CN110203327B - 一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，具体涉及船舶停靠技术领域，包括水池，所述水池内部设置有船模，所述水池内部一侧设置有靠船结构，所述水池一侧设置有带缆平台，所述带缆平台顶部设置有动力输出装置，所述动力输出装置与船模之间设置有杜邦线，所述杜邦线中部设置有张力调节装置。本发明通过设置有靠船结构，只需要拧松固定螺母，便可将靠船结构从水池内取出，再将新的靠船结构放置到水池内，新的靠船结构便更换完成，有利于更换不同的靠船结构，能够模拟港口码头运行过程中，船舶停靠时的工况，以观测船舶运动、撞击分布，为后期码头运行提供参考依据。

Description

一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法

技术领域

本发明涉及船舶停靠试验技术领域，更具体地说，本实用涉及一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法。

背景技术

码头供船舶停靠、装卸货物和上下旅客的水工建筑物。广泛采用的是直立式码头，便于船舶停靠和机械直接开到码头前沿，以提高装卸效率。港口是位于海，江，河，湖，水库沿岸，具有水路联运设备以及条件供船舶安全进出和停泊的运输枢纽，是水陆交通的集结点和枢纽，工农业产品和外贸进出口物资的集散地，船舶停泊、装卸货物、上下旅客、补充给养的场所。

目前的港口和码头设计中，缺少有效的模拟设备，无法模拟港口码头运行过程中，船舶停靠时的工况，而港口码头是不能在建设完成后随意改建的，而且如果出现事故将会面临巨大人员和财产损失。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，通过设置有靠船结构，只需要拧松固定螺母，便可将靠船结构从水池内取出，再将新的靠船结构放置到水池内，新的靠船结构便更换完成，有利于更换不同的靠船结构，能够模拟港口码头运行过程中，船舶停靠时的工况，以观测船舶运动、撞击分布，为后期码头运行提供参考依据，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1：设定模型几何比尺；

S2：设置模拟系统中的各个部件，设置船模、缆绳、靠船结构及带缆平台，其中缆绳用杜邦线、张力调节装置和引导装置进行模拟；

S3：设置码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统；

S4：进行模拟试验，获得动力要素、码头结构、船舶、护舷及缆绳模拟结果。

其中S2步骤包括：

S21：设置船模，模型船与原型船保持线性尺度相似，船模的制作完全以原型船舶线形图按1：50的比例缩小，采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载量时的重量要求，船舶的重心、横摇及纵摇周期应符合动力相似条件；

S22：按模型几何比尺比例设置护舷；

S23：缆绳，原船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离与模型船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离的比值符合模型几何比尺，单位长度原、模型缆绳重量符合模型几何比尺，原缆绳的受力变形曲线比模型缆绳的受力变形曲线满足以下条件：

T＝λ³C_pd_p ²(⊿s/s)ⁿ 式1

式中：T－模型缆力(kg)；

λ－模型比尺；

C_p－缆绳弹性系数，对尼龙缆，C_p＝1.540×10⁴MPa；钢缆取：C_p＝26.97×10⁴MPa；

d_p－缆绳直径；

⊿s/s－缆绳相对伸长；

n－指数，缆绳为尼龙时n＝3；钢缆取n＝1.5；

S24：设置靠船结构及带缆平台，原靠船结构及带缆平台的几何尺寸与模型靠船结构及带缆平台的比值符合模型几何比尺，原靠船结构及带缆平台的带缆点位置与模型靠船结构及带缆平台的带缆点位置符合模型几何比尺。

原型靠船结构物为沉箱。

步骤S3中，设置码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统，包括水池，所述水池内部设置有船模，所述水池内部一侧设置有靠船结构，所述水池一侧设置有带缆平台，所述带缆平台顶部设置有动力输出装置，所述动力输出装置与船模之间设置有杜邦线，所述杜邦线中部设置有弹簧组及张力调节装置，杜邦线另一端设置有弹簧用于模拟缆绳弹性；

所述靠船结构包括停靠区，所述停靠区一侧设置有放置区，所述放置区面向水池内壁的一侧设置有放置槽，所述放置槽内部设置有安置板，所述安置板一侧设置有橡胶垫，所述安置板与放置槽之间设置有若干支撑杆，所述放置槽顶部设置有固定板，所述固定板中部贯穿设置有固定孔，所述水池靠近固定板的一侧设置有定位杆，所述定位杆顶部套设有固定螺母，所述放置区顶部设置有引导装置，所述放置区顶部一侧设置有弧形板，所述弧形板顶部设置有拉手板；

