CN110626463B - 一种破冰船水池模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种破冰船水池模型实验装置，包括循环水槽和船模安装装置，所述循环水槽包括U形槽道、水泵和连接管；U形槽道包括两段长直段和一段转弯段，两段长直段的一端分别与转弯段连接形成U形；另一端通过连接管连接，连接管上设有水泵实现水槽内的液体带动浮冰的移动；船模安装装置包括设置于U形槽道长直段上方的顶壁轨道、安装于顶壁轨道上的两道横梁以及分别安装于两道横梁上的两根液压连杆。本发明基于移动的浮冰撞击无航速的船模的实验原理，可较为真实模拟船舶在冰区航行的物理现象，还解决了传统大型冰水池占地面积大、建造周期长、建设费用高等缺陷。本发明涉及船舶模型实验技术领域。

Description

一种破冰船水池模型实验装置

技术领域

本发明涉及船舶模型实验技术领域，特别涉及一种破冰船水池模型实验装置。

背景技术

近年来，极地船舶设计建造、冰区水路运输、极地资源开发与利用等相关产业迅速发展，目前世界各国已经掀起了新一轮极地船舶与海洋结构物的研制热潮。极地船舶常年航行于冰区海域，在设计时不仅需要考虑浮冰对船舶的航行阻力，还需要考虑船舶在冰冻海区的航行能力及破冰能力。由于极地船舶与常规船舶的工作状态和结构形式存在很大差异，极地船舶设计和研发方面仍存在很多技术难题。

目前，对于极地船舶破冰性能的研究主要依靠理论计算和数值模拟，事实上船舶在冰区航行时的“船—水—冰流固耦合动力学”问题十分复杂，理论方法仍然处于发展阶段，很难完全真实地模拟实船破冰时的物理过程。实验研究不仅是验证理论算法的重要手段，还是外推预报实船破冰性能的有效手段。冰工程水池是研究极地航行船舶破冰性能的重要基本试验条件，借助冰水池可以测量船舶在冰区航行时的破冰阻力、研究船舶的破冰能力和抗冰性能等。

传统大型冰工程水池耗资巨大，建设需要占用较大场地面积和复杂技术手段，且建设周期长、投资成本高。现有冰水池主要分布于国外，国内目前还缺乏破冰船试验用的大型冰水池。

发明内容

本发明的目的在于解决现有冰水池建造技术方面的缺陷和不足，提供了一种小型的破冰船水池模型实验装置，既可较为真实模拟船舶在冰区航行的物理现象，又避免了大型冰水池建造周期长、建设费用高、技术复杂等缺陷。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种破冰船水池模型实验装置，包括循环水槽和船模安装装置，所述循环水槽包括U形槽道、水泵和连接管；U形槽道包括两段长直段和一段转弯段，两段长直段的一端与转弯段连接形成U形；两长直段的另一端通过连接管连接，连接管上设有水泵，可以实现水槽内的液体带动浮冰移动；船模安装装置包括设置于U形槽道长直段上的顶壁轨道、安装于顶壁轨道上的两道横梁以及分别安装于两道横梁上的两根液压连杆。

作为优选的技术方案，所述船模安装装置还包括可在顶壁轨道上滑动和固定的航车，两道横梁安装于航车上。航车在船模安装拆卸过程中可以作为操作平台，且航车可通过电机驱动沿顶壁轨道航行，从而也可采用航车拖曳船模的方式与来冰相互撞击，进一步增加船和冰碰撞的速度。

作为优选的技术方案，所述两道横梁可在航车上沿顶壁轨道方向平行移动，以适应不同长度的船模安装。

作为优选的技术方案，所述横梁上设有开槽和限位器。所述两根液压连杆可分别沿两根横梁水平滑动，并在开槽处通过限位器固定在某个位置处，从而可开展不同漂角下的船冰碰撞实验。

