CN109655229A - 一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，主要通过制作与实船各段重量分布一致、几何相似和运动相似的模型，对模型进行分段处理和安置测量梁框架，通过测量梁框架上应变片的载荷收集和分析计算，精确得到船体运动状态参数和所受主要载荷。本发明可用以测量小水线面双体船模型在波浪中的6自由度的运动及加速度的数据，和垂向波浪弯矩和剪力、中纵剖面垂向剪力、横向对开力和横向波浪弯矩、水平扭矩和总体不同步纵摇扭矩等7种关键的波浪载荷值，对掌握该型船的波浪载荷特性以及确定合理的结构设计载荷具有十分重要的意义。

Description

一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法

技术领域

本发明涉及船舶结构设计领域，具体涉及一种小水线面双船体波浪载荷 试验模型设计及测试方法。

背景技术

波浪载荷是船舶结构设计中要考虑的最重要的载荷，波浪载荷的正确选 取是优化船舶结构设计，合理评估船舶强度的重要基础。准确评估、采用合 理的设计载荷是结构设计的基本要素。

小水线面双体船外型与单体船有很大的不同，是由主船体、支柱、潜体 和连接桥组成的П型。它独特的几何形状也决定了它的结构载荷特点与单体 船不同。小水线面双体船波浪外载荷包括垂向波浪弯矩和剪力、横向对开力 和横向波浪弯矩、水平扭矩和总体不同步纵摇扭矩等。该船型的船体结构形 式、波浪水动力响应及船舶受力状态均较单体船和常规双体船复杂。小水线 面双体船是典型的短宽船型，双片体、双甲板，具有足够的纵向强度和刚度， 因而纵向波浪载荷不构成小水线面双体船结构强度的主要矛盾。但是小水线面双体船具有较大的侧向接触面积和特殊的横剖面几何形状，其横向波浪的 诱导载荷(横向弯矩和垂向剪切力)以及船舶航行于斜浪状态所遭遇的扭转 力矩可能达到相当的量级。

设计载荷预报的准确性会直接决定结构强度的设计，并影响船型的主要 性能指标。目前除了依靠现有的准则规范之外，模型试验是获取准确的船体 波浪载荷的有效手段之一。通过模型试验可以掌握载荷规律和特性，对理论 计算和规范计算结果的验证，为船体结构强度的计算和设计提供依据。

虽然国内外有很多学者对双体船开展了试验方面的研究，但模型试验以 及实船试验结果在某些方面他们之间还存在很大的差距，这说明双体船运动 及波浪载荷响应模型试验的方案还需要进一步改善。如何合理地设计试验模 型，并通过模型检测出船体所受载荷强度参数是关键。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及 测试方法，解决以上技术问题；

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，包括以下步骤：

步骤一：制作与实船比例为λ的小水面线双船体自航模型；

步骤二：对制作好的船体模型进行分段，沿连接桥长度方向，船体的中 纵剖面纵向切开；沿连接桥宽度方向，船体中部、首部和尾部切开；

步骤三：铺设钢架，将A、B纵梁、C、D横梁四根测量梁分别沿船体 的长度方向和宽度方向布置，拼接成一个“井”形框架并固定在船体模型上；

步骤四：A纵梁与横切面的交点为a、b、c三点，B纵梁与横切面的交 点为d、e、f三点，C横梁与中纵剖面交点为g点，D横梁与中纵剖面交点 为h点，A纵梁、B纵梁、C横梁和D横梁的a点、b点、c点、d点、e点、 f点、g点、h点处均贴有应变片；

步骤五：将船体模型放置在试验环境中进行试验，并收集各应变片受到 的应力数据。

进一步地，步骤一中小水面线双船体自航模型由玻璃钢材料制成。

进一步地，步骤一中小水面线双船体自航模型与实船应满足各段重量分 布一致、几何相似、傅氏数、斯特洛哈尔数相同。

进一步地，步骤四中沿横梁管壁的圆周面上均匀分布4个应变片，分别 为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片，第一应变片、第二 应变片、第三应变片和第四应变片用于收集横梁处载荷信息。

