CN108548651B - 一种波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，包括水槽，所述水槽内设有船模，船模包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心设有中心轴杆，中心轴杆依次穿过内底板和下底板，在下底板通过固定螺母固定在下底板上，在内底板上设有若干个通孔，内底板与下底板之间的空间与水泵连接；相邻的船模单元之间通过滑轨连接，在船模单元上设有环扣，环扣通过弹簧与中心轴杆连接，在每个船模单元上设有应力传感器，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。本发明的一种波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，可演示船舶由于波浪载荷而产生的剪切应力，方便学生掌握相应的技术知识，提高教学效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种波浪中航行的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，船舶在波浪中的浮力沿船长的分布可视为船舶在静水中的浮力分布和由于波浪而产生的附加浮力分布之和叠加而成。
静水浮力主要取决于船体浸入水中部分的形状，是一个确定性静态量，可由静水平衡计算求得，而波浪附加浮力则主要是动态的、随机的，其计算相当复杂。一般情况下，都是将船舶静置于标准波浪上求取波浪附加浮力的，即假想船舶以波速在波浪的传播方向上航行，此时船与波的相对速度为零。以往在模拟波浪时，大多是将加载水槽分为若干个水密单元，向各水密单元中注入不同的水量，操作麻烦而失真。本文利用理想流体下的伯努利方程，模拟由于水压不同造成的波浪，使得实验易于实现不同的波浪状态。
理论上的近似和计算，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。本文以理论计算为依据，通过模型模拟出由于波浪载荷导致的船舶所受剪切应力的教学实验装置，从而可以提高教学效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，可演示船舶由于波浪载荷而产生的剪切应力，方便学生掌握相应的技术知识，提高教学效果。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，包括水槽，所述水槽内设有船模，船模包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心设有中心轴杆，中心轴杆依次穿过内底板和下底板，在下底板通过固定螺母固定在下底板上，在内底板上设有若干个通孔，内底板与下底板之间的空间与水泵连接；相邻的船模单元之间通过滑轨连接，在船模单元上设有环扣，环扣通过弹簧与中心轴杆连接，在每个船模单元上设有应力传感器，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。
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，所述滑轨内设有电磁控制系统，通过电磁控制系统控制滑轨的锁紧与打开。
作为优选，所述船模单元的两端设有隔板，隔板安装在水槽内，隔板通过柔性橡胶膜与船模单元连接，所述柔性橡胶膜采用丁苯胶SBR。
作为优选，所述下底板由与船模单元个数一致的滑块组成，每个滑块穿过中心轴杆。
作为优选，所述应力传感器的设置点在船舶两舷侧水线上。
在本发明中，每个船模单元在几何中心处有垂向中心轴杆贯穿，船模单元与中心轴杆有轴承套筒连接，使得船模单元可以沿着中心轴杆上下滑动，中心轴杆一端固定在加载水槽内底板上，并向下延伸，另一端自由。两两船模单元之间有垂向滑轨相连，通过中心轴杆和滑轨的配合，使得船模单元在空间上仅剩垂向平移的一个自由度。滑轨内置电磁控制系统，通过电磁控制系统中电流的通断，可控制滑轨垂向自由度。所述水槽由双层底板组成，中心轴杆贯穿双底，在内底板上的中心轴杆四周对称布置四个开孔，使得内底板上下连通。外底板由5个塑料滑块组合而成，滑块可沿中心轴杆滑动，每个滑块与内底板和侧壁共同围成一个相对封闭的流水通道单元，相应的5个流水通道单元组成一个相对封闭的流水通道。水流从通道中流过，通过改变滑块的上下位移，从而改变通道单元的横截面积，进而控制流经通道单元的水速，进一步控制水压，改变内底板上层腔室内的水头高度，形成不同的波浪形状。船模的每个船模单元的两端设有隔板，隔板一端固定在水槽上，另一端通过柔性橡胶膜与船模单元连接，使得每个船模单元都由独立的腔室单元包围，柔性橡胶膜与隔板、船模的连接处密封。船模单元横壁上设有环扣，环扣与中心轴杆用弹簧进行连接，测量弹簧伸长量，利用胡克定律得到船模单元所受剪力的同时，避免因船模单元浮力悬殊造成船模单元之间过渡滑移而脱轨。每个腔室单元在与其对应的隔板上设有读取水深的刻度，方便观察船模的吃水深度。
有益效果：本发明的波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，具有以下优点：
(1)在模拟波浪海况时，本实验装置利用流体力学伯努利方程，通过控制腔室水压得到不同波形，使实验更易操作和真实。
(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为图4C-C剖面示意图；
图7为图4D-D剖面示意图；
图8为典型船舶横剖面上的剪力流示意图。
图中，1-水槽，2-分段船模，3-中心轴杆，4-轴承套筒，5-滑轨，6-电磁控制系统，7-弹簧，8-终端计算机，9-隔板，10-柔性橡胶膜，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，15-支座，16-固定螺母，17-内底板，18-流水通道，19-外底板，20-内底板开孔，21-水泵。
