CN108613788B - 船-船模型碰撞实验系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船‑船模型碰撞实验系统及其实验方法，该实验系统包括撞击船模、被撞船模、刚性球鼻艏冲击装置、舷侧框架装置和船模加速装置；撞击船模艏部为可拆卸安装的刚性球鼻艏冲击装置；被撞船模设有舷侧开口，可拆卸安装舷侧框架装置；船模加速装置包括推进装置和导航通道，撞击船模在导航通道内直线航行；刚性球鼻艏冲击装置内设置力传感器；撞击船模和被撞船模上分别布置三个标记点，实验水池的岸边布置有三维运动捕捉系统。本发明通过推进装置推进、导航通道限位，使撞击船模的运动状态接近真实情况，通过适当的调节，撞击船模的运动不会受到船模加速装置的影响，并可通过三维运动捕捉系统测量得到整个船模碰撞过程中两船的运动状态。

Description

船-船模型碰撞实验系统及其实验方法

技术领域

本发明涉及船舶工程技术领域，具体涉及一种船-船模型碰撞实验系统及其实验方法。

背景技术

船舶碰撞事故是船舶在航运过程中遭受到的灾难性事件，不仅威胁到生命财产安全而且还给海洋环境造成严重的破坏。目前对于船舶碰撞的研究方法主要有理论分析方法，实验方法以及有限元分析法。其中，实验方法又分为实船实验法和船模实验法。实船实验得到的数据可靠，但是需要消耗巨大的财力、人力和物力。因此，国外和国内有大量学者将更多的关注放在了船模实验上。船模实验不仅在一定程度上满足相应的研究要求，而且其结果也能对船舶碰撞研究作出相应的指导，对事故的严重性和船舶的受损程度作出比较好的预估。

发明专利CN104006943A公布了一种“水池船舶碰撞实验系统和碰撞实验方法”，它是用于在水池中进行船模加速并使船模与结构物碰撞的实验系统和碰撞实验方法。其主要内容是：水池船舶碰撞实验系统主要包括正向牵引导向装置、牵引钩、航向稳定机构和反向牵引装置，其中，正向牵引导向装置安装在导轨首端，牵引钩设置在移动架的中点处，牵引钩保持水平状态，船模的前端导向架卡在牵引钩中，正向牵引装置牵引船模的向前运动时，牵引钩将船模的与移动架连接成整体，船模的能随着移动架一起向前加速；航向稳定机构设置在船模的尾部，反向牵引装置设置在水池导轨的尾端，用于在实验中船模加速完成之后对移动架进行减速。该发明实现了对移动架的运动控制，当船模速度达到预定值后其与移动架分离。但是该方案仅考虑的是船模与固定结构物的碰撞，没有考虑船模与船模直接的碰撞；另外，由于该牵引钩的高度是固定的，并且牵引拉力并没有作用于船模的重心位置，因此会改变船模的浮态，导致船模纵倾，影响实验结果的准确性。

发明专利CN107607282A公布了一种“液货船舶碰撞实验装置及其实验方法”，其主要内容是：被撞船模型通过系泊绳固定在水池内，被撞船模型内设有液货仓；撞击船模型包括分离的船艏、主船体和导向圆盘，分离的船艏和主船体两者通过螺栓连接；连杆穿过撞击船模型，连杆两端担在移动小车上，通过驱动移动小车移动从而带动撞击船模型移动对被撞船模型进行撞击。该发明所采用的船模加速方法有可能改变船模的浮态，并且限制了撞击船模的运动。此外，该实验方法无法考虑碰撞过程中两船模的运动对于船模碰撞的影响；由于船模一般为木质的，因此也无法考虑结构损伤对船模碰撞的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种船-船模型碰撞实验系统及其实验方法，它通过合理的装置设计以及实验设计，不会对撞击船模的浮态造成影响，提高了船模碰撞实验的准确性，还能够研究船舶不同舷侧结构的耐撞性。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种船-船模型碰撞实验系统，包括设置于实验水池内的撞击船模和被撞船模，该实验系统还包括刚性球鼻艏冲击装置、舷侧框架装置和船模加速装置；所述撞击船模的艏部为可拆卸安装的刚性球鼻艏冲击装置；所述被撞船模设有舷侧开口，所述舷侧开口处可拆卸安装所述舷侧框架装置；所述船模加速装置包括安装于所述撞击船模艉部的推进装置，以及固定安装于所述实验水池底面的导航通道，所述撞击船模在导航通道内直线航行；所述刚性球鼻艏冲击装置内设置力传感器，用于测量撞击过程中碰撞力的大小；所述撞击船模和被撞船模上分别布置三个标记点，所述实验水池的岸边布置有三维运动捕捉系统，其通过对标记点的跟踪来获取两个船模六个自由度的运动数据。