进一步地，步骤五中船体模型受到的对开力与横垂弯矩测试过程如下： 横垂弯矩、轴向力通过横梁上下的两个沿着管长方向的应变片各自组成1/4 桥并组合来测量；

其中，ε为应变，M为弯矩，W_z为弯曲截面系数，E为材料的杨氏模量；

由于上式的正比关系，

Δε为应变变化量，ΔM为弯矩变化量；

S为梁的截面积，ε₁、ε₂为上下两个片通过1/4桥分别测得的应变信号； E为标定得到的梁的杨氏模量，F_y1为横梁的轴向力；

W_z为弯曲截面系数，ε₁、ε₂为上下两个片通过1/4桥分别测得的应变信 号；E为标定得到的梁的杨氏模量；M_x1为横垂弯矩；

模型横向对开力：Fy＝Fy1+Fy2

模型横垂弯矩：Mx＝Mx1+Mx2

其中，F_y2是另一根横梁的轴向力，具有与F_y1相同的计算方法；

M_x2是另一根横梁的横垂弯矩，具有与M_x1相同的计算方法。

进一步地，步骤五中船体模型受到的横垂剪力测试过程如下：

横垂剪力由附图3的A、B、D、E四个应变片组成全桥测量，测量前通 过砝码进行标定，Fz1、Fz2与船体坐标系z方向统一，模型横垂剪力为：

Fz＝Fz1+Fz2

F_z为横垂剪力，Fz1、Fz2为横垂剪力的两个分力。

进一步地，步骤五中船体模型受到的艏艉分离力矩测试过程如下：

水平横梁弯矩Mz1、Mz2通过附图3的C和F两个应变片组成半桥测量， 测量前通过砝码进行标定，方向与船体坐标系z方向统一；

艏艉分离力矩Mz由Fy1、Fy2、Mz1、Mz2来合成：

Mz＝(Fy2-Fy1)*L/2+Mz1+Mz2

Mz为艏艉分离力矩，Fy1、Fy2为一组横向对开力，Mz1、Mz2为一组 水平横梁弯矩，L为两根横向梁C、D之间的距离。

进一步地，步骤五中船体模型受到的不同步纵摇扭矩测试过程如下：

水平横梁扭矩Mt1、Mt2通过附图3的G、H、J、K应变片组成全桥测量， 测量前通过砝码进行标定，方向与船体坐标系y方向统一；

不同步纵摇扭矩Mp由Fz1、Fz2、Mt1、Mt2来合成：

Mp＝(Fz2-Fz1)*L/2+Mt1+Mt2

Mp为不同步纵摇扭矩，Fz1、Fz2为一组横垂剪力，Mt1、Mt2为一组水 平横梁扭矩，L为两根横梁C、D之间的距离。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明可用以测量小水线面双体船 模型在波浪中的6自由度的运动及加速度的数据，和艏、艉垂向加速度，以 及垂向波浪弯矩和剪力、中纵剖面垂向剪力、横向对开力和横向波浪弯矩、 水平扭矩和总体不同步纵摇扭矩等7种关键的波浪载荷值，对掌握该型船的 波浪载荷特性以及确定合理的结构设计载荷具有十分重要的意义。

本发明所述的小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法可以设 计出于实船外部形状与内部结构相似的模型，保证在测试过程中数据的有效 性。

附图说明

图1为本发明所述的小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法 中船体模型的测量梁布置以及分段结构示意图。

图2为本发明所述的小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法 中船体模型的横向剖面示意图。

图3为本发明所述的小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法 中横梁上应变片的布置形式。

附图标记：1、A横梁；2、B横梁；3、C横梁；4、D横梁；5、长度方 向切线；6、第一宽度方向切线；7、第二宽度方向切线；8、第三宽度方向切 线；9、a点；10、b点；11、c点；12、d点；13、e点；14、f点；15、g点； 16、h点；17、第一应变片；18、第二应变片；19、第三应变片；20、第四 应变片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的 限定。

