CN110672301A

CN110672301A - 一种漂浮物稳性测量试验装置及方法

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Publication number: CN110672301A
Application number: CN201910784514.3A
Authority: CN
Inventors: 苏清磊; 宁春林; 李超; 李安山; 徐鑫强; 王肖闯; 刘志豪; 李劳钰; 安珂; 张成伦; 史景文; 张立新; 李遵伟; 尹木兰
Original assignee: First Institute of Oceanography MNR; Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Current assignee: First Institute of Oceanography MNR; Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: CN110672301B

Abstract

本发明公开了一种漂浮物稳性测量试验装置及方法，本申请将浮标通过第一牵引索、第二牵引索和第三牵引索分别连接第一配重车、第二配重车和第三配重车，所述第一配重车通过第一牵引索对浮标的底端施加第一拉力，所述第二配重车通过第二牵引索对浮标的顶端施加第二拉力，所述第一拉力方向与第二拉力方向分别朝向浮标轴线的两侧，所述第三配重车通过第三牵引索对浮标的底端施加向下的第三拉力，所述浮标上设有姿态测量模块，用于实时测量位于水中的浮标的姿态信息；通过配重车配合浮标实现对漂浮物在外力作用下的稳性试验过程，通过控制配重车输出相应的拉力，能够得到不同排水量的浮标的稳性曲线。

Description

一种漂浮物稳性测量试验装置及方法

技术领域

本发明属于倾斜试验领域，具体涉及一种漂浮物稳性测量试验装置及方法。

背景技术

船舶等漂浮物在外力作用下偏离其平衡位置而发生倾斜，当外力消失后，能自行回复到原来平衡位置的能力，称为船舶稳性；或者说船舶稳性是船舶在外力作用小时候保持其原有位置的能力。

当漂浮物倾斜后，漂浮物的排水部分的形状已经发生改变，故其浮心与中心不再位于同一铅垂线上，因而浮力和重力形成一个力偶，促使漂浮物回复到原来的位置，该力偶的矩即为复原力矩；在讨论大倾角的稳性问题时，是研究漂浮物倾斜后产生的复原力矩阻止其倾斜的能力，因此着重研究复原力矩随横向倾角发生变化的规律。

发明人发现，对于浮标等小型海上漂浮物的稳性测量与对船舶的稳性实验不同，船舶无法实现大角度的倾斜，因此其稳性实验只能得到初稳性高这一项数据，对于小型海上漂浮物来说，在海浪和风力的作用下，会出现大倾角状态，而现有技术中并没有针对小型海上漂浮物的稳性的实验测量，也没有用于测量小型海上漂浮物的稳性曲线测量的设备，因此，对于小型海上漂浮物的稳性研究较为缓慢，小型漂浮物结构的改进难以进行。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，本发明提供一种漂浮物的稳性测量试验装置、及方法，通过对浮标可控的施加向下的拉力模拟大排水量的漂浮物，控制两根牵引索从浮标的上下端分别施加拉力从而模拟构建复原力矩的反力，达到了对漂浮物进行稳性实验并获取初稳性曲线的效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种漂浮物稳性测量试验装置，包括浮标，所述浮标通过第一牵引索、第二牵引索和第三牵引索分别连接第一配重车、第二配重车和第三配重车，所述第一配重车通过第一牵引索对浮标的底端施加第一拉力，所述第二配重车通过第二牵引索对浮标的顶端施加第二拉力，所述第一拉力方向与第二拉力方向分别朝向浮标轴线的两侧，所述第三配重车通过第三牵引索对浮标的底端施加向下的第三拉力，所述浮标上设有姿态测量模块，用于测量位于水中的浮标在其重力、浮力、第一拉力、第二拉力和第三拉力作用下的姿态信息。

更进一步地，还包括配重架，所述配重架位于浮标的下方，配重架上设置有第一滑轮和第二滑轮，用于改变所配合牵引索的拉力方向，所述第一牵引索与第一滑轮配合后连接浮标，所述第三牵引索与第二滑轮配合后连接浮标。

更进一步地，所述第一滑轮和第二滑轮通过连接件安装在配重架上，所述连接件用于改变第一滑轮和第二滑轮相对于配重架的位置。

更进一步地，所述第一拉力、第二拉力从水平方向对浮标施加拉力，第三拉力从竖直方向上对浮标施加拉力。

更进一步地，所述第一配重车、第二配重车和第三配重车的结构相同，均包括支架、杠杆机构和配重块，所述杠杆结构安装在支架上，所述配重块安装在杠杆机构的一个力臂上，杠杆机构的另一个力臂连接其所对应的牵引索。

