CN108534978B - 一种船冰水池碰撞实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船冰水池碰撞实验装置，包括水箱，水箱内设置有船模和冰体，所述冰体与拉杆固定连接，拉杆固定安装在滑轮的连杆上，滑轮位于导轨内，导轨与连接板连接，连接板与拖带装置固定连接，滑轮通过连接装置固定在导轨上，在船模端部安装有应变片，应变片依次与电荷放大器、多通道信息采集仪和计算机连接；拖带装置运动，带动滑轮和导轨运动，从而带动拉杆运动，冰体撞向船模，应变片采集碰撞数据。本发明的一种船冰水池碰撞实验装置，能够开展不同冰材料的力学属性、冰体形状、冰体质量、冰体速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的结构响应验证，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。

Description

一种船冰水池碰撞实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及船冰水池碰撞实验装置及实验方法，属于船舶制造技术领域。

背景技术

随着我国经济建设的高速发展，海洋经济已经成为国民经济的新增长点，北极开发及北极航道的开辟不仅为我国新的战略提供新的保障，而且缩短了航运时间，但是随着海洋开发的大规模开展，影响海上结构物安全和操作的海冰灾害问题、海冰与结构物相互作用问题日益突出。

由于船冰碰撞的复杂性，许多细节无法用理论模型来表达，实船实验又十分昂贵，开展模型试验研究是必要的，总体而言，前期的模型试验研究的关注点主要集中在船-冰碰撞后引起的横摇、纵摇、垂荡等外部动力学和船体上承受的载荷方面，而对于船体结构在该载荷下结构响应的试验尚未展开，主要原因如下：(1)冰体材料对温度要求高，同时需要在水中进行；(2)实验船模一般都用水池的拖车拖曳，很难摆脱拖车动能的影响；(3)船舶撞击浮冰，而船模运动必然影响浮冰的姿态，很难实现预期的碰撞方案；(4)用多根绳索拉冰体模型时，冰体后部分因流体作用会向上翘起。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种船冰水池碰撞实验装置及实验方法，能够开展不同冰材料的力学属性、冰体形状、冰体质量、冰体速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的结构响应验证，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种船冰水池碰撞实验装置，包括水箱，水箱内设置有船模和冰体，所述冰体与拉杆固定连接，拉杆固定安装在滑轮的连杆上，滑轮位于导轨内，导轨与连接板连接，连接板与拖带装置固定连接，滑轮通过连接装置固定在导轨上，在船模端部安装有应变片，应变片依次与电荷放大器、多通道信息采集仪和计算机连接；拖带装置运动，带动滑轮和导轨运动，从而带动拉杆运动，冰体撞向船模，应变片采集碰撞数据。

作为优选，所述导轨为方形空心钢管，滑轮沿钢管滑动。

作为优选，所述连接装置为细绳。

作为优选，所述细绳为尼龙绳，动态载荷小于10kgf。

作为优选，所述拉杆上固定安装有加速度传感器，在拖带装置上安装有采集和处理加速度传感器信号的处理装置。

一种利用上述的船冰水池碰撞实验装置的实验方法，包括以下步骤：

1)将船模以撞击角度移到撞击位置，处于自由漂浮状态；

2)将一定位冰体放入水中处于自由漂浮状态，将滑轮置于轨道内，并通过螺栓固定在拖带桁架上，并将定位冰体取出；

3)将相同参数的实验冰体的滑轮置于轨道内，并用细线拴紧，然后启动拖带装置，将冰体以碰撞速度撞击船模，此时，细线被拉断，拖车刹车停止，采集数据；

4)更换冰材料属性、冰体质量及冰体形状，在所述步骤2)之后调整冰体速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度，再次按照实验步骤3)进行撞击实验。

在本发明中，拖带装置包括拖车、拖带桁架和细线，所述的拖带桁架沿拖车行驶方向依次固定在拖车上，固定桁架伸在拖车下的板材中间沿长边有细长开孔，拉杆和轨道上的板材由一根细线系紧。导向装置包括导轨、滑轮和拉杆，所述的导轨为一空心长方体钢材，顶面焊接开孔的板材，通过螺栓固定于拖带桁架，底面中间有一细长开孔供滑轮拉杆移动，后面开口，所述滑轮为轮对置于导轨内，所述拉杆为空心钢管，上端焊接于滑轮连杆中心处，下端伸入冰体内，拉杆伸出冰体高度一致，并且在同一个水平线上。所述数据采集装置为加速度传感器、应变片、电荷放大器、多通道信号采集仪、计算机、高速摄像仪，所述加速度传感器通过防水胶固定于拉杆上，所述应变片置于碰撞区域的船体内侧，收集加速度传感器信号的电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机在拖车上，收集力传感器信号的电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机在拖车轨道外侧，高速摄像仪固定在碰撞区域的拖车轨道内墙壁上，

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)与实尺度船冰碰撞实验相比，风险小、成本低、可行性强。

2)冰体属性可基于不同地域的冰材料制作，冰体质量与形状可以根据试验要求制作。通过预埋在冰体中的结构用拖车实现速度的赋予，来开展不同速度条件下的碰撞效果验证。

3)冰体通过滑轮可以在轨道上运动，首先可以避免拖车动能对碰撞结果的影响；其次，可以保证冰体在碰撞之前的拖运过程中始终保持预先调节好的姿态，不会受周围流场运动影响而改变碰撞角度和冰体后面向上仰起；最后，滑轮通过细线固定，待碰撞时，细线能够自动破断，较好的反映海上船冰撞击环境。