根据附图1-3所示，示出了一种较佳实施例，一种小水线面双船体波浪 载荷试验模型设计及测试方法，包括以下步骤：

步骤一：制作与实船比例为λ的小水面线双船体自航模型；

步骤二：对制作好的船体模型进行分段，沿连接桥长度方向，船体的中 纵剖面纵向切开，形成一条长度方向切线5，沿连接桥宽度方向，船体中部、 首部和尾部切开,，分别形成第一宽度方向切线6、第二宽度方向切线7和第 三宽度方向切线8。

步骤三：铺设钢架，将A纵梁1、B纵梁2、C横梁3、D横梁4四根测 量梁分别沿船体的长度方向和宽度方向布置，拼接成一个“井”形框架并固 定在船体模型上，测量梁轴心高位于横剖面中和轴处，其中A、B纵梁轴心 的船宽方向坐标位于片体中心线处，C、D横梁分别布置在船的首尾端；

步骤四：A纵梁与宽度方向切线的交点为a点9、b点10、c点11三点， B纵梁与宽度方向切线的交点为d点12、e点13、f点14三点，C横梁与中 纵剖面交点为g点15，D横梁与长度方向切线交点为h点16，A横梁1、B 横梁2、C横梁3和D横梁4的a点9、b点10、c点11、d点12、e点13、 f点14、g点15、h点16处均贴有应变片；

步骤五：将船体模型放置在试验环境中进行试验，并收集各应变片受到 的应力数据。

作为较佳实施例，步骤一中小水面线双船体自航模型由玻璃钢材料制成， 而且模型与实船应满足各段重量分布一致、几何相似、运动相似，几何相似 是指实船与模型按等比例缩放，运动相似是指实船和模型的傅氏数、斯特洛 哈尔数相同。

为了满足模型重心位置和惯量调整实施需要，模型空船重量不得超过其 排水量的1/3。

模型水下和水上线型需与实船几何相似。

减摇鳍、舵等附体也需进行模拟，且保证与实船几何相似。

模型设计为满足试验自航要求，设计时充分考虑轴系、齿轮箱、电机等 推进系统和稳向系统的布置。

傅氏数

斯特洛哈尔数

这里：下标s表示实船参数，m表示模型参数；V为航速；L为船舶长 度；g为重力加速度；t为时间。

1、作为较佳实施例，步骤四中沿横梁管壁的圆周面上均匀分布4个应变 片，分别为第一应变片17、第二应变片18、第三应变片19和第四应变片20， 第一应变片17、第二应变片18、第三应变片19和第四应变片20用于收集横 梁处载荷信息。

应变片是固定在横梁与切线的交点处，为了检测出模型在航行过程中不 同位置的不同载荷情况，应变片在布置的时候应该尽量保证所有载荷信息都 能收集全面，所以选择了实施例中的应变片布置形式。