所述引导装置包括滑轮支架，所述滑轮支架顶部活动连接有滑轮；

所述定位杆周侧面设置有外螺纹，所述固定螺母内壁设置有内螺纹，所述定位杆与固定螺母之间螺纹连接；

所述固定板截面形状设置为矩形；

进一步的，在码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统中，设置测量设备，所述测量设备包括：

用于测量缆力、护舷反力及变位的护舷缆力仪，用于测量护舷反力及变位的护舷反力变位仪，用于测量船舶六运动分量的微型重量接触超声波运动测量系统，用于测量风速的风速测量仪。

还包括动力输出装置，所述动力输出装置包括基板，所述基板与带缆平台之间固定连接，所述基板顶部设置有两个动力支架，两个所述动力支架相对一侧均设置有转动盘，所述转动盘与动力支架之间通过联动轴活动连接，其中一个所述动力支架一侧设置有动力基座，所述动力基座顶部设置有电机，所述电机的输出端贯穿动力支架与转动盘固定连接，两个所述转动盘之间设置有若干转动杆，所述杜邦线一端与转动杆之间设置有加强块；

所述张力调节装置包括两个张力板，两个所述张力板之间设置有两个弹簧，所述张力板靠近杜邦线的一侧设置有固定圆环；

所述杜邦线靠近动力输出装置的一端依次设置有张紧器和张力计；

所述水池另一侧设置有底板，所述底板顶部设置有造波机；

所述步骤S4包括：

S41：取得波浪要素模拟结果，不同方向波浪作用时，波浪要素设定的波高级别有所不同：

①横浪情况下，H_4％波高分别为1.0米；

②顺浪和斜向的情况下，H_4％波高为1.2～1.5米；

增加了分级模拟的波浪要素：将H_4％波高的分级模拟，横浪情况下H_4％波高取为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8米共6个级别；顺浪和斜向的情况下H_4％波高取为1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2米共6个级别，

根据选定的H_4％波高的分级，确定试验波浪要素，对于不规则波，将给定波浪的H_4％波高、周期换算成有效波高H_1/3和谱峰周期T_p进行波浪的模拟，其中H_1/3≈H_13％，并且取T_p＝1.2T，T为波浪的平均周期，即

式中H_1/3为有效波高，T_p为谱峰值周期，f_p为谱峰值频率，谱峰升高因子γ取平均值3.3；

S42：取得潮流模拟结果，涨潮流和落潮流流速不相等,分别为涨潮流流速为150cm/s，落潮流流速为120cm/s，分别模拟50cm/s、120cm/s、150cm/s共3个级别的流速，将上述流速视为垂向平均流速，按照单向流模拟，通过改变模型布置方向调整流向与码头轴线的夹角；

S43：进行码头结构模拟，码头结构的模拟完全按照原型以1:50的比例缩小，其中，沉箱墩用木材制作外层，内部填充碎石和小铅块，顶部与采用木材制作的码头上部结构连接成一体，上部结构面层较均匀地外加若干重物。使得码头整体结构具有足够的刚度和稳定性；

S43：进行船舶模拟，船舶外形完全按照原型船舶缩小50倍。同时调整配重物位置保证各种载量情况下的重心、浮心、横摇及纵摇周期等参量与原型符合模型比尺与动力相似；

S44：进行缆绳模拟，带缆墩位置和船舶带缆位置固定后,长度自动满足几何相似，模拟时缆绳用线绳制作，单位长度质量满足重力相似并留有足够的富裕长度，事先挂重使其完全失去弹性；制作弹簧系统，通过改变弹簧刚度、线径及直径尺寸，配置成合理的弹簧系统满足原型缆绳的弹性及刚度要求；