上述方案中，所述刚性球鼻艏冲击装置包括从艏至艉依次连接的刚性冲击球鼻艏、力传感器、连接件、滑槽板，所述力传感器固定安装于刚性冲击球鼻艏与连接件之间，所述滑槽板上设有竖直方向的滑槽，所述连接件可以沿滑槽上下滑动以调节所述刚性冲击球鼻艏竖直方向的位置；所述滑槽板固定安装在撞击船模的艏端。

上述方案中，所述连接件上设置多个螺丝，所述滑槽内设置有与所述螺丝一一对应的滑动螺母，所述连接件移动到合适的高度后通过所述螺丝与滑动螺母的配合实现紧固定位。

上述方案中，所述舷侧框架装置包括安装框架、固定钢板和舷侧板；所述安装框架为矩形框架结构；所述固定钢板有四个，两个为一组分别安装于所述安装框架的左侧和右侧，位于同一侧的两个固定钢板平行安装于所述安装框架的内侧和外侧，两个固定钢板之间的空隙用于卡置所述被撞船模的舷侧结构，从而将舷侧框架装置整体安装到被撞船模上；所述舷侧板的左、右两端分别与两个外侧的固定钢板可拆卸连接，其上、下两侧分别与所述安装框架的上、下两边可拆卸连接。

上述方案中，所述舷侧板包括竖直的主体板和分别安装于所述主体板上、下两端的两个连接板，所述连接板与所述主体板垂直，所述连接板通过螺栓与所述安装框架的上、下两边连接；所述主体板的左、右两端均通过螺栓与两个外侧的固定钢板连接。

上述方案中，所述舷侧板的材质为铁板或者铝板，所述舷侧板可根据实验需求设计为不同厚度、不同材料、不同加筋的结构形式。

上述方案中，所述被撞船模的艏端和艉端分别系有细绳，所述细绳系在所述实验水池的池壁上，通过改变所述细绳与实验水池池壁的夹角可以调整所述撞击船模与被撞船模之间的碰撞角度。

上述方案中，所述船模加速装置的推进装置为电动螺旋桨，通过遥控器控制。

上述方案中，所述导航通道由两个平行安装于所述实验水池底部的限位支架形成，两个限位支架之间的空间形成所述导航通道，所述导航通道的宽度大于所述撞击船模的船宽；每个导航架包括一个水平支架以及焊接于该水平支架下面的若干竖直支架，所述竖直支架通过螺栓与船池底面固定连接。

本发明还提出一种船-船模型碰撞实验方法，该方法利用上述船-船模型碰撞实验系统进行，包括以下步骤：

S1、实验前准备：安装实验水池中的导航通道，依次组装刚性球鼻艏冲击装置、舷侧框架装置，安装撞击船模的推进装置，将撞击船模和被撞击船模放入实验水池中，并将撞击船模移动到导航通道中；用细绳分别连接被撞船模的艏、艉两端，调整好被撞船模的角度后将细绳固定在实验水池的池壁上；