更进一步地，所述配重块通过滑动副配合锁定装置安装在杠杆机构上，所述滑动副用于改变配重块与杠杆机构的配合位置从而改变杠杆机构另一力臂的出力，所述锁定装置用于在配重块改变配合位置后锁定其配合位置。

更进一步地，还所述第一拉力、第二拉力、第三拉力和浮标的重心均位于同一个穿过浮标轴线的平面内。

更进一步地，所述浮标的轴线穿过姿态测量模块，所述姿态测量模块用于记录浮标的倾斜角度。

本发明还提供一种漂浮物稳性测量试验方法，包括以下步骤：

通过分别改变第一配重车和第二配重车的配重块在其对应杠杆机构上的位置从而调节第一配重车和第二配重车的输出拉力，改变第三配重车的配重块在其对应杠杆机构上的位置从而调节第三配重车的输出拉力；

第一牵引索在第一配重车的驱动下拉动浮标底端，第二牵引索在第二配重车的驱动下拉动浮标顶端，第一牵引索和第二牵引索配合出力模拟倾斜力矩；

第三牵引索在第三配重车的驱动下向下拉动浮标底端，模拟浮标受到的锚系拉力；

浮标在其重力、浮力、倾斜力矩和锚系拉力的作用下产生倾斜；

待浮标倾斜稳定后，姿态测量模块记录此时浮标倾斜角度。

调整第一配重车、第二配重车、第三配重车的输出拉力，改变浮标的倾斜幅度；分别记录稳定后不同倾斜幅度下浮标的倾斜角度。

本发明和现有技术相比，拥有以下有益技术效果：

1.通过配重车配合浮标实现对漂浮物在外力作用下的稳性试验过程，通过控制配重车输出相应的拉力，能够得到不同排水量的浮标的稳性曲线；

2.采用小型浮标，能够在实验室的水池内完成实验，不必考虑风、浪、流的影响，通过第三拉力替代锚系拉力，能够模拟浮标在海面上的固定方式，得到在锚系拉力作用下浮标的稳性数据；

3.由于排水量小，其恢复力矩容易通过铅块、铁块等配重形式实现；

4.小型浮标作为无人值守的海洋结构物，易于控制，能够在实验室内实现较大倾角的状况，实现了船舶所不能实现的大倾角倾斜实验过程，得到大倾角下的浮标稳性数据，另外，即使倾覆也不会造成装置的损坏，实现安全的获取浮标稳性曲线的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例1的稳性测量实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2的浮标稳性曲线示意图；

图3是本发明实施例2的浮标受力分析的示意图；

图4是本发明实施例2的稳性测量实验的过程分析示意图。

附图标记：1、第一配重车，2、第二配重车，3、第三配重车，4、第一牵引索，5、第二牵引索，6、第三牵引索，7、浮标，8、姿态测量模块，9、配重架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括””时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有技术对于浮标等小型海上漂浮物的稳性测量与对船舶的稳性实验不同，船舶无法实现大角度的倾斜，因此其稳性实验只能得到初稳性高这一项数据，对于小型海上漂浮物来说，在海浪和风力的作用下，会出现大倾角状态，而现有技术中并没有针对小型海上漂浮物的稳性的实验测量，也没有用于测量小型海上漂浮物的稳性曲线测量的设备，因此，对于小型海上漂浮物的稳性研究较为缓慢，小型漂浮物结构的改进难以进行，针对上述技术问题，本申请提出了一种漂浮物稳性测量试验装置及方法。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出了一种用于测量漂浮物稳性的试验装置。

包括放置在水池中漂浮的浮标和安放在水池旁的三个配重车，所述浮标通过第一牵引索、第二牵引索和第三牵引索分别连接第一配重车、第二配重车和第三配重车，所述第一配重车通过第一牵引索对浮标的底端施加第一拉力，所述第二配重车通过第二牵引索对浮标的顶端施加第二拉力，所述第一拉力方向与第二拉力方向分别朝向浮标轴线的两侧，所述第三配重车通过第三牵引索对浮标的底端施加向下的第三拉力，所述浮标上设有姿态测量模块，用于测量位于水中的浮标在其重力、浮力、第一拉力、第二拉力和第三拉力作用下的姿态信息。

需要特别指出的是，在上述过程中，采用的浮标为小型浮标，主尺度小于 2.4m，总排水量小于5t，自重不超过1.5t，采用小体积的浮标，能够在实验室构建水池完成实验，排出干扰因素的影响；采用较小的浮标，能够方便的提供外界力，模拟浮标在海上漂浮时的受力。

进一步的，还包括配重架，所述配重架位于浮标的下方，配重架上设置有第一滑轮和第二滑轮，用于改变所配合牵引索的拉力方向，所述第一牵引索与第一滑轮配合后连接浮标，所述第三牵引索与第二滑轮配合后连接浮标。