S45：进行护舷模拟，采用两种护舷，其一为标准反力型鼓型橡胶护舷，其二为低反力型橡胶护舷；

S46:进行风试验及模拟，采用鼓风机加变频器制造风的脉动；

步骤S46还包括：

脉动风功率谱，形式如下：

式中，

z表示离地面高度，n表示频率，U(z)为平均速度，u*表示摩擦速度。

S47：按照重力相似模拟风的换算，将模型风速放大1.4倍后再作用于模型船舶；

S48：采用以上步骤进行模拟，进而护舷缆力仪、护舷反力变位仪、微型重量接触超声波运动测量系统和风速测量仪分别测定缆力、护舷反力及变位、护舷反力及变位、船舶六运动分量和风速的数据。

本发明的技术效果和优点：

1、通过设置有靠船结构，当靠船结构放置在水池内时，放置槽内会填充满池水，从而造成一个缓冲区，从而延长了靠船结构的使用寿命，只需要拧松固定螺母，用手抓住拉手板，便可将靠船结构从水池内取出，再将新的靠船结构放置到水池内，使固定孔穿过定位杆后，再拧上固定螺母，新的靠船结构便更换完成，有利于更换不同的靠船结构，能够模拟港口码头运行过程中，船舶停靠时的工况，以观测船舶运动、撞击分布，为后期码头运行提供参考依据；

2、通过设置有张力调节装置，有利于当杜邦线被拉紧时，张力调节装置中的弹簧被拉动，通过弹簧的弹性可以对杜邦线的张紧度进行调节，从而延长杜邦线的使用寿命，通过设置有造波机，可以模拟更加复杂的情况，提高实验的准确性，通过设置有张紧器和张力计，可以观测缆绳拉力以优化码头系缆方式，为后期码头运行提供参考依据。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的图1中A处局部结构示意图。

图3为本发明的图1中B处局部结构示意图。

图4为本发明的动力输出装置结构示意图。

图5为本发明的张力调节装置结构示意图。

图6为本发明的引导装置结构示意图。

图7为本发明的拉手板结构示意图。

图8为本发明的波浪谱的模拟结果示意图。

图9为本发明的波浪谱的模拟结果示意图。

图10为本发明的首缆满载系泊2#墩时的F-δ曲线模拟结果示例图。

附图标记为：1水池、2船模、3靠船结构、301停靠区、302放置区、303放置槽、304安置板、305橡胶垫、306支撑杆、307固定板、308固定孔、309定位杆、310固定螺母、311弧形板、312拉手板、4带缆平台、5动力输出装置、501基板、502动力支架、503转动盘、504动力基座、505电机、506转动杆、507加强块、6杜邦线、7张力调节装置、701张力板、702弹簧、703固定圆环、8引导装置、801滑轮支架、802滑轮、9张紧器、10张力计、11底板、12造波机。

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做出创造性劳动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。

实施例1

一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1：设定模型几何比尺；

优选的，比尺取为1：50。

S2：设置模拟系统中的各个部件，设置船模2、缆绳、靠船结构3及带缆平台4，其中缆绳用杜邦线6、张力调节装置7和引导装置8进行模拟；

系泊船体在风、波浪、水流共同作用下，主要受风吹力、波流力、系缆力、撞击力和惯性力作用。其中波浪力和水流力应按重力相似进行模拟。系缆力和撞击力除受外力和惯性力的影响外，还受本身弹性特性的影响，因此在缆绳和护舷模拟时需要考虑弹性相似。

S3：设置码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统；

S4：进行模拟试验，获得动力要素、码头结构、船舶、护舷及缆绳模拟结果。

其中S2步骤包括：

S21：设置船模，模型船与原型船保持线性尺度相似，船模的制作完全以原型船舶线形图按1：50的比例缩小，采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载量时的重量要求，船舶的重心、横摇及纵摇周期应符合动力相似条件；

S22：按模型几何比尺比例设置护舷；

S23：缆绳，原船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离与模型船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离的比值符合模型几何比尺，单位长度原、模型缆绳重量符合模型几何比尺，原缆绳的受力变形曲线比模型缆绳的受力变形曲线满足以下条件：

T＝λ³C_pd_p ²(⊿s/s)ⁿ 式1

式中：T－模型缆力(kg)；

λ－模型比尺；

C_p－缆绳弹性系数，对尼龙缆，C_p＝1.540×10⁴MPa；钢缆取：C_p＝26.97×10⁴MPa；

d_p－缆绳直径；

⊿s/s－缆绳相对伸长；

n－指数，缆绳为尼龙时n＝3；钢缆取n＝1.5；

S24：设置靠船结构及带缆平台，原靠船结构及带缆平台的几何尺寸与模型靠船结构及带缆平台的比值符合模型几何比尺，原靠船结构及带缆平台的带缆点位置与模型靠船结构及带缆平台的带缆点位置符合模型几何比尺。