4)导轨上的开孔板材可实现轨道的垂直调整，满足不同冰材料的需求。

5)本发明以相对运动原理采用冰撞击船，船模只需要放在指定位置就好，冰运动带动的波浪不足以影响船模姿态；撞击结束后，船模并不会移动太远距离，稍作调整就可；冰相对于船更方便移动，可快速放入轨道，减少冰体融化，缩短实验时间。

附图说明

图1是本发明船冰水池实验装置侧视图。

图2是本发明船冰水池实验装置A-A剖视图。

图3是本发明船冰水池实验装置拖带装置结构示意图。

图中：1冰体，2船舶模型，3数据采集装置，4拖车，5拖带桁架，6细线，7导轨，8滑轮，9拉杆，10开孔板材，11螺栓，12加速度传感器，13，应变片。

具体实施方式

如附图1至3所示，本发明的船冰水池碰撞实验装置包含拖带装置、导向装置、冰体1、船模2和数据采集系统3。拖带装置包括拖车4、拖带桁架5和细线6，拖带桁架沿拖车行驶方向固定在拖车上，固定桁架固定在拖车上，伸在拖车下的连接板中间沿长边有细长开孔，滑轮在导轨上由一根细线系紧，细线材料为尼龙绳，动态破断载荷小于10kgf。冰体一旦撞击船模，碰撞力远大于100kgf，也就远远大于细线的动态破坏载荷，冰体在碰撞力作用下会向后滑动导致细线破断。

在本发明中，导向装置包括导轨7、滑轮8和拉杆9，所述的导轨为一空心长方体钢材，导轨顶面焊接开孔的连接板10，通过螺栓11固定于拖带桁架，底面中间有一细长开孔供滑轮和拉杆移动，后面开口，所述滑轮为轮对置于导轨内，滑轮仅可沿冰体运动方向运动，所述拉杆为空心钢管，上端焊接于滑轮连杆中心处，下端伸入冰体内，拉杆伸出冰体高度一致，并且在同一个水平线上。

所述数据采集装置为加速度传感器12、应变片13、电荷放大器、多通道信号采集仪、计算机、高速摄像仪，所述加速度传感器通过防水胶固定于拉杆上，所述应变片置于碰撞区域的船体内侧，收集加速度传感器信号的电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机在拖车上，收集力传感器信号的电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机在拖车轨道外侧，高速摄像仪固定在碰撞区域的拖车轨道内墙壁上。

所述的船冰碰撞实验的具体步骤：

1)将船模以撞击角度移到撞击位置，处于自由漂浮状态；

2)将一定位冰体放入水中处于自由漂浮状态，将滑轮置于轨道内，并通过螺栓固定在拖带桁架上，并将定位冰体取出；

3)将相同参数的实验冰体的滑轮置于轨道内，并用细线拴紧，然后启动拖车，将冰体以碰撞速度撞击船模，此时，细线被拉断，拖车刹车停止，采集数据。采集碰撞前后的加速度传感器和应变传感器的输出数据，得到碰撞过程中的加速度时程曲线和碰撞力时程曲线，通过高速摄像仪得到冰体失效过程和船模撞深和失效过程。

4)调整冰体参数和被撞船浮态和被撞角度，再次进行撞击实验。具体方法是调整被撞船吃水和被撞船角度，待水面完全处于静止漂浮状态，拖车在初试位置，重新换另一新的冰体按照步骤(2)、(3)实验，碰撞速度通过改变拖车行驶速度。

Claims (2)

1.一种船冰水池碰撞实验装置的实验方法，其特征在于，该船冰水池碰撞实验装置包括水箱，水箱内设置有船模和冰体，所述冰体与拉杆固定连接，拉杆固定安装在滑轮的连杆上，滑轮位于导轨内，导轨与连接板连接，连接板与拖带装置固定连接，滑轮通过连接装置固定在导轨上，在船模端部安装有应变片，应变片依次与电荷放大器、多通道信息采集仪和计算机连接；拖带装置运动，带动滑轮和导轨运动，从而带动拉杆运动，冰体撞向船模，应变片采集碰撞数据；其中，所述连接装置为细绳；所述细绳为尼龙绳，动态载荷小于10kgf；所述拉杆上固定安装有加速度传感器，在拖带装置上安装有采集和处理加速度传感器信号的处理装置；

其实验方法包括以下步骤：

1)将船模以撞击角度移到撞击位置，处于自由漂浮状态；

2)将一定位冰体放入水中处于自由漂浮状态，将滑轮置于导轨内，并通过螺栓固定在拖带桁架上，并将定位冰体取出；

3)将相同参数的实验冰体的滑轮置于导轨内，并用细绳拴紧，然后启动拖带装置，将冰体以碰撞速度撞击船模，此时，细绳被拉断，拖车刹车停止，采集数据；

4)更换冰材料属性、冰体质量及冰体形状，在所述步骤2)之后调整冰体速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度，再次按照实验步骤3)进行撞击实验。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述导轨为方形空心钢管，滑轮沿钢管滑动。