CN108871719A - 一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置及试验方法，试验装置包括船模、搁浅力测量装置、高速摄像机和牵引机构，船模包括船底板和船模主体结构，船模内安装有加速度传感器；搁浅力测量装置包括礁石、礁石基座、凹槽基座垫、单轴防水测力计和固定支撑基座，礁石安装于礁石基座上，礁石基座滑动安装于凹槽基座垫上，单轴防水测力计的两端面分别与礁石基座和固定支撑基座固定连接；高速摄像机安装于礁石的上方，牵引机构与船模的首部之间通过牵引绳连接。本发明可以探讨船体外部水对船舶搁浅响应的影响；试验装置操作方便，可改变试验船底板结构形式、调节牵引电机的转速、更换礁石或改变搁浅试验水深，进行不同工况的船模搁浅试验。

Description

一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及船舶搁浅技术领域，具体涉及一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置和试验方法。

背景技术

船舶搁浅是船舶营运过程中面临的主要威胁因素之一，研究船舶搁浅破坏，获取船舶搁浅事故后的可靠数据，对于船舶设计建造和搁浅事故发生后的营救工作有重要的指导意义。

由于船舶体积巨大，试验条件受限，以往的搁浅试验往往是在陆地上对船底板局部结构进行试验，船底板结构边界条件受到人为的约束，忽略了船体外部水对船舶搁浅响应的影响。

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，提供一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置及试验方法，它能够在船池中进行不同工况的船舶搁浅试验，解决以往的搁浅试验忽略船体外部水影响，边界条件不真实的问题，并探讨船体外部水对船舶搁浅响应的影响。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，包括船模，所述船模包括船底板和船模主体结构，所述船底板可拆卸安装于所述船模主体结构底部，所述船模内安装有加速度传感器；所述船舶搁浅试验装置还包括搁浅力测量装置、高速摄像机和牵引机构，所述搁浅力测量装置包括礁石、礁石基座、凹槽基座垫、单轴防水测力计和固定支撑基座，所述礁石底部可拆卸安装于所述礁石基座上端，所述礁石基座滑动安装于所述凹槽基座垫上，所述单轴防水测力计的两端面分别与所述礁石基座和固定支撑基座固定连接，所述凹槽基座垫和固定支撑基座均固定在试验水池底面；所述高速摄像机安装于所述礁石的上方，所述牵引机构安装于船池边，牵引机构与船模的首部之间通过牵引绳连接。

上述方案中，所述凹槽基座垫的相对两侧设有卡槽，所述卡槽的长度方向与所述船模的初速度方向相同，所述礁石基座下端设有与所述卡槽适配的凸块，所述礁石基座的下端凸块卡置于所述凹槽基座垫的卡槽内，使所述礁石基座可沿卡槽方向水平移动，但不会发生翻转运动。

上述方案中，所述船模主体结构首部黏贴一个黑色的圆形标记点，所述船模搁浅划过所述礁石的过程中，通过所述高速摄像机记录该标记点的水平面运动轨迹，利用所述高速摄像机后处理软件可计算出所述船模搁浅过程中的搁浅速度变化历程。

上述方案中，所述船模主体结构包括两个纵舱壁和焊接于两道纵舱壁之间的多个横舱壁，所述船底板的边缘设有竖直的边界折边，所述边界折边开设螺栓孔，所述船底板与纵舱壁、横舱壁之间通过螺栓紧固连接，并在连接的边缝处涂有玻璃胶，确保安装后的水密性。

上述方案中，所述加速度传感器安装在位于所述船模主体结构中间的横舱壁上。

上述方案中，所述牵引机构为牵引电机，所述牵引绳的一端系在所述船模船首与其重心等高的位置，牵引绳的另一端缠在所述牵引电机的转盘上，通过变频器调节所述牵引电机的转速，从而牵引所述船模做加速运动后达到不同的搁浅初速度。

上述方案中，所述牵引电机与搁浅力测量装置之间还设置导向装置，所述导向装置包括伸缩支架和定滑轮，所述伸缩支架固定安装于船池底部；所述定滑轮安装于所述伸缩支架顶部，所述牵引绳从船首牵出后绕过所述定滑轮后缠在所述牵引电机的转盘上，所述伸缩支架高度可以上下调节，确保所述牵引绳水平牵引所述船模运动。