原型靠船结构物为沉箱。

步骤S3中，设置码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统，具体为：

如附图1、图2、图3、图6和图7所示，包括水池1，所述水池1内部设置有船模2，所述水池1内部一侧设置有靠船结构3，所述水池1一侧设置有带缆平台4，所述带缆平台4顶部设置有动力输出装置5，所述动力输出装置5与船模2之间设置有杜邦线6，所述杜邦线6中部设置有张力调节装置7，杜邦线另一端设置有弹簧用于模拟缆绳弹性；

杜邦线本身是无弹性伸长的，而真实缆绳是有弹性的，试验时用弹簧模拟弹性变形，变形曲线公式满足式1。

所述靠船结构3包括停靠区301，所述停靠区301一侧设置有放置区302，所述放置区302面向水池1内壁的一侧设置有放置槽303，所述放置槽303内部设置有安置板304，所述安置板304一侧设置有橡胶垫305，所述安置板304与放置槽303之间设置有若干支撑杆306，所述放置槽303顶部设置有固定板307，所述固定板307中部贯穿设置有固定孔308，所述水池1靠近固定板307的一侧设置有定位杆309，所述定位杆309顶部套设有固定螺母310，所述放置区302顶部设置有引导装置8，所述放置区302顶部一侧设置有弧形板311，所述弧形板311顶部设置有拉手板312；

所述引导装置8包括滑轮支架801，所述滑轮支架801顶部活动连接有滑轮802；

所述定位杆309周侧面设置有外螺纹，所述固定螺母310内壁设置有内螺纹，所述定位杆309与固定螺母310之间螺纹连接；

所述固定板307截面形状设置为矩形；

进一步的，在码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统中，设置测量设备，所述测量设备包括：

用于测量缆力、护舷反力及变位的护舷缆力仪，用于测量护舷反力及变位的护舷反力变位仪，用于测量船舶六运动分量的微型重量接触超声波运动测量系统，用于测量风速的风速测量仪。

具体的，缆力、护舷反力及变位的测量采用北京水科院研制生产的2008型缆力、护舷反力、变位测量系统，即32通道护舷缆力仪，护舷反力及变位的测量采用北京水科院研制生产的2008型护舷反力变位仪，船舶六运动分量测量采用南京水力科学研究院生产的FL_08B型微型重量接触超声波运动测量系统，风速测量采用广州恒高精艺科技发展有限公司研制生产的AR846型风速测量仪。

护舷缆力仪和护舷反力变位仪设置于靠船结构3的一侧，微型重量接触超声波运动测量系统包括六分量运动测量系统接收部分和六分量运动测量系统测试信号发射部分，六分量运动测量系统接收部分设置于水池1一侧的控制室，六分量运动测量系统测试信号发射部分设置于船模2上，风速测量仪固定于靠船结构3的一侧。

实施方式具体为：本发明在使用时，当动力输出装置5拉动缠绕在上的杜邦线6移动时，会带动在水池1内的船模2向靠船结构3方向移动，杜邦线6在引导装置8中的滑轮802的引导下移动，使船舶停靠在停靠区301内，当船模2停靠在靠船结构3内时，会对靠船结构3造成压力，使靠船结构3对水池1内壁造成冲击，而放置区302内的安置板304一侧的橡胶垫305会减轻靠船结构3对水池1内壁之间的冲击力，且安置板304与放置槽303之间设置有多个支撑杆306，而当靠船结构3放置在水池1内时，放置槽303内会填充满池水，从而造成一个缓冲区，从而延长了靠船结构3的使用寿命，而当需要更换新的靠船结构3时，只需要拧松固定螺母310，用手抓住拉手板312，便可将靠船结构3从水池1内取出，再将新的靠船结构3放置到水池1内，使固定板307上的固定孔308穿过定位杆309后，再在定位杆309上拧上固定螺母310，靠船结构3便更换完成。