作为优选的技术方案，所述两根液压连杆可根据计算机程序指令分别调节其连杆长度。通过调节前后两根液压连杆的长度，可以调整船模的纵向倾斜姿态。

作为优选的技术方案，所述两根液压连杆与船模连接位置处设置有测力传感器。可用来测量船舶航行过程中与冰发生接触碰撞时的航行阻力、撞击力和力矩等信号。

作为优选的技术方案，还包括平整冰移动装置，所述平整冰移动装置包括设置于U形槽道长直段两侧内壁面上的内壁轨道、可在内壁轨道上滑动的平整冰拖动小车以及其搭载的平整冰拖动抓手和夹冰平板。增设平整冰移动装置可用于模拟船舶在大块平整冰水域的破冰能力。

作为优选的技术方案，所述两个平整冰拖动小车由两个同步电机分别驱动，有利于增加冰层的拖曳力并保证两小车平衡地前进或后退。

作为优选的技术方案，所述连接管及水泵设置于U形槽道的下方。水泵安装于地下低处可以减小实验室占地面积。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明通过循环水槽和船模安装装置形成一套小型冰区船舶航行性能模拟实验装置，通过水流循环带动漂浮碎冰与无航速的船模发生碰撞，可以模拟船舶在具有漂浮碎冰区域航行的状态。

2.本发明通过设置平整冰移动装置还可模拟船舶在大块平整冰水域的破冰能力，通过小车拖动平整冰与无航速的船模发生碰撞，可以模拟船舶在具有大片冻冰区域航行的状态。

3.本发明除了可通过水流及平整冰拖动小车带动浮冰产生相对运动外，还可通过航车拖曳船模航行，从而增加船舶与浮冰的相互碰撞速度，实现更高航速下的船舶破冰过程模拟。

4.本发明设置有横梁以及液压连杆，液压连杆的长度及其与横梁的横向相对位置也可调节，从而可以模拟船模以不同漂角和纵倾角姿态与浮冰或者平整冰的碰撞过程。能够较好地模拟船舶“连续式破冰”和“冲撞式破冰”过程，适用于不同等级和类型的破冰船实验设计。

附图说明

图1是本发明实施例中一种破冰船水池模型实验装置结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的右视图。

其中：1：U形槽道；2：水泵；3：连接管；4：顶壁轨道；5：航车；6：航车轮子；7：横梁；8：液压连杆；9：船模；10：内壁轨道；11：平整冰拖动小车；12：小车轮子；13：平整冰拖动抓手；14：夹冰平板；15：平整冰。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种破冰船水池模型实验装置，包括循环水槽、船模安装装置以及平整冰移动装置。循环水槽包括U形槽道、水泵和连接管。U形槽道包括两段长直段和一段转弯段，两段长直段的一端分别与转弯段连接形成U形。转弯段可有效防止槽道内的漂浮碎冰回游。两长直段的另一端通过连接管连接，实现水在U形槽道和连接管之间的循环。连接管上设有水泵，可通过调节水泵功率，进而调节U形槽道内的水流和浮冰移动速度。水泵和连接管设置于U形槽道的下方，将水泵安装于地下低处可以减小实验室占地面积。

船模安装装置包括设置于U形槽道长直段上的顶壁轨道、可在顶壁轨道上航行或固定的航车、安装于航车上的两道横梁以及分别安装于两道横梁上的两根液压连杆。航车既可固定在轨道上通过浮冰的相对运动与船模碰撞，也可拖曳船模航行与来冰碰撞从而进一步增加碰撞速度。两道横梁可在航车上沿顶壁轨道方向平行移动，以适应不同长度的船模安装。船模安装在两个液压连杆的底部，两根液压连杆可通过计算机指令和液压装置分别调节其连杆长度，从而调整船模的纵向倾斜姿态(艏倾或艉倾角度)。靠近船艏的为前液压连杆，靠近船艉的为后液压连杆。当模拟破冰船“冲撞式”破冰时，可先伸长后部液压连杆、缩短前部液压连杆，将船舶调至艉倾状态，并将平整冰按照如图2所示方向移动至适当位置，模拟船舶滑上冰面过程；随后缩短后部液压连杆、伸长前部液压连杆，模拟船舶艏倾状态，将船模首部“拍”在冰面上，模拟船舶破冰过程。此外，液压连杆还可沿着横梁的横向水平滑动，且横梁上设有开槽和限位器，使得液压连杆能沿着横杆水平方向滑动并固定在某一位置。通过调整两液压连杆在两道横梁上的横向相对位置，可改变船模与来流方向的夹角，从而可以模拟船舶以不同漂角与海冰发生斜向撞击的过程。在两液压连杆与船模相连接位置处安装有测力传感器，可用来测量船舶与来流和冰发生接触碰撞时的流体阻力、撞击力和力矩等信号。