进一步的，所述第一滑轮和第二滑轮通过连接件安装在配重架上，所述连接件用于改变第一滑轮和第二滑轮相对于配重架的位置；

优选的，所述第一拉力、第二拉力从水平方向对浮标施加拉力，第三拉力从竖直方向上对浮标施加拉力。

进一步的，所述第一配重车、第二配重车和第三配重车的结构相同，均包括支架、杠杆机构和配重块，所述杠杆结构安装在支架上，所述配重块安装在杠杆机构的一个力臂上，杠杆机构的另一个力臂连接其所对应的牵引索；

优选的，所述配重块通过滑动副配合锁定装置安装在杠杆机构上，所述滑动副用于改变配重块与杠杆机构的配合位置从而改变杠杆机构另一力臂的出力，所述锁定装置用于在配重块改变配合位置后锁定其配合位置。

结合附图1对本实施例进一步介绍：

对于第一配重车，如图所示，放置在水池的左侧，第一配重车利用杠杆原理，把配重块的重量放大1-4倍，300kg的配重块就可以产生1200kg的拉力，通过左侧的第一牵引绳，配合以水池底部配重盘上的第一滑轮导向，最终将第一拉力作用在浮标底端，与由第二配重车产生的作用在浮标顶端的第二拉力相互配合，模拟“倾斜力矩”；

对于第二配重车，如图所示，放置在水池的右侧，第二配重车同样利用杠杆原理，把配重块的重量放大1-4倍，300kg的配重块就可以产生1200kg的拉力，通过右侧的第二牵引绳，配合以第二配重车自带的滑轮导向，最终将第二拉力作用在浮标顶端，与由第一配重车产生的作用在浮标顶端的第一拉力相互配合，模拟“倾斜力矩”；

对于第三配重车，如图所示，放置在水池一侧，同样利用杠杆原理，把配重块的重量放大1-4倍，300kg的配重块就可以产生1200kg的拉力，通过右侧的第三牵引绳，配合以配重盘上的第二滑轮导向，最终将第三拉力作用在浮标底端，模拟锚系拉力，实现不同锚系拉力下的稳性测量。

对于配重盘，如图所示，放置在实验水池的底部，配重盘的重量要大于试验所需的“锚系拉力的2倍与第一配重车所能产生的最大拉力的和”，从而实现对浮标的稳定锚定，当然，为了配合第一滑轮和第二滑轮对第一牵引绳和第三牵引绳的导向，第一滑轮和第二滑轮在配重盘上能够调整其位置，并能在某个位置时进行锁定。

进一步的，所述第一拉力、第二拉力、第三拉力和浮标的重心均位于同一个穿过浮标轴线的平面内；

优选的，所述浮标的轴线穿过姿态测量模块，所述姿态测量模块用于记录浮标的倾斜角度。

小型浮标作为无人值守的海洋结构物，易于控制，能够在实验室内实现较大倾角的状况，实现了船舶所不能实现的大倾角倾斜实验过程，得到大倾角下的浮标稳性数据，另外，即使倾覆也不会造成装置的损坏，实现安全的获取浮标稳性曲线的目的。

实施例2

本发明另一典型实施例中，还提供一种漂浮物稳性测量试验方法，采用上述实施例1中的试验装置。

具体试验步骤为：

待浮标倾斜稳定后，姿态测量模块记录此时浮标倾斜角度；

在本实施例中，所述第一配重车和第二配重车上的配重由0开始逐次增加 dP，待浮标倾斜稳定在某一角度后，记录此时的配重P和倾斜角度Φ，然后依次增加配重车上的配重，并依次记录；

浮标倾斜过程中，通过控制模拟“锚系拉力”的第三牵引绳施加的第三拉力，实现浮标的倾斜过程是缓慢的可控的，避免浮标因摇摆过快，产生浮标对配重车及池底配重盘的冲击。

测试试验的原理为；

如图3所示，恢复力矩M_R由作用力(重力/排水量)乘以作用力臂(恢复力臂)GZ 计算，表达式M_R＝Δ*GZ,其中，GZ是浮标倾斜Φ后，重心G和浮心B在水平方向的距离，过浮标重心G作水平直线，水平直线与此时浮心B位置处的浮力方向的垂直交点为Z，其中GZ为从G点到Z点的长度。

对于浮标在给定吃水后(或者给定锚系力后)，排水量Δ成为一个常数，恢复力与倾斜角度Φ的函数，可以表达为M_R＝Δ*f(Φ)或者GZ＝f(Φ),由图2可知，对于常规小型浮标稳性曲线，在0-Φ₂之间，随着Φ的增加，M_R逐渐增加，并在Φ₂达到最大M_Rmax。