如附图1、图4和图5所示的一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，还包括动力输出装置5，所述动力输出装置5包括基板501，所述基板501与带缆平台4之间固定连接，所述基板501顶部设置有两个动力支架502，两个所述动力支架502相对一侧均设置有转动盘503，所述转动盘503与动力支架502之间通过联动轴活动连接，其中一个所述动力支架502一侧设置有动力基座504，所述动力基座504顶部设置有电机505，所述电机505的输出端贯穿动力支架502与转动盘503固定连接，两个所述转动盘503之间设置有若干转动杆506，所述杜邦线6一端与转动杆506之间设置有加强块507；

所述张力调节装置7包括两个张力板701，两个所述张力板701之间设置有两个弹簧702，所述张力板701靠近杜邦线6的一侧设置有固定圆环703；

所述杜邦线6靠近动力输出装置5的一端依次设置有张紧器9和张力计10；

所述水池1另一侧设置有底板11，所述底板11顶部设置有造波机12。

实施方式具体为：本发明在使用时，电机505带动转动盘503转动，从而带动转动杆506转动，从而使杜邦线6缠绕到转动杆506上，而杜邦线6一端拉动船模2移动，而当杜邦线6被拉紧时，张力调节装置7中的弹簧702被拉动，通过弹簧702的弹性可以对杜邦线6的张紧度进行调节，从而延长杜邦线6的使用寿命，且在进行实验时，可以打开造波机12，模拟更加复杂的情况，提高实验的准确性。

参照说明书附图1-7，本发明在使用时，电机505带动转动盘503转动，从而带动转动杆506转动，从而使杜邦线6缠绕到转动杆506上，而杜邦线6一端拉动船模2移动，而当杜邦线6被拉紧时，张力调节装置7中的弹簧702被拉动，通过弹簧702的弹性可以对杜邦线6的张紧度进行调节，从而提高杜邦线6的使用寿命，且在进行实验时，可以打开造波机12，模拟更加复杂的情况，杜邦线6在引导装置8中的滑轮802的引导下移动，使船舶停靠在停靠区301内，当船模2停靠在靠船结构3内时，会对靠船结构3造成压力，使靠船结构3对水池1内壁造成冲击，而放置区302内的安置板304一侧的橡胶垫305会减轻靠船结构3对水池1内壁之间的冲击力，且安置板304与放置槽303之间设置有多个支撑杆306，而当靠船结构3放置在水池1内时，放置槽303内会填充满池水，从而造成一个缓冲区，从而延长了靠船结构3的使用寿命，而当需要更换新的靠船结构3时，只需要拧松固定螺母310，用手抓住拉手板312，便可将靠船结构3从水池1内取出，再将新的靠船结构3放置到水池1内，使固定板307上的固定孔308穿过定位杆309后，再在定位杆309上拧上固定螺母310，靠船结构3便更换完成。

所述步骤S4包括：

S41：取得波浪要素模拟结果，不同方向波浪作用时，波浪要素设定的波高级别有所不同：

①横浪情况下，H_4％波高分别为1.0米；

②顺浪和斜向的情况下，H_4％波高为1.2～1.5米；

增加了分级模拟的波浪要素：将H_4％波高的分级模拟，横浪情况下H_4％波高取为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8米共6个级别；顺浪和斜向的情况下H_4％波高取为1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2米共6个级别，

根据选定的H_4％波高的分级，确定试验波浪要素，对于不规则波，将给定波浪的H_4％波高、周期换算成有效波高H_1/3和谱峰周期T_p进行波浪的模拟，其中H_1/3≈H_13％，并且取T_p＝1.2T，T为波浪的平均周期，即

式中H_1/3为有效波高，T_p为谱峰值周期，f_p为谱峰值频率，谱峰升高因子γ取平均值3.3；

图8和图9给出了波浪谱的模拟结果示例，可见模拟谱和目标谱吻合得较好。

S42：取得潮流模拟结果，涨潮流和落潮流流速不相等,分别为涨潮流流速为150cm/s，落潮流流速为120cm/s，分别模拟50cm/s、120cm/s、150cm/s共3个级别的流速，将上述流速视为垂向平均流速，按照单向流模拟，通过改变模型布置方向调整流向与码头轴线的夹角；

下表为潮流模拟结果：

S43：进行码头结构模拟，码头结构的模拟完全按照原型以1:50的比例缩小，其中，沉箱墩用木材制作外层，内部填充碎石和小铅块，顶部与采用木材制作的码头上部结构连接成一体，上部结构面层较均匀地外加若干重物。使得码头整体结构具有足够的刚度和稳定性；