S2、将力传感器与动态数据采集系统相连，在撞击船模和被撞船模上分别布置三个标记点，在实验水池岸边安装三维运动捕捉系统，三维运动捕捉系统可通过对标记点的跟踪来得到两个船模六个自由度的运动数据；

S3、实验准备完毕后，通过岸上遥控器操控推进装置工作，加速推动撞击船模到指定速度，然后使推进装置停止工作，同时在两个船模相撞之前，将连接着实验水池池壁的细绳剪断；

S4、撞击船模以一定速度与被撞船模的舷侧板撞击，安装在刚性球鼻艏后面的力传感器可以获得整个撞击过程中碰撞力的大小，三维运动捕捉系统可以得到两个船模在碰撞过程中的六个自由度的运动参数；

S5、碰撞实验结束后，通过三维扫描系统测量舷侧框架装置中舷侧板的损伤变形。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的撞击船模通过推进装置推进、导航通道限位，使得撞击船模的运动状态接近真实情况，通过适当的调节，撞击船模的运动不会受到船模加速装置的影响，不会改变船模的浮态，并且可以通过三维运动捕捉系统测量得到整个船模碰撞过程中两船的运动状态；通过被撞船两端的细绳来调整船模与船模之间的碰撞角度，实现撞击角度可调节；可以通过在两船模上添加压载来实现其吃水的调节。

2、本发明采用的刚性球鼻艏冲击装置，可以方便地替换其他形状的船艏；可以改变连接件在滑道上沿垂直高度方向的位置，有效地定位高度方向的碰撞位置，以达到实验时对不同碰撞位置测量的要求；同时球鼻艏是刚性的，通过力传感器可以很方便的测出碰撞力。

3、本发明采用的舷侧框架装置，可以较方便的更换不同厚度、不同材料、加筋的舷侧板，研究船舶碰撞中船体舷侧板的损伤变形，方便地满足不同研究的需要。

4、本发明结构设计合理，使用方便，适用性强，可重复进行实验，小尺度实验操作简单，相对于实船碰撞试验具有易于控制，更加安全，更具有经济性等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明船-船模型碰撞实验系统的俯视图；

图2是图1所示实验系统的主视图；

图3是图1所示实验系统的刚性球鼻艏冲击装置的结构图；

图4是图3所示刚性球鼻艏冲击装置的连接件与滑槽板的结构图；

图5是图4所示滑槽板的结构图；

图6是图1所示实验系统的舷侧框架装置的结构图；

图7是图6所示舷侧框架装置拆卸舷侧板后的结构图；

图8是图6所示舷侧框架装置的舷侧板的结构图。

图中：10、撞击船模；20、刚性球鼻艏冲击装置；21、刚性冲击球鼻艏；22、力传感器；23、连接件；231、螺丝；24、滑槽板；241、滑槽；242、滑动螺母；30、被撞船模；40、舷侧框架装置；41、固定钢板；42、安装框架；43、舷侧板；431、主体板；432、连接板；51、推进装置；52、导航通道；521、限位支架；60、T形支架；61、标记点；70、细绳；200、实验水池。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，为本发明一较佳实施例的船-船模型碰撞实验系统，包括设置于实验水池200内的撞击船模10和被撞船模30，还包括刚性球鼻艏冲击装置20、舷侧框架装置40和船模加速装置。刚性球鼻艏冲击装置20可拆卸安装在船艏切割后的撞击船模10上。被撞船模30设有舷侧开口，舷侧开口处可拆卸安装舷侧框架装置40。船模加速装置包括安装于撞击船模10艉部的推进装置51，以及固定安装于实验水池200底面的导航通道52，启动推进装置51，将推动撞击船模10加速前进，导航通道52的约束使得撞击船模10只能沿导航通道52的方向向前直线航行。刚性球鼻艏冲击装置20内设置力传感器22，用于测量撞击过程中碰撞力的大小。撞击船模10和被撞船模30上分别布置三个标记点61，实验水池200的岸边布置有三维运动捕捉系统，其通过对标记点61的跟踪来获取两个船模六个自由度的运动数据，此外三维运动捕捉系统同时可以监测撞击船模10的速度变化。具体的，在撞击船模10和被撞船模30上分别安装一个T形支架60，T形支架60的三个端点处为球状，代表三个标记点61。