上述方案中，所述船底板为三段式折边结构，所述船底板沿所述船模纵向折成水平船底板、15°坡角斜升板和45°坡角挡水板，搁浅试验初始撞击区域在15°坡角斜升板上。

上述方案中，所述礁石底部是一根粗的螺纹杆，便于安装在所述礁石基座上端，所述礁石可拆卸，可替换不同形状的礁石进行搁浅试验。

本发明还提出了一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验方法，该方法利用上述船舶搁浅试验装置进行，包括如下步骤：

步骤1，调整船模至正浮状态，船模自由浮在水面；在船模的船首与其重心等高处系上一根牵引绳，所述牵引绳水平牵引所述船模运动；

步骤2，启动牵引机构，牵引船模做加速运动后达到一定的搁浅初速度，在船模即将与礁石发生触底搁浅前割断牵引绳，此时船模以一初速度V₀撞击礁石，发生搁浅，礁石在试验船底板上划过一道长长的凹痕或者撕裂试验船底板；

步骤3，高速摄像机通过监测船模上的标记点记录船模不同时刻在水平面上的运动位置，并可利用高速摄像机后处理软件计算出船模准确的搁浅初速度V₀和搁浅过程中的搁浅速度变化历程；

步骤4，发生搁浅时，搁浅力测量装置中的单轴防水测力计能获得搁浅过程中船模对礁石的作用力，即船模所受到的水平搁浅力F₁，同时，安装在船模主体结构的加速度传感器可以测量船模搁浅过程中的加速度时间历程，已知船模总质量M(计及船舶附连水)可计算得到船模搁浅运动所受到的总阻力F₂＝Ma；

步骤5，试验测量得到加速度时间历程曲线，水平搁浅力时间历程曲线，船底板初始搁浅位置高度以及船底板搁浅损伤宽度和长度，对上述实验结果进行分析，以探究船体外部水对船舶搁浅响应的影响；

步骤6，改变试验船底板的结构形式、调节牵引电机的转速、更换礁石或改变搁浅试验水深，重复步骤1～4，可以进行不同工况的船舶搁浅试验研究，对这些船舶搁浅试验结果进行步骤5的分析，可总结归纳出不同搁浅工况下由于船体外部水的影响，船舶发生搁浅时的纵荡运动(搁浅的主要运动形式)和其他形式船体运动分别占船舶搁浅总能量和搁浅初动量的比值，进一步根据船舶纵荡运动所消耗的能量来更为准确的评估船舶搁浅损伤范围。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种可在水中较为真实地模拟船舶搁浅工况的搁浅试验装置和试验方法，可以探讨船体外部水对船舶搁浅响应的影响；本试验装置结构简单、操作方便，可改变试验船底板的结构形式、调节牵引电机的转速、更换礁石或改变搁浅试验水深，进行不同工况的船模搁浅试验，从而总结归纳出不同搁浅工况下由于船体外部水的影响，船舶发生搁浅时的纵荡运动(搁浅的主要运动形式)和其他形式船体运动分别占船舶搁浅总能量和搁浅初动量的比值，进一步根据船舶纵荡运动所消耗的能量来更为准确的评估船舶搁浅损伤范围。本发明可重复性强，进行重复搁浅试验的成本低。

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是本发明船舶搁浅实验装置的整体结构立体图；

图2是图1所示船舶搁浅实验装置的搁浅力测量装置立体图；

图3是图1所示船舶搁浅实验装置的试验船模立体图；

图4是图3所示试验船模的船底板立体图；

图5是本发明船舶搁浅实验装置实验过程示意图；

图6是本发明船舶搁浅实验装置实验过程简图。

图中：100、船舶搁浅试验装置；10、船模；11、船底板；111、边界折边；112、水平船底板；113、15°坡角斜升板；114、45°坡角挡水板；12、船模主体结构；121、纵舱壁；122、横舱壁；13、加速度传感器；20、搁浅力测量装置；21、礁石；22、礁石基座；221、凸块；23、凹槽基座垫；231、卡槽；24、单轴防水测力计；25、固定支撑基座；30、高速摄像机；31、横跨梁；40、牵引机构；41、牵引绳；50、导向装置；51、伸缩支架；52、定滑轮；200、船池。