S43：进行船舶模拟，船舶外形完全按照原型船舶缩小50倍。同时调整配重物位置保证各种载量情况下的重心、浮心、横摇及纵摇周期等参量与原型符合模型比例；

S44：进行缆绳模拟，带缆墩位置和船舶带缆位置固定后,长度自动满足几何相似，模拟时缆绳用线绳制作，单位长度质量满足重力相似并留有足够的富裕长度，事先挂重使其完全失去弹性；制作弹簧系统，通过改变弹簧刚度、线径及直径尺寸，配置成合理的弹簧系统满足原型缆绳的弹性及刚度要求。

缆绳按照材质为dm(dynamax HMPE 12-strand)，直径为28mm缆绳进行，制作时满足几何形状相似、重力相似、弹性相似，特别需要保证模拟原、模型缆绳的受力～变形曲线满足相似条件，缆绳模型中的采用杜邦线、弹簧和张力调节器组合的形式。

所述dm为dynamax HMPE 12-strand材质。

对采用的所有系泊缆顶部张力-位移(F-δ)曲线进行计算，计算确定采用弹簧的弹性系数，截取适当长度的弹簧，组合成系泊缆模型，测试系泊缆的(F-δ)曲线，反复调试；

图10给出了首缆(系2#带缆墩时)缆绳张力-位移(F-δ)曲线模拟组合弹簧及模拟结果示例。

S45：进行护舷模拟，采用两种护舷，其一为标准反力型鼓型橡胶护舷，其二为低反力型橡胶护舷；

进一步的，其一为2250H三鼓一板(标准反力型)鼓型橡胶护舷，其二为H2000鼓型(低反力型)橡胶护舷。

2250H三鼓一板(标准反力型)鼓型橡胶护舷性能如下：单鼓设计吸能2472kNm，最大吸能2620kNm；单鼓设计反力2502kN，最大反力2650kN。H2000鼓型(低反力型)橡胶护舷性能如下：设计吸能1252kNm，最大吸能1328kNm；设计反力1425kN，最大反力1510kN。

S46:进行风试验及模拟，采用鼓风机加变频器制造风的脉动；

步骤S46还包括：

脉动风功率谱，形式如下：

式中，

z表示离地面高度，n表示频率，U(z)为平均速度，u*表示摩擦速度。

S47：按照重力相似模拟风的换算，将模型风速放大1.4倍后再作用于模型船舶；

S48：采用以上步骤进行模拟，进而护舷缆力仪、护舷反力变位仪、微型重量接触超声波运动测量系统和风速测量仪分别测定缆力、护舷反力及变位、护舷反力及变位、船舶六运动分量和风速的数据。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：设定模型几何比尺；

S2：设置模拟系统中的各个部件，设置船模(2)、缆绳、靠船结构(3)及带缆平台(4)，其中缆绳用杜邦线(6)、张力调节装置(7)和引导装置(8)进行模拟；

S3：设置码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统；

S4：进行模拟试验，获得动力要素、码头结构、船舶、护舷及缆绳模拟结果；

所述步骤S4包括：

S41：取得波浪要素模拟结果，不同方向波浪作用时，波浪要素设定的波高级别有所不同：

①横浪情况下，H_4％波高分别为1.0米；

②顺浪和斜向的情况下，H_4％波高为1.2～1.5米；

增加了分级模拟的波浪要素：将H_4％波高的分级模拟，横浪情况下H_4％波高取为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8米共6个级别；顺浪和斜向的情况下H_4％波高取为1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2米共6个级别，

根据选定的H_4％波高的分级，确定试验波浪要素，对于不规则波，将给定波浪的H_4％波高、周期换算成有效波高H_1/3和谱峰周期T_p进行波浪的模拟，其中H_1/3≈H_13％，并且取T_p＝1.2T，T为波浪的平均周期，即

式中H_1/3为有效波高，T_p为谱峰值周期，f_p为谱峰值频率，谱峰升高因子γ取平均值3.3；

S42：取得潮流模拟结果，涨潮流和落潮流流速不相等，分别为涨潮流流速为150cm/s，落潮流流速为120cm/s，分别模拟50cm/s、120cm/s、150cm/s共3个级别的流速，将上述流速视为垂向平均流速，按照单向流模拟，通过改变模型布置方向调整流向与码头轴线的夹角；