根据船体的结构，在空间上建立坐标系原点位于船舶重心处，X轴沿船 舶的长度方向，Y轴沿船舶的宽度方向，Z轴垂直向上。

作为较佳实施例步骤五中船体模型所受的对开力与横垂弯矩测试过程如 下：

横垂弯矩、轴向力通过横梁上下的两个沿着管长方向的应变片各自组成 1/4桥并组合来测量。

由于测量梁直径大且壁厚较厚，整体强度很大，普通加载应变变化十分 小，直接标定轴向力十分困难。所以标定用如下方法开展：

公式中ε为应变，M为弯矩，W_z为弯曲截面系数，E为材料的杨氏模量

由于上式的正比关系，

由于Δε可以通过1/4桥直接测得，ΔM通过阶梯加载可以计算得到，W_Z由梁设计的截面尺寸可以计算出来。

所以，通过标定可以得到该梁的杨氏模量E。

由此，在试验中，轴向力可以根据下式计算：

式中，S为梁的截面积，可以通过梁设计参数计算得到；ε₁、ε₂为上下两 个片通过1/4桥分别测得的应变信号；E为标定得到的梁的杨氏模量。

在试验中，横垂弯矩可以根据下式计算：

式中，W_z为弯曲截面系数，可以通过梁设计参数计算得到；ε₁、ε₂为上 下两个片通过1/4桥分别测得的应变信号；E为标定得到的梁的杨氏模量。

所以，Fy1、Fy2与船体坐标系y方向统一，Mx1、Mx2与船体坐标系x 方向统一后，模型横向对开力与横垂弯矩为：

Fy＝Fy1+Fy2

Mx＝Mx1+Mx2

作为较佳实施例，步骤五中船体模型受到的横垂剪力测试过程如下：

横垂剪力由附图3的A、B、D、E四个应变片组成全桥测量，测量前通 过砝码进行标定，Fz1、Fz2与船体坐标系z方向统一，模型横垂剪力为：

Fz＝Fz1+Fz2

作为较佳实施例，在步骤五中船体模型受到的艏艉分离力矩测试过程如 下：

水平横梁弯矩Mz1、Mz2通过附图3的C和F两个应变片组成半桥测量， 测量前通过砝码进行标定，方向与船体坐标系z方向统一。

艏艉分离力矩Mz由Fy1、Fy2、Mz1、Mz2来合成：

Mz＝(Fy2-Fy1)*L/2+Mz1+Mz2

其中L为两根横向梁C、D之间的距离。

作为较佳实施例，步骤五种船体模型受到的不同步纵摇扭矩测试过程如 下：

水平横梁扭矩Mt1、Mt2通过g点和h点四个应变片组成全桥测量，测量 前通过砝码进行标定，方向与船体坐标系y方向统一。

不同步纵摇扭矩Mp由Fz1、Fz2、Mt1、Mt2来合成：

Mp＝(Fz2-Fz1)*L/2+Mt1+Mt2

其中L为两根横向梁C、D之间的距离。

模型运动的具体测量方法如下表：

序号	测量内容	测点位置	测量方式
				1	波浪Wave	布置在船模右前方约1m处	浪高仪
2	横摇Roll	重心位置	陀螺
				3	纵摇Pitch	重心位置	陀螺
4	垂荡Heave	重心位置	加速度时域积分
				5	艉垂向加速度A<sub>s</sub>	船尾横剖面中和轴高度，中线面	加速度传感器
6	重心纵向加速度A<sub>x</sub>	重心位置，中线面	加速度传感器
				7	重心横向加速度A<sub>y</sub>	重心位置，中线面	加速度传感器
8	重心垂向加速度A<sub>z</sub>	重心位置，中线面	加速度传感器
				9	艏垂向加速度A<sub>b</sub>	船首横剖面中和轴高度，中线面	加速度传感器

综上所述，本发明可用以测量小水线面双体船模型在波浪中的6自由度 的运动及加速度的数据，和艏、艉垂向加速度，以及垂向波浪弯矩和剪力、 中纵剖面垂向剪力、横向对开力和横向波浪弯矩、水平扭矩和总体不同步纵 摇扭矩等7种关键的波浪载荷值，对掌握该型船的波浪载荷特性以及确定合 理的结构设计载荷具有十分重要的意义。

本发明所述的小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法可以设 计出与实船几何相似、运动相似和动力相似的模型，保证在测试过程中数据 的有效性。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及 保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书 及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含 在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：制作与实船比例为λ的小水面线双船体自航模型；

步骤二：对制作好的船体模型进行分段，沿连接桥长度方向，船体的中纵剖面纵向切开；沿连接桥宽度方向，船体中部、首部和尾部切开；

步骤三：铺设钢架，将A纵梁、B纵梁、C横梁和D横梁四根测量梁分别沿船体的长度方向和宽度方向布置，拼接成一个“井”形框架并固定在船体模型上。

步骤四：所述A纵梁与横剖面的交点为a点、b点、c点三点，所述B纵梁与横剖面的交点为d点、e点、f点三点，所述C横梁与中纵剖面交点为g点，所述D横梁与中纵剖面交点为h点，所述A纵梁、所述B纵梁、所述C横梁和所述D横梁的a点、b点、c点、d点、e点、f点、g点、h点处均贴有应变片；

