CN109036070A - 波浪航行中双体船弯扭组合实验装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪航行中双体船弯扭组合实验装置及模拟方法，包括模型槽、船模、造波系统、消浪系统、定位装置和测量装置，所述的船模置于注有水的模型槽内，所述模型槽的一侧设有造波系统，模型槽的两侧壁与边壁上设有消浪系统，船模通过定位装置固定，船模上还连接有测量装置，通过调节电机频率改变波浪的频率与波长，通过连杆的伸长与缩短来改变波高，通过改变双体船的位置模拟双体船受到的横向弯矩及扭矩。本发明不仅能通过测量系统测出船模受到的横向弯矩及扭矩的大小，而且还能够让实验者清晰看到波浪载荷使双体船发生弯曲时的变形情况，在教学中给学生留下深刻的印象，使同学们更直观的理解双体船横向弯曲、扭转以及造波的基本原理。

Description

波浪航行中双体船弯扭组合实验装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及双体船弯扭组合实验装置及模拟方法，尤其涉及一种波浪航行中双体船弯扭组合实验装置及模拟方法。

背景技术

伴随着世界航运市场的不断扩大以及近年来人们关心的环境问题日益地突出，促使人们开发新的、高性能船型来代替已有的船型，双体船凭借着鲜明的特色脱颖而出。双体船在波浪航行时遭受的载荷与常规单体船不同，除了纵垂向弯矩和纵垂向剪力之外，横向弯矩、横向扭矩等载荷对双体船也非常重要。由于双体船的两个片体间横向宽度较大，同时片体之间要受到流体的相互作用，且一个片体受到的流体作用力将通过连接桥传递到另一个片体，从而对整个船体在波浪中的运动和遭受的载荷产生作用，因此连接桥处就变成了双体船结构的一处薄弱环节。当双体船在航行中遭遇横向波浪时，两个片体存在一定的吃水差，此种情况下浮力与重力的不平衡将完全由连接桥来承担。当双体船在航行中遭遇斜浪时，两个片体在波浪当中所处的位置会不同，连接桥要承受扭矩作用。

根据已有的研究，双体船在波浪中航行时，当浪向为90°或180°时，双体船受到横向弯矩作用。当一个片体位于波谷，其吃水会比正浮吃水降低，所受浮力减至最小；另一个片体则恰好处于波峰位置，其吃水会比正浮吃水升高，所受浮力增加至最大，如图3所示。两片体间的浮力差也达到最大值，此时由于船体的重力、片体浮力、水动压力的横向分布不同，船舶在满足平衡状态的过程中产生横倾运动，在横倾的过程中使船体的横向梁产生断面剪力以及撗弯矩。

当浪向为45°或135°时，两个片体在波浪当中所处的位置会不同，连接桥要承受扭矩作用。假定此时一个片体的船首部分处于波峰位置，而其尾部则处于波谷位置；另一片体刚好与之相反，其船首部分处于波谷位置，而船尾处于波峰位置，如图4所示。在此种情况下，由于船体的重力、片体浮力、水动压力的不均匀分布，左右两个片体必然会产生相对纵摇运动，在纵摇达到平衡的瞬间，连接桥会产生巨大的扭矩。

目前对于波浪的研究主要集中在理论分析、现场勘测和实验室模拟。理论分析主要通过牛顿力学原理，流体力学等方法来分析波浪的运动，但由于环境的复杂性，只能计算特定条件下波浪的运动情况，同时在授课过程中，不能让学生进行直观的观察和实际动手操作，对于加深学习印象方面存在一定的缺陷；现场勘测则是在实际的波浪情况下进行试验，并统计准确无误的数据，但会受到太多环境干扰，另外现场勘测会耗费大量的人力、物力、财力。实验室模拟由于需要具备一定的试验条件，目前高校中建造的造波池并不多，加之其实验需要动用大型仪器设备，需要较多的实验人员，波浪生成用时长，耗能大，效率低，占地大，操作复杂，在教学过程中存在一定的局限性，因此不适合在授课过程中对学生进行演示。由于以上客观因素，目前在教学过程中只是列出了波浪的外力探讨，缺乏经济、直观的教学实验器材让学生亲自动手操作，从而获得深刻的理解。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种波浪航行中双体船弯扭组合实验装置及模拟方法，方便学生了解和掌握有关双体船横向弯矩及扭矩和波浪的知识。

技术方案：本发明包括模型槽、船模、造波系统、消浪系统、定位装置和测量装置，所述的船模置于注有水的模型槽内，所述模型槽的一侧设有造波系统，模型槽的两侧壁与边壁上设有消浪系统，所述的船模通过定位装置固定，船模上还连接有测量装置。