S43：进行码头结构模拟，码头结构的模拟完全按照原型以1:50的比例缩小，其中，沉箱墩用木材制作外层，内部填充碎石和小铅块，顶部与采用木材制作的码头上部结构连接成一体，上部结构面层较均匀地外加若干重物。使得码头整体结构具有足够的刚度和稳定性；

S43：进行船舶模拟，船舶外形完全按照原型船舶缩小50倍。同时调整配重物位置保证各种载量情况下的重心、浮心、横摇及纵摇周期等参量与原型符合模型比尺及运动相似；

S44：进行缆绳模拟，带缆墩位置和船舶带缆位置固定后,长度自动满足几何相似，模拟时缆绳用杜邦线制作，单位长度质量满足重力相似并留有足够的富裕长度，事先挂重使其完全失去弹性；制作弹簧系统，通过改变弹簧刚度、线径及直径尺寸，配置成合理的弹簧系统满足原型缆绳的弹性及刚度要求；

S45：进行护舷模拟，采用两种护舷，其一为标准反力型鼓型橡胶护舷，其二为低反力型橡胶护舷；

S46:进行风试验及模拟，采用鼓风机加变频器制造风的脉动；

S47：按照重力相似模拟风的换算，将模型风速放大1.4倍后再作用于模型船舶；

S48：采用以上步骤进行模拟，进而护舷缆力仪、护舷反力变位仪、微型重量接触超声波运动测量系统和风速测量仪分别测定缆力、护舷反力及变位、护舷反力及变位、船舶六运动分量和风速的数据。

2.根据权利要求1所述的一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，其特征在于：其中S2步骤包括：

S21：设置船模，模型船与原型船保持线性尺度相似，船模的制作完全以原型船舶线形图按1：50的比例缩小，采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载量时的重量要求，船舶的重心、横摇及纵摇周期应符合动力相似条件；

S22：按模型几何比尺比例设置护舷；

S23：缆绳，原船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离与模型船舶上的带缆点和码头上的带缆点之间的距离的比值符合模型几何比尺，单位长度原、模型缆绳重量符合模型几何比尺，原缆绳的受力变形曲线比模型缆绳的受力变形曲线满足以下条件：

T＝λ³C_pd_p ²(⊿s/s)ⁿ 式1

式中：T－模型缆力(kg)；

λ－模型比尺；

C_p－缆绳弹性系数，对尼龙缆，C_p＝1.540×10⁴MPa；钢缆取：C_p＝26.97×10⁴MPa；

d_p－缆绳直径；

⊿s/s－缆绳相对伸长；

n－指数，缆绳为尼龙时n＝3；钢缆取n＝1.5；

S24：设置靠船结构及带缆平台，原靠船结构及带缆平台的几何尺寸与模型靠船结构及带缆平台的比值符合模型几何比尺，原靠船结构及带缆平台的带缆点位置与模型靠船结构及带缆平台的带缆点位置符合模型几何比尺。

3.根据权利要求1所述的一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，其特征在于：步骤S3中，设置码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统，包括水池(1)，所述水池(1)内部设置有船模(2)，所述水池(1)内部一侧设置有靠船结构(3)，所述水池(1)一侧设置有带缆平台(4)，所述带缆平台(4)顶部设置有动力输出装置(5)，所述动力输出装置(5)与船模(2)之间设置有杜邦线(6)，所述杜邦线(6)中部设置有张力调节装置(7)，杜邦线另一端设置有弹簧用于模拟缆绳弹性；

在码头兼靠船舶系泊物理模型试验系统中，设置测量设备，所述测量设备包括：

用于测量缆力、护舷反力及变位的护舷缆力仪，用于测量护舷反力及变位的护舷反力变位仪，用于测量船舶六运动分量的微型重量接触超声波运动测量系统，用于测量风速的风速测量仪。

4.根据权利要求1所述的一种码头兼靠船舶系泊物理模型试验方法，其特征在于：步骤S46还包括：

脉动风功率谱，形式如下：

式中，

z表示离地面高度，n表示频率，U(z)为平均速度，u_*表示摩擦速度。

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