进一步优化，本实施例中，刚性球鼻艏冲击装置20包括从艏至艉依次连接的刚性冲击球鼻艏21、力传感器22、连接件23、滑槽板24，力传感器22通过螺栓固定安装于刚性冲击球鼻艏21与连接件23之间，滑槽板24上设有竖直方向的滑槽241，连接件23可以沿滑槽241上下滑动以调节刚性冲击球鼻艏21竖直方向的位置，滑槽板24通过螺栓固定安装在撞击船模10的艏端。

进一步优化，本实施例中，连接件23上设置四个螺丝231，滑槽241内设置有与四个螺丝231一一对应的四个滑动螺母242，连接件23移动到合适的高度后通过螺丝231与滑动螺母242的配合实现紧固定位。实验前，将连接件23移动到所需高度，然后将连接件23内的四颗螺丝231拧入滑槽241内的滑动螺母242上，拧紧将其固定，力传感器22则通过螺丝231连接在连接件23上，刚性冲击球鼻艏21同样通过螺丝231连接在力传感器22上。

进一步优化，本实施例中，舷侧框架装置40包括安装框架42、固定钢板41和舷侧板43。安装框架42为矩形框架结构；固定钢板41有四个，两个为一组分别安装于安装框架42的左侧和右侧，位于同一侧的两个固定钢板41通过螺栓平行安装于安装框架42的内侧和外侧，两个固定钢板41之间的空隙用于卡置被撞船模30的舷侧结构，并通过螺栓固定，从而将舷侧框架装置40整体安装到被撞船模30上。舷侧板43的左、右两端分别与两个外侧的固定钢板41通过螺栓实现可拆卸连接，其上、下两侧分别与安装框架42的上、下两边可拆卸连接。固定钢板41主要用对被撞船模30切割区域进行局部加强，安装框架42主要用来给舷侧板43稳定的边界条件。

进一步优化，本实施例中，舷侧板43包括竖直的主体板431和分别安装于主体板431上、下两端的两个连接板432，连接板432与主体板431垂直，连接板432通过螺栓与安装框架42的上、下两边连接；主体板431的左、右两端均通过螺栓与两个外侧的固定钢板41连接。

进一步优化，本实施例中，舷侧板43的材质为铁板或者铝板，可根据实验需求设计不同厚度、不同材料、不同加筋的结构形式。

进一步优化，本实施例中，被撞船模30的艏端和艉端分别系有细绳70，细绳70系在实验水池200的池壁上，通过改变细绳70与实验水池200池壁的夹角可以调整撞击船模10与被撞船模30之间的碰撞角度，在两个船模相撞之前剪断细绳70。

进一步优化，本实施例中，船模加速装置的推进装置51为电动螺旋桨，通过遥控器控制。

进一步优化，本实施例中，导航通道52由两个平行安装于实验水池200底部的限位支架521形成，两个限位支架521之间的空间形成导航通道52，导航通道52的宽度比撞击船模10的船宽大3-5cm。每个导航架包括一个水平支架以及焊接于该水平支架下面的若干竖直支架，竖直支架通过螺栓与船池底面固定连接，竖直支架的高度高出船深的一半。