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1-6所示，为本发明一较佳实施例的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置100，包括船模10，船模10包括船底板11和船模主体结构12，船底板11以可拆卸的方式安装于船模主体结构12底部，船模10内安装有加速度传感器13。船舶搁浅试验装置100还包括搁浅力测量装置20、高速摄像机30和牵引机构40，搁浅力测量装置20包括礁石21、礁石基座22、凹槽基座垫23、单轴防水测力计24和固定支撑基座25，礁石21底部可拆卸安装于礁石基座22上端，礁石基座22滑动安装于凹槽基座垫23上，单轴防水测力计24的两端面分别与礁石基座22和固定支撑基座25固定连接，凹槽基座垫23和固定支撑基座25均固定在试验船池200底面。高速摄像机30安装于礁石21的上方，牵引机构40安装于船池200边，牵引机构40与船模10的首部之间通过牵引绳41连接。

本实施例中，礁石21底部是一根粗的螺纹杆，便于安装在礁石基座22上端，礁石21可拆卸，可替换不同形状的礁石21进行搁浅试验。凹槽基座垫23通过膨胀螺栓固定在船池200的底面上，凹槽基座垫23的相对两侧设有角钢卡槽231，卡槽231的长度方向与船模10的初速度方向相同，礁石基座22下端设有与卡槽231适配的凸块221，礁石基座22的下端凸块221卡置于凹槽基座垫23的卡槽231内，使礁石基座22可沿卡槽231方向(船模10搁浅方向)水平移动，但不会发生翻转运动。单轴防水测力计24的两端面通过螺栓分别与礁石基座22和固定支撑基座25的侧面贴合固定连接，固定支撑基座25再通过地脚螺栓固定在船池200底面，可认为是与水池成为整体，不会发生移动和翻转。单轴防水测力计24用于测量船模10搁浅过程中船模10对礁石21的作用力，即船模10所受到的水平搁浅力。

礁石21的上方安装横跨梁31，横跨梁31两端分别固定在船池200的相对两侧，高速摄像机30安装于横跨梁31上，位于礁石21正上方。

船模主体结构12首部黏贴一个黑色的圆形标记点，船模10搁浅划过礁石21的过程中，通过高速摄像机30记录该标记点的水平面运动轨迹，利用高速摄像机30后处理软件可计算出船模10搁浅过程中的搁浅速度变化历程。

本实施例中，船模主体结构12包括两个纵舱壁121和焊接于两道纵舱壁121之间的多个横舱壁122，船底板11的边缘设有竖直的边界折边111，边界折边111开设螺栓孔，船底板11与纵舱壁121、横舱壁122之间通过螺栓紧固连接，并在连接的边缝处涂有玻璃胶，确保安装后的水密性。

加速度传感器13安装在位于船模主体结构12中间的横舱壁122上，用于测量船模10搁浅过程中的加速度时间历程，从而计算船模10搁浅运动总阻力。

本实施例中，牵引机构40为牵引电机，牵引绳41的一端系在船模10船首与其重心等高的位置，牵引绳41的另一端缠在牵引电机的转盘上，通过变频器调节牵引电机的转速，从而牵引船模10做加速运动后达到不同的搁浅初速度。

牵引电机与搁浅力测量装置20之间还设置导向装置50，导向装置50包括伸缩支架51和定滑轮52，伸缩支架51固定安装于船池200底部；定滑轮52安装于伸缩支架51顶部，牵引绳41从船首牵出后绕过定滑轮52后缠在牵引电机的转盘上，伸缩支架51高度可以上下调节，确保牵引绳41水平牵引船模10运动。

本实施例中，船底板11为三段式折边结构，船底板11沿船模10纵向折成水平船底板112、15°坡角斜升板113和45°坡角挡水板114，搁浅试验初始撞击区域在15°坡角斜升板113上。船底板11可拆卸，可替换不同形状的船底板11进行搁浅试验。

本发明还提出一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验方法，该方法利用上述船舶搁浅试验装置100在注有水的船池200中进行，具体包括如下步骤：

