅垂线上，即全船处于静力平衡状态。、
之后，打开电磁继电器7开关，对此时的分段船模2各船模单元而言，所受浮力与重力并不相同，他们的差值产生了剪切应力，各个船模单元瞬间同时自由分离。通过测量弹簧10的伸长量，利用胡克定律F＝k*x，计算求得船模单元两端的剪力。将所求剪力和显示单元中剪切应力进行比较，加深学生对剪切应力的认识。
Claims (5)
1.一种货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：包括水槽，所述水槽内放置有分段船模，分段船模包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心处设有中心轴杆，中心轴杆贯穿船模单元，中心轴杆的一端固定在水槽底部，船模单元上设有轴承套筒，轴承套筒套在中心轴杆上，相邻的船模单元通过垂向滑轨连接，相邻的船模单元通过插销锁紧，插销通过电磁继电器控制，在每个船模单元上设有环扣，环扣与中心轴杆通过弹簧连接，在每个船模单元上设有应力传感器和游标定位加载装置，应力传感器通过电荷放大器、多通道数据采集仪与计算机连接，计算机同时与电磁继电器连接；
所述游标定位加载装置包含垂直交叉的三个钢条，分别为第一钢条L1、第二钢条L2和第三钢条L3，第一钢条L1套在中心轴杆上，可以沿着套筒上下滑动，第二钢条L2、第三钢条L3分别位于中心轴杆的两侧，与第一钢条L1垂直交叉连接，可以沿着第一钢条L1滑动，第二钢条L2、第三钢条L3分别设有腰型槽，腰型槽内设有可滑动加载砝码。
2.根据权利要求1所述的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：每个船模单元上的环扣沿中心轴杆对称。
3.根据权利要求1所述的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：所述垂向滑轨包含凸台和凹槽，在一个船模单元上设有凸台，在相邻的船模单元上设有与凸台配合的凹槽，凸台沿凹槽滑动。
4.根据权利要求1所述的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：所述应力传感器的设置点在船舶两舷侧水线上。
5.根据权利要求1所述的货物装载不平衡船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：所述水槽的内壁上设有读取水深的刻度。
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