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8所示，本发明的波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，包括水槽1，水槽位于支座15上，所述水槽1内设有船模2，船模2采用玻璃钢制成，船模2包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心设有中心轴杆3，中心轴杆3依次穿过内底板17和下底板19，在下底板19通过固定螺母16固定在下底板19上，在内底板17上设有若干个通孔，内底板17与下底板19之间形成的流水通道18与水泵21连接，所述下底板19由与船模单元个数一致的滑块组成，每个滑块穿过中心轴杆3；相邻的船模单元之间通过滑轨5连接，所述滑轨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，所述滑轨5内设有电磁控制系统6，通过电磁控制系统6控制滑轨5的锁紧与打开，在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通过弹簧7与中心轴杆3连接，在每个船模单元上设有应力传感器11，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。
在本发明中，所述船模2由5个船模单元组合而成，每个船模单元在几何中心处有垂向中心轴杆3贯穿，船模单元与中心轴杆3有轴承套筒4连接，使得船模单元可以沿着中心轴杆3上下滑动，中心轴杆3一端固定在加载水槽2内底板17上，并向下延伸，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。滑轨5内置电磁控制系统6，通过电磁控制系统6中电流的通断，可控制滑轨5垂向自由度。
在本发明中，所述水槽2由双层底板组成，中心轴杆3贯穿双底，在内底板17上的中心轴杆3四周对称布置四个开孔20，使得内底板17上下连通。外底板19由5个塑料滑块组合而成，滑块可沿中心轴杆3滑动，滑块底部有螺母16固定。每个滑块与内底板17和侧壁共同围成一个相对封闭的流水通道单元，相应的5个流水通道单元组成一个相对封闭的流水通道。水流从通道中流过，通过改变滑块的上下位移，从而改变通道单元的横截面积，进而控制流经通道单元的水速，进一步控制水压，改变内底板17上层腔室内的水头高度，形成不同的波浪形状。
在本发明中，船模2的每个船模单元的两端设有隔板9，隔板9一端固定在水槽上，另一端通过柔性橡胶膜10与船模单元连接，使得每个船模单元都由独立的腔室单元包围，柔性橡胶膜10与隔板9、船模2的连接处密封。
在本发明中，船模单元横壁上设有环扣14，环扣14与中心轴杆3用弹簧7进行连接，测量弹簧7伸长量，利用胡克定律得到船模单元所受剪力的同时，避免因船模单元浮力悬殊造成船模单元之间过渡滑移而脱轨。所述船模2上的应变传感器11与所述信号调理及采样系统连接，信号调理及采样系统与所述终端连接。
在本发明中，所述应力传感器11位于船模两侧水线附近，由船舶横剖面剪力流图8可以看出，此处的剪切应力相对较大。所述加载水箱1内壁上设有直接读取各个腔室单元内水深的刻度。所述柔性橡胶膜10优选采用丁苯胶SBR。所述船模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。
一种上述的模拟船舶由于波浪载荷而产生的剪切应力的实验装置的模拟方法，初始状态下，电磁控制系统6通电，滑轨5无法滑动，5个船模单元连为一条整船。分别向对应的5个腔室单元内注水，由于内底板17上的开孔20，使得每个腔室的水位相同，调整船模2到理想浮态。打开通道单元中的水泵21开关，控制水流速度，分别微调5个通道单元的滑块高度，得到理想波浪形状。
由重力场中不可压缩理想流体定常流动时的伯努利方程可知，实验中在内底板17的下表面处，水流(近似理想流体)沿流线机械能守恒。以重力加速度g除以各项，得单位重量流体的伯努利方程式中表示流体质点在真空中以初速度V铅直向上运动能达到的高度，称为速度高度；相当于液柱底面上压力为p时的高度，称为压力高度；z表示质点在流线上的位置，称为位置高度。
因为在内底板17的下表面处，水流位置高度不变，则通道单元横截面积越小，速度高度越大，压强越小。内底板17上、下表面的水压相等，在内底板17的上层腔室内，由流体静力学基本方程p＝p0+γh可知，腔室底部压强越小，腔室水面高度越低，通过控制不同腔室的水面高度，形成理想波浪形状。
此时，通过电脑终端显示单元8查看各处应力并作记录。然后对电磁控制系统6进行断电，滑轨5之间的电磁引力消失，船模单元在垂向自由，在船模单元浮力差的作用下，船模单元之间产生相对位移，各个船模单元瞬间同时自由分离。通过测量弹簧7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 (6)
1.一种波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：包括水槽，所述水槽由内底板和下底板组成，水槽内设有船模，船模包含若干个船模单元，每个船模单元的几何中心设有中心轴杆，中心轴杆依次穿过内底板和下底板，在下底板通过固定螺母固定在下底板上，在内底板上设有若干个通孔，所述下底板由与船模单元个数一致的滑块组成，每个滑块可沿中心轴杆滑动，每个滑块与内底板和侧壁共同围成一个相对封闭的流水通道单元，相应的流水通道单元组成一个相对封闭的流水通道，内底板与下底板之间形成的流水通道与水泵连接，水流从流水通道中流过，改变滑块的上下位移，从而改变流水通道单元的横截面积，进而控制流经流水通道单元的水速，进一步控制水压，从而改变内底板上层腔室内的水头高度，形成不同的波浪形状；相邻的船模单元之间通过滑轨连接，在船模单元上设有环扣，环扣通过弹簧与中心轴杆连接，在每个船模单元上设有应力传感器，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。
2.根据权利要求1所述的波浪中航行的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所述的波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：所述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3所述的波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：所述滑轨内设有电磁控制系统，通过电磁控制系统控制滑轨的锁紧与打开。
5.根据权利要求1所述的波浪中航行的船舶所受剪切应力的实验装置，其特征在于：所述船模单元的两端设有隔板，隔板安装在水槽内，隔板通过柔性橡胶膜与船模单元连接。
6.根据权利要求1所述的波浪中航行的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。
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