步骤1，调整船模10至正浮状态，船模10自由浮在水面；在船模10的船首与其重心等高处系上一根牵引绳41，牵引绳41绕过导向装置50顶端的定滑轮52后缠在牵引电机的转盘上，调整伸缩支架51的高度，确保牵引绳41水平牵引船模10运动。

步骤2，启动牵引电机，牵引船模10做加速运动后达到一定的搁浅初速度，在船模10即将与礁石21发生触底搁浅前割断牵引绳41，此时船模10以一初速度V₀撞击礁石21，发生搁浅，礁石21在试验船底板11上划过一道长长的凹痕或者撕裂试验船底板11。

步骤3，高速摄像机30通过监测船模10上的标记点记录船模10不同时刻在水平面上的运动位置，并可利用高速摄像机30后处理软件计算出船模10准确的搁浅初速度V₀和搁浅过程中的搁浅速度变化历程。

步骤4，发生搁浅时，搁浅力测量装置20中的单轴防水测力计24能获得搁浅过程中船模10对礁石21的作用力，即船模10所受到的水平搁浅力F₁，同时，安装在船模10主体结构的加速度传感器13可以测量船模10搁浅过程中的加速度时间历程，已知船模10总质量M(计及船舶附连水)可计算得到船模10搁浅运动所受到的总阻力F₂＝Ma。

步骤5，试验测量得到加速度时间历程曲线，水平搁浅力时间历程曲线，船底板11初始搁浅位置高度以及船底板11搁浅损伤宽度和长度，将上述实验结果进行以下三点分析，以探究船体外部水对船舶搁浅响应的影响：

1)将由加速度时间历程曲线计算得到的搁浅总阻力时间历程曲线同水平搁浅力时间历程曲线进行对比，两者之间的差值反应了船体外部水的阻力对船模10搁浅运动的影响；

2)对搁浅总阻力时间历程曲线进行积分得到船模10搁浅时水平方向所受合外力的冲量I，对比船模10搁浅初动量P＝MV₀，由动量定理“物体所受合外力的冲量等于其动量的改变量”可计算船模10在搁浅过程中的动量损失，除去少量试验误差，该动量损失可认为是由于船体外部水的存在所引起的；

3)根据高速摄像机30记录的船模10水平面运动轨迹，可以做出对应时间点的搁浅总阻力-纵向位移曲线，对该曲线积分即船模10在搁浅时总阻力所做的功W，计算该积分值与船模10搁浅初动能E₀＝0.5MV₀ ²的差值；除去少量试验误差，这些差值可以认为是由于船体外部水的存在所引起的。

步骤6，改变试验船底板11的结构形式、调节牵引电机的转速、更换礁石21或改变搁浅试验水深，重复步骤1～4，可以进行不同工况的船舶搁浅试验,对这些船舶搁浅试验结果进行步骤5的分析，可总结归纳出不同搁浅工况下由于船体外部水的影响，船舶发生搁浅时的纵荡运动(搁浅的主要运动形式)和其他形式船体运动分别占船舶搁浅总能量和搁浅初动量的比值，进一步根据船舶纵荡运动所消耗的能量来更为准确的评估船舶搁浅损伤范围。

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 (10)

1.一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，包括船模，所述船模包括船底板和船模主体结构，其特征在于，所述船底板可拆卸安装于所述船模主体结构底部，所述船模内安装有加速度传感器；所述船舶搁浅试验装置还包括搁浅力测量装置、高速摄像机和牵引机构，所述搁浅力测量装置包括礁石、礁石基座、凹槽基座垫、单轴防水测力计和固定支撑基座，所述礁石底部可拆卸安装于所述礁石基座上端，所述礁石基座滑动安装于所述凹槽基座垫上，所述单轴防水测力计的两端面分别与所述礁石基座和固定支撑基座固定连接，所述凹槽基座垫和固定支撑基座均固定在试验水池底面；所述高速摄像机安装于所述礁石的上方，所述牵引机构安装于船池边，牵引机构与船模的首部之间通过牵引绳连接。

2.根据权利要求1所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述凹槽基座垫的相对两侧设有卡槽，所述卡槽的长度方向与所述船模的初速度方向相同，所述礁石基座下端设有与所述卡槽适配的凸块，所述礁石基座的下端凸块卡置于所述凹槽基座垫的卡槽内，使所述礁石基座可沿卡槽方向水平移动，但不会发生翻转运动。