步骤五：将所述船体模型放置在试验环境中进行试验，并收集各应变片受到的应力数据。

2.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：

步骤一中所述小水面线双船体自航模型由玻璃钢材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：步骤一所述中小水面线双船体自航模型的设计及航行状态应满足与实船重量分布一致、几何相似、运动相似，应满足如下相似公式：

傅氏数

斯特洛哈尔数

这里：

下标s表示实船参数，m表示模型参数；

V――为航速；

L――船舶长度；

g――重力加速度；

t――时间。

4.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：步骤四中沿测量梁管壁的圆周面上均匀分布4个所述应变片，分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片，所述第一应变片、所述第二应变片、所述第三应变片和所述第四应变片用于收集横梁处载荷信息。

5.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：步骤五中所述船体模型受到的对开力与横垂弯矩测试过程如下：

所述横垂弯矩、轴向力通过横梁上下的两个沿着管长方向的所述应变片各自组成1/4桥并组合来测量；

其中，ε为应变，M为弯矩，W_z为弯曲截面系数，E为材料的杨氏模量；

由于上式的正比关系，

Δε为应变变化量，ΔM为弯矩变化量；

S为梁的截面积，ε₁、ε₂为上下两个片通过1/4桥分别测得的应变信号；E为标定得到的梁的杨氏模量，F_y1为横梁的轴向力；

W_z为弯曲截面系数，ε₁、ε₂为上下两个片通过1/4桥分别测得的应变信号；E为标定得到的梁的杨氏模量；M_x1为横垂弯矩；

模型横向对开力：Fy＝Fy1+Fy2

模型横垂弯矩：Mx＝Mx1+Mx2

其中，F_y2是另一根横梁的轴向力，具有与F_y1相同的计算方法；

M_x2是另一根横梁的横垂弯矩，具有与M_x1相同的计算方法。

6.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：步骤五中所述船体模型受到的横垂剪力测试过程如下：

所述横垂剪力由A、B、D、E四个所述应变片组成全桥测量，测量前通过砝码进行标定，Fz1、Fz2与船体坐标系z轴统一，模型横垂剪力为：

Fz＝Fz1+Fz2

F_z为横垂剪力，Fz1、Fz2为横垂剪力的两个分力。

7.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：步骤五中所述船体模型受到的艏艉分离力矩测试过程如下：

水平横梁弯矩Mz1、Mz2通过C和F两个应变片组成半桥测量，测量前通过砝码进行标定，方向与船体坐标系z轴方向统一；

艏艉分离力矩Mz由Fy1、Fy2、Mz1、Mz2来合成：

Mz＝(Fy2-Fy1)*L/2+Mz1+Mz2

Mz为艏艉分离力矩，Fy1、Fy2为一组横向对开力，Mz1、Mz2为一组水平横梁弯矩，L为两根横梁C、D之间的距离。

8.根据权利要求1所述的一种小水线面双船体波浪载荷试验模型设计及测试方法，其特征在于：步骤五中所述船体模型受到的不同步纵摇扭矩测试过程如下：

水平横梁扭矩Mt1、Mt2通过G、H、J、K应变片组成全桥测量，测量前通过砝码进行标定，方向与船体坐标系y方向统一；

不同步纵摇扭矩Mp由Fz1、Fz2、Mt1、Mt2来合成：

Mp＝(Fz2-Fz1)*L/2+Mt1+Mt2

Mp为不同步纵摇扭矩，Fz1、Fz2为一组横垂剪力，Mt1、Mt2为一组水平横梁扭矩，L为两根横梁C、D之间的距离。