所述的造波系统包括造波机，所述的造波机通过连杆连接滚珠丝杆，所述的滚珠丝杆穿过模型槽的侧壁与电机连接，所述的电机上连接有控制系统，通过改变连杆的长短来改变波高。

所述的造波机包括若干造波板，造波机采用分段结构，每段造波板沿高度方向设有加强筋并采用四点支承结构，选用水润滑轴承，保证每块造波板的同轴度，设置两排螺纹钢筋，与底座的通孔焊为一体。

所述造波板选用钢板。

所述的消浪系统包括消能网、消能坡与消浪器，所述的消能网位于造波机与模型槽之间的模型槽侧壁上，所述的消能坡位于模型槽的另一侧，所述的消浪器位于模型槽的边壁。

所述的消浪器采用多孔材料。

所述的定位装置包括分别位于船模首尾处的定位环、定位杆与桩基，所述的定位杆分别穿过定位环，并固定在模型槽底部的桩基上。

所述的船模采用聚氨酯软泡沫塑料制成，船模处、处和处设有横舱壁。

所述的测量装置包括位于模型槽内的波浪测量仪和波速测量仪，还包括位于横舱壁上的传感器，所述的传感器通过电荷放大器及信号采集仪连接计算机。

所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置的模拟方法，包括以下步骤：

(1)实验装置及测量仪器的连接与组装；

(2)横向弯扭实验：向模型槽内注入水，将船模沿水流垂直方向放入，并用定位装置固定，启动电机，通过调节电机频率使双体船的一个片体位于波谷，另一个片体位于波峰，观察实验现象并进行数据整理；

(3)扭矩实验：向模型槽内注入水，将船模沿与水流呈45°的方向放入，并用定位装置固定，启动电机，通过调节电机频率使双体船一个片体的船首位于波峰、船尾部位于波谷，另一个片体的船首位于波谷、船尾部位于波峰，观察实验现象并进行数据整理。

有益效果：本发明不仅能通过测量系统测出船模受到的横向弯矩及扭矩的大小，而且还能够让实验者清晰看到波浪载荷使双体船发生弯曲时的变形情况，在教学中给学生留下深刻的印象，使同学们更直观的理解双体船横向弯曲、扭转以及造波的基本原理。

附图说明

图1为本发明的横向弯矩实验装置示意图；

图2为本发明的扭矩实验装置示意图；

图3为双体船受到横向弯矩时的位置示意图；

图4为双体船受到扭矩时的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括模型槽1、船模2、造波系统3、消浪系统4、定位装置5和测量装置6，船模2置于注有水的模型槽1内，模型槽1的一侧设有造波系统3，模型槽1的两侧壁与边壁上设有消浪系统4，船模2通过定位装置5固定，船模2上还连接有测量装置6。模型槽1使用有机玻璃制成，用于盛放水体。

造波系统3用于使模型槽1内的水体产生波浪。造波系统3包括造波机，造波机通过连杆313连接滚珠丝杆312，滚珠丝杆312穿过模型槽1的侧壁与电机315连接，电机315上连接有控制系统316。造波机包括三块造波板311，造波板311选用钢板，造波机采用分段结构，每段造波板311沿高度方向设有加强筋并采用四点支承结构，选用水润滑轴承314，保证每块造波板311的同轴度，设置两排螺纹钢筋，与底座的通孔焊为一体。通过滚珠丝杆312将电机315的转动转换为连杆313的直线运动，进而带动造波机做往复运动，拨动模型槽1内的水产生波浪，通过控制系统316变换电机315的频率来改变波浪的频率与波长，通过连杆313的伸长与缩短来改变波高。

消浪系统4包括消能网42、消能坡41与消浪器43，考虑到造波板311在回摆时产生的反向波浪遇到模型槽1的边壁后反射，并对造波产生影响，故在模型槽1的尾端设有消能坡41，另一侧则设有消能网42，边壁处设有消浪器43，消浪器43优选为多孔材料，采用热喷涂锌层及外涂富锌环氧树脂漆的方法来抑制造波板311水蚀。

定位装置5包括分别位于船模2首尾处的定位环51、定位杆52与桩基53，定位环51分别位于双体船首尾连接桥的中央位置，将定位杆52分别穿过定位环51，并固定在模型槽1底部的桩基53上。

船模2采用聚氨酯软泡沫塑料制成，这样可以保证实验船模2具有一定的刚度，使其在不受弯矩时保持平衡状态，当受到弯矩时会发生变形，在弯矩消失后仍能回到原来状态。船模2在制作过程中，分别在处、处和处设有横舱壁。船模2是自由浮于水中，船模2受定位杆52的约束仅能上下运动，从而保证船模2竖直方向的自由度。