如图4所示，对于本申请公开的实验装置：

倾斜力矩：M_P＝P*h，P为第一配重车、第二配重车产生的拉力，两个拉力保持水平，方向相反，h为浮标顶端A和底端O两点间垂直距离，h＝OA*cosΦ，所以倾斜力矩为M_P＝P*OA*cosΦ。

当在配重车1、2上同时配置某一P配重，浮标发生倾斜，并随着倾斜角Φ增加，OA点之间的垂直距离减小，倾斜力矩M_P减小，而恢复力矩M_R由0逐渐增加，直至M_P＝M_R，达到平衡，浮标倾斜角度稳定在Φ，此时：Δ*GZ＝P*h或者Δ *GZ＝P*OA*cosΦ，可以得到：GZ＝P/Δ*OA*cosΦ，可见，在M_P＝M_R，达到平衡时，由设定的P和监测到的Φ既可以计算出GZ。

同时P＝Δ*GZ/(OA*cosΦ),Φ在0-90°之间cosΦ>0，可见使得排水量为Δ发生倾斜角Φ所需配重P的大小，随着排水量Δ的增加而增加，随着倾斜角Φ的增加而增加，随着OA的增加而较小。可见为了实现以较少的配重力P实现浮标较大倾角Φ的倾斜，需要竟可能的选择较大的OA，所以试验方案中将OA分别取在浮标中轴线的底部和顶部。对于小型浮标，根据定义可知GZ不会超过0.25 倍的浮标直径，而OA点可以达到2倍的浮标直径，例如对于较大倾角Φ＝60°， P<0.25Δ,可见对于排水量小于5t的小型浮标，1.25t的配重力P即可实现浮标倾角60°。

而对于大型船舶等海洋平台由于排水量Δ往往上万吨，需要上千吨的配重力 P，不经上千吨的配重力P难以实现，而对于着力点O和A，上千吨的拉力，从结构强度上来说也是不现实的，想要安全方便的实现大型船舶的大倾斜角是非常困难的。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，包括浮标，所述浮标通过第一牵引索、第二牵引索和第三牵引索分别连接第一配重车、第二配重车和第三配重车，所述第一配重车通过第一牵引索对浮标的底端施加第一拉力，所述第二配重车通过第二牵引索对浮标的顶端施加第二拉力，所述第一拉力方向与第二拉力方向分别朝向浮标轴线的两侧，所述第三配重车通过第三牵引索对浮标的底端施加向下的第三拉力，所述浮标上设有姿态测量模块，用于实时测量位于水中的浮标的姿态信息。

2.如权利要求1所述的漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，还包括配重架，所述配重架位于浮标的下方，配重架上设置有第一滑轮和第二滑轮，用于改变所配合牵引索的拉力方向，所述第一牵引索与第一滑轮配合后连接浮标，所述第三牵引索与第二滑轮配合后连接浮标。

3.如权利要求2所述的漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，所述第一滑轮和第二滑轮通过连接件安装在配重架上，所述连接件用于改变第一滑轮和第二滑轮相对于配重架的位置。

4.如权利要求1所述的浮标稳性测量实验装置，其特征在于，所述第一拉力、第二拉力从水平方向对浮标施加拉力，第三拉力从竖直方向上对浮标施加拉力。

5.如权利要求1所述的漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，所述第一配重车、第二配重车和第三配重车的结构相同，均包括支架、杠杆机构和配重块，所述杠杆结构安装在支架上，所述配重块安装在杠杆机构的一个力臂上，杠杆机构的另一个力臂连接其所对应的牵引索。

6.如权利要求5所述的漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，所述配重块通过滑动副配合锁定装置安装在杠杆机构上，所述滑动副用于改变配重块与杠杆机构的配合位置从而改变杠杆机构另一力臂的出力，所述锁定装置用于在配重块改变配合位置后锁定其配合位置。

7.如权利要求1所述的漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，所述第一拉力、第二拉力、第三拉力和浮标的重心均位于同一个穿过浮标轴线的平面内。

8.如权利要求7所述的漂浮物稳性测量试验装置，其特征在于，所述浮标的轴线穿过姿态测量模块，所述姿态测量模块用于记录浮标的倾斜角度。

9.基于如权利要求1-8任一项所述的漂浮物稳性测量试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

待浮标倾斜稳定后，姿态测量模块记录此时浮标倾斜角度。

10.如权利要求9所述的试验方法，其特征在于，

还包括，调整第一配重车、第二配重车、第三配重车的输出拉力，改变浮标的倾斜幅度；分别记录稳定后不同倾斜幅度下浮标的倾斜角度。