进一步优化，本实施例中，撞击船模10与被撞船模30均设置压载水舱，可以通过在两个船模上添加压载来实现其吃水的调节。

本发明还提出一种船-船模型碰撞实验方法，该方法利用上述船-船模型碰撞实验系统进行，包括以下步骤：

S1、实验前准备：安装实验水池200中的导航通道52，将撞击船模10切割船艏后安装刚性球鼻艏冲击装置20，并安装撞击船模10的电动螺旋桨，将被撞船模30的舷侧切割一个舷侧开口后安装舷侧框架装置40；组装完毕后将撞击船模10和被撞击船模10放入实验水池200中，将撞击船模10移动到导航通道52中；用细绳70分别连接被撞船模30的艏、艉两端，调整好被撞船模30的角度后将细绳70固定在实验水池200的池壁上。

S2、将力传感器22与动态数据采集系统相连，在撞击船模10和被撞船模30上分别布置三个标记点61，在实验水池200岸边安装三维运动捕捉系统，三维运动捕捉系统可通过对标记点61的跟踪来得到两个船模六个自由度的运动数据。

S3、实验准备完毕后，通过岸上遥控器操控电动螺旋桨工作，加速推动撞击船模10到指定速度，然后使电动螺旋桨停止工作，同时在两个船模相撞之前，将连接着实验水池200池壁的细绳70剪断。

S4、撞击船模10以一定速度与被撞船模30的舷侧板43撞击，安装在刚性球鼻艏后面的力传感器22可以获得整个撞击过程中碰撞力的大小，三维运动捕捉系统可以得到两个船模在碰撞过程中的六个自由度的运动参数。

S5、碰撞实验结束后，通过三维扫描系统测量舷侧框架装置40中舷侧板43的损伤变形。

本发明船-船模型碰撞实验系统及其实验方法具有以下优点：

1、本发明的撞击船模10通过推进装置51推进、导航通道52限位，使得撞击船模10的运动状态接近真实情况，通过电动螺旋桨的高度，将螺旋桨的桨毂中心与撞击船模10重心对齐在同一竖直高度上，撞击船模10的运动不会受到船模加速装置的影响，不会改变船模的浮态，并且可以通过三维运动捕捉系统测量得到整个船模碰撞过程中两船的运动状态；通过被撞船两端的细绳70来调整船模与船模之间的碰撞角度，实现撞击角度可调节；可以通过在两船模上添加压载来实现其吃水的调节。

2、本发明采用的刚性球鼻艏冲击装置20，可以方便地替换其他形状的船艏；可以改变连接件23在滑道上沿垂直高度方向的位置，有效地定位高度方向的碰撞位置，以达到实验时对不同碰撞位置测量的要求；同时球鼻艏是刚性的，通过力传感器22可以很方便的测出碰撞力。

3、本发明采用的舷侧框架装置40，可以较方便的更换不同厚度、不同材料、加筋的舷侧板43，研究船舶碰撞中船体舷侧板43的损伤变形，方便地满足不同研究的需要。

4、本发明结构设计合理，使用方便，适用性强，可重复进行实验，小尺度实验操作简单，相对于实船碰撞试验具有易于控制，更加安全，更具有经济性等优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是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之内。

Claims (9)

1.一种船-船模型碰撞实验系统，包括设置于实验水池内的撞击船模和被撞船模，其特征在于，该实验系统还包括刚性球鼻艏冲击装置、舷侧框架装置和船模加速装置；所述撞击船模的艏部为可拆卸安装的刚性球鼻艏冲击装置；所述被撞船模设有舷侧开口，所述舷侧开口处可拆卸安装所述舷侧框架装置；所述舷侧框架装置包括安装框架、固定钢板和舷侧板；所述安装框架为矩形框架结构；所述固定钢板有四个，两个为一组分别安装于所述安装框架的左侧和右侧，位于同一侧的两个固定钢板平行安装于所述安装框架的内侧和外侧，两个固定钢板之间的空隙用于卡置所述被撞船模的舷侧结构，从而将舷侧框架装置整体安装到被撞船模上；所述舷侧板的左、右两端分别与两个外侧的固定钢板可拆卸连接，其上、下两侧分别与所述安装框架的上、下两边可拆卸连接；所述船模加速装置包括安装于所述撞击船模艉部的推进装置，以及固定安装于所述实验水池底面的导航通道，所述撞击船模在导航通道内直线航行；所述导航通道由两个平行安装于所述实验水池底部的限位支架形成，两个限位支架之间的空间形成所述导航通道，所述导航通道的宽度大于所述撞击船模的船宽；所述刚性球鼻艏冲击装置内设置力传感器，用于测量撞击过程中碰撞力的大小；所述撞击船模和被撞船模上分别布置三个标记点，所述实验水池的岸边布置有三维运动捕捉系统，其通过对标记点的跟踪来获取两个船模六个自由度的运动数据。