测量装置6包括位于模型槽1内沿水流方向放置的波浪测量仪61和波速测量仪62，还包括位于横舱壁上的传感器63，传感器63通过电荷放大器64及信号采集仪65连接计算机66。

本发明的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置的模拟方法，包括以下步骤：

(1)实验装置及测量仪器的连接与组装：

首先在模型槽1内沿水流动的方向放入用于测量波浪频率与幅度的波浪测量仪61和用于测量波浪流速的波速测量仪62。将应变传感器63安装在横舱壁与连接桥的接触处，这里为整体受力集中处，测量现象更加明显。在船模2产生横向弯矩时，应变传感器63将产生电信号，通过电荷放大器64将信号放大，最终通过多通道信号采集仪65与计算机66分析，从而测出弯矩。

(2)横向弯扭实验：

实验装置制作完成后，向模型槽1内注入水，将船模2沿水流垂直方向放入，并用定位装置5固定，调整船体平衡，启动电机315，使用波浪测量仪61、波速测量仪62测定波浪要素是否满足设计要求，若不满足要求，通过改变控制系统316调节电机315频率，使双体船的一个片体位于波谷，另一个片体位于波峰，观察实验现象并进行数据整理；

(3)扭矩实验：

实验装置制作完成后，向模型槽1内注入水，将船模2沿与水流呈45°的方向放入，并用定位装置5固定，调整船体平衡，启动电机315，使用波浪测量仪61、波速测量仪62测定波浪要素是否满足设计要求，若不满足要求，通过改变控制系统316调节电机315频率，使双体船一个片体的船首位于波峰、船尾部位于波谷，另一个片体的船首位于波谷、船尾部位于波峰，观察实验现象并进行数据整理。

Claims (10)

1.一种波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，包括模型槽(1)、船模(2)、造波系统(3)、消浪系统(4)、定位装置(5)和测量装置(6)，所述的船模(2)置于注有水的模型槽(1)内，所述模型槽(1)的一侧设有造波系统(3)，模型槽(1)的两侧壁与边壁上设有消浪系统(4)，所述的船模(2)通过定位装置(5)固定，船模(2)上还连接有测量装置(6)。

2.根据权利要求1所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的造波系统(3)包括造波机，所述的造波机通过连杆(313)连接滚珠丝杆(312)，所述的滚珠丝杆(312)穿过模型槽(1)的侧壁与电机(315)连接，所述的电机(315)上连接有控制系统(316)。

3.根据权利要求2所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的造波机包括若干造波板(311)，造波机采用分段结构，每段造波板(311)沿高度方向设有加强筋。

4.根据权利要求3所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述造波板(311)选用钢板。

5.根据权利要求1所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的消浪系统(4)包括消能网(42)、消能坡(41)与消浪器(43)，所述的消能网(42)位于造波机与模型槽(1)之间的模型槽侧壁上，所述的消能坡(41)位于模型槽(1)的另一侧，所述的消浪器(43)位于模型槽(1)的边壁。

6.根据权利要求5所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的消浪器(43)采用多孔材料。

7.根据权利要求1所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的定位装置(5)包括分别位于船模(2)首尾处的定位环(51)、定位杆(52)与桩基(53)，所述的定位杆(52)分别穿过定位环(51)，并固定在模型槽(1)底部的桩基(53)上。

8.根据权利要求1所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的船模(2)采用聚氨酯软泡沫塑料制成，船模(2)上间隔设有若干横舱壁。

9.根据权利要求1所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置，其特征在于，所述的测量装置(6)包括位于模型槽(1)内的波浪测量仪(61)和波速测量仪(62)，还包括位于横舱壁上的传感器(63)，所述的传感器(63)通过电荷放大器(64)及信号采集仪(65)连接计算机(66)。

10.基于权利要求1-9任一项所述的波浪航行中双体船弯扭组合实验装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)实验装置及测量仪器的连接与组装；

(2)横向弯扭实验：向模型槽内注入水，将船模沿水流垂直方向放入，并用定位装置固定，启动电机，通过调节电机频率使双体船的一个片体位于波谷，另一个片体位于波峰，观察实验现象并进行数据整理；

(3)扭矩实验：向模型槽内注入水，将船模沿与水流呈45°的方向放入，并用定位装置固定，启动电机，通过调节电机频率使双体船一个片体的船首位于波峰、船尾部位于波谷，另一个片体的船首位于波谷、船尾部位于波峰，观察实验现象并进行数据整理。