3.根据权利要求1所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述船模主体结构首部黏贴一个黑色的圆形标记点，所述船模搁浅划过所述礁石的过程中，通过所述高速摄像机记录该标记点的水平面运动轨迹，利用所述高速摄像机后处理软件可计算出所述船模搁浅过程中的搁浅速度变化历程。

4.根据权利要求1所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述船模主体结构包括两个纵舱壁和焊接于两道纵舱壁之间的多个横舱壁，所述船底板的边缘设有竖直的边界折边，所述边界折边开设螺栓孔，所述船底板与纵舱壁、横舱壁之间通过螺栓紧固连接，并在连接的边缝处涂有玻璃胶，确保安装后的水密性。

5.根据权利要求4所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述加速度传感器安装在位于所述船模主体结构中间的横舱壁上。

6.根据权利要求1所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述牵引机构为牵引电机，所述牵引绳的一端系在所述船模船首与其重心等高的位置，牵引绳的另一端缠在所述牵引电机的转盘上，通过变频器调节所述牵引电机的转速，从而牵引所述船模做加速运动后达到不同的搁浅初速度。

7.根据权利要求6所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述牵引电机与搁浅力测量装置之间还设置导向装置，所述导向装置包括伸缩支架和定滑轮，所述伸缩支架固定安装于船池底部；所述定滑轮安装于所述伸缩支架顶部，所述牵引绳从船首牵出后绕过所述定滑轮后缠在所述牵引电机的转盘上，所述伸缩支架高度可以上下调节，确保所述牵引绳水平牵引所述船模运动。

8.根据权利要求1所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述船底板为三段式折边结构，所述船底板沿所述船模纵向折成水平船底板、15°坡角斜升板和45°坡角挡水板，搁浅试验初始撞击区域在15°坡角斜升板上。

9.根据权利要求1所述的考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验装置，其特征在于，所述礁石底部是一根粗的螺纹杆，便于安装在所述礁石基座上端，所述礁石可拆卸，可替换不同形状的礁石进行搁浅试验。

10.一种考虑船体外部水影响的船舶搁浅试验方法，该方法利用权利要求1所述船舶搁浅试验装置进行，其特征在于，该试验方法包括如下步骤：

步骤1，调整船模至正浮状态，船模自由浮在水面；在船模的船首与其重心等高处系上一根牵引绳，所述牵引绳水平牵引所述船模运动；

步骤2，启动牵引机构，牵引船模做加速运动后达到一定的搁浅初速度，在船模即将与礁石发生触底搁浅前割断牵引绳，此时船模以一初速度V₀撞击礁石，发生搁浅，礁石在试验船底板上划过一道长长的凹痕或者撕裂试验船底板；

步骤3，高速摄像机通过监测船模上的标记点记录船模不同时刻在水平面上的运动位置，并可利用高速摄像机后处理软件计算出船模准确的搁浅初速度V₀和搁浅过程中的搁浅速度变化历程；

步骤4，发生搁浅时，搁浅力测量装置中的单轴防水测力计能获得搁浅过程中船模对礁石的作用力，即船模所受到的水平搁浅力F₁，同时，安装在船模主体结构的加速度传感器可以测量船模搁浅过程中的加速度时间历程，已知船模总质量M(计及船舶附连水)可计算得到船模搁浅运动所受到的总阻力F₂＝Ma；

步骤5，试验测量得到加速度时间历程曲线，水平搁浅力时间历程曲线，船底板初始搁浅位置高度以及船底板搁浅损伤宽度和长度，对实验结果进行分析，以探究船体外部水对船舶搁浅响应的影响；

步骤6，改变试验船底板的结构形式、调节牵引电机的转速、更换礁石或改变搁浅试验水深，重复步骤1～4，可以进行不同工况的船舶搁浅试验研究，对这些船舶搁浅试验结果进行步骤5的分析，可总结归纳出不同搁浅工况下由于船体外部水的影响，船舶发生搁浅时的纵荡运动(搁浅的主要运动形式)和其他形式船体运动分别占船舶搁浅总能量和搁浅初动量的比值，进一步根据船舶纵荡运动所消耗的能量来更为准确的评估船舶搁浅损伤范围。