2.根据权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，所述刚性球鼻艏冲击装置包括从艏至艉依次连接的刚性冲击球鼻艏、力传感器、连接件、滑槽板，所述力传感器固定安装于刚性冲击球鼻艏与连接件之间，所述滑槽板上设有竖直方向的滑槽，所述连接件可以沿滑槽上下滑动以调节所述刚性冲击球鼻艏竖直方向的位置；所述滑槽板固定安装在撞击船模的艏端。

3.根据权利要求2所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，所述连接件上设置多个螺丝，所述滑槽内设置有与所述螺丝一一对应的滑动螺母，所述连接件移动到合适的高度后通过所述螺丝与滑动螺母的配合实现紧固定位。

4.根据权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，所述舷侧板包括竖直的主体板和分别安装于所述主体板上、下两端的两个连接板，所述连接板与所述主体板垂直，所述连接板通过螺栓与所述安装框架的上、下两边连接；所述主体板的左、右两端均通过螺栓与两个外侧的固定钢板连接。

5.根据权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，所述舷侧板的材质为铁板或者铝板，所述舷侧板可根据实验需求设计为不同厚度、不同材料、不同加筋的结构形式。

6.根据权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，所述被撞船模的艏端和艉端分别系有细绳，所述细绳系在所述实验水池的池壁上，通过改变所述细绳与实验水池池壁的夹角可以调整所述撞击船模与被撞船模之间的碰撞角度。

7.根据权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，所述船模加速装置的推进装置为电动螺旋桨，通过遥控器控制。

8.根据权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统，其特征在于，每个导航架包括一个水平支架以及焊接于该水平支架下面的若干竖直支架，所述竖直支架通过螺栓与船池底面固定连接。

9.一种船-船模型碰撞实验方法，其特征在于，该方法利用权利要求1所述的船-船模型碰撞实验系统进行，包括以下步骤：

S1、实验前准备：安装实验水池中的导航通道，依次组装刚性球鼻艏冲击装置、舷侧框架装置，安装撞击船模的推进装置，将撞击船模和被撞击船模放入实验水池中，并将撞击船模移动到导航通道中；用细绳分别连接被撞船模的艏、艉两端，调整好被撞船模的角度后将细绳固定在实验水池的池壁上；

S2、将力传感器与动态数据采集系统相连，在撞击船模和被撞船模上分别布置三个标记点，在实验水池岸边安装三维运动捕捉系统，三维运动捕捉系统可通过对标记点的跟踪来得到两个船模六个自由度的运动数据；

S3、实验准备完毕后，通过岸上遥控器操控推进装置工作，加速推动撞击船模到指定速度，然后使推进装置停止工作，同时在两个船模相撞之前，将连接着实验水池池壁的细绳剪断；

S4、撞击船模以一定速度与被撞船模的舷侧板撞击，安装在刚性球鼻艏后面的力传感器可以获得整个撞击过程中碰撞力的大小，三维运动捕捉系统可以得到两个船模在碰撞过程中的六个自由度的运动参数；

S5、碰撞实验结束后，通过三维扫描系统测量舷侧框架装置中舷侧板的损伤变形。

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