平整冰移动装置安装在船模同侧的U形水槽长直段上。平整冰移动装置包括设置于U形槽道长直段内壁面上的内壁轨道、可在内壁轨道上滑动且底部带有轮子的平整冰拖动小车及其所搭载的平整冰拖动抓手和夹冰平板。内壁轨道设置于U形槽道长直段的水面上方的内壁面上，且离槽道上开口处有一定距离，可避免平整冰拖动小车与航车相撞。两个平整冰拖动小车可由其内部的电机同步驱动，带动平整冰以规定速度和方向移动。平整冰与平整冰拖动小车通过平整冰拖动抓手固定，在平整冰拖动抓手底端沿水平方向刚性固定一个平板，然后再在冰层下面放一个平板，两块平板把冰夹住并由多个螺栓固定，这样增加了平整冰拖曳时的的受力面积、不容易发生破坏。平整冰拖动小车的移动速度可由电子计算机程序控制同步电机的转速进行调节，并可通过调整电机旋转方向控制平整冰前进和后退方向。通过调整平整冰前进和后退，可模拟船舶在平整冰中破冰航行时前进和后退的状态。

本发明既可以模拟船舶在具有漂浮碎冰区域航行的状态，测量船舶在漂浮碎冰水域航行时的阻力和撞击力。此外，还可以模拟船舶在大块平整冰水域的破冰能力，能较好地模拟船舶“连续式破冰”和“冲撞式破冰”能力，适用于不同等级和类型的破冰船实验设计。

模拟船舶在具有漂浮碎冰区域航行的状态时，可在U形槽道的一端部靠近水流入口处加入浮冰，浮冰运动速度由水流速度进行控制。船舶无航速固定安放时也可与水流和浮冰产生相对运动，从而模拟船舶在浮冰海域中有航速航行并与冰发生碰撞的过程及现象。

模拟船舶在大块平整冰水域的破冰能力时，将船模与两根液压连杆连接，调整液压连杆在每一个横梁上的水平位置，并通过液压装置调整连杆伸出长度，从而调整船模与平整冰撞击的角度、船模的倾角姿态。平整冰拖动小车拖动平整冰以一定速度撞击船模，从而模拟船舶在平整冰中破冰航行时的运动状态。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，包括循环水槽和船模安装装置，所述循环水槽包括U形槽道、水泵和连接管；U形槽道包括两段长直段和一段转弯段，两段长直段的一端分别与转弯段连接形成U形，另一端通过连接管连接，连接管上设有水泵；船模安装装置包括设置于U形槽道长直段上的顶壁轨道、安装于顶壁轨道上的两道横梁以及分别安装于两道横梁上的两根液压连杆；还包括平整冰移动装置，所述平整冰移动装置包括设置于U形槽道长直段内壁面上的内壁轨道、可在内壁轨道上滑动的平整冰拖动小车、与平整冰拖动小车固定的平整冰拖动抓手以及与平整冰拖动抓手固定的夹冰平板。

2.根据权利要求1所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述船模安装装置还包括可在顶壁轨道上滑动和固定的航车，两道横梁安装于航车上。

3.根据权利要求2所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述两道横梁可在航车上沿顶壁轨道方向平行移动。

4.根据权利要求2或3所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述横梁上设有开槽和限位器。

5.根据权利要求4所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述两根液压连杆可分别沿两根横梁的横向水平滑动和固定。

6.根据权利要求1所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述两根液压连杆可分别根据计算机程序指令调节其连杆长度。

7.根据权利要求1所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述两根液压连杆与船模连接位置处设置有测力传感器。

8.根据权利要求1所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述平整冰拖动小车由两个同步电机驱动，可根据计算机程序指令拖动平整冰以规定速度前进或后退。

9.根据权利要求1所述的一种破冰船水池模型实验装置，其特征在于，所述连接管及水泵设置于U形槽道的下方。

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