CN111323203A - 一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置及方法 - Google Patents

一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置及方法 Download PDF

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CN111323203A CN202010282628.0A CN202010282628A CN111323203A CN 111323203 A CN111323203 A CN 111323203A CN 202010282628 A CN202010282628 A CN 202010282628A CN 111323203 A CN111323203 A CN 111323203A
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Abstract

本发明公开了一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置及方法，属于船舶与海洋工程领域；所述测量装置包括分段船模壳体，在每段船模壳体内部设有固定横梁，所述固定横梁与等效刚度连续梁铰支连接，三分力仪传感器顶部与钢结构支架的底板相连，底部连接在等效刚度连续梁上，在等效刚度连续梁的连接节点处分别粘贴有应变片a，相邻两个应变片a之间设有应变片b；在分段船模壳体外部两侧对称设有多组无接触式超声波浪高仪，所述无接触式超声波浪高仪、三分力仪传感器、应变片a、应变片b均通过数据线与动态信号数据采集器相连。本申请结构设计布局合理，操作简单方便，可实现波浪力、水弹性及兴波的同步测量。

Description

一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置及方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置及方法。
背景技术
随着船舶与海洋工程的发展，船舶大型化成为较为明显的发展方向和发展趋势，几十万吨级以上的大型船舶开始逐渐成为海洋中常见的船舶。船舶大型化的发展对船舶设计提出了更高的挑战，其中，建立有效准确的船舶水动力实验方法是满足船舶大型化设计的实验要求之一。
在诸多的研究方法之中，船模实验是重要的手段之一。船舶结构大型化，其结构的相对刚度将变“软”，视船体为刚性体的传统波浪载荷预报方法出现明显不足。船模实验时应当计及船舶水弹性的影响，合理的船模水弹性测量显得十分重要。另外，传统船舶波浪载荷测量手段主要是使用单点单向测力传感器，但船舶尺度的增大，单点式测量将会导致传感器受力较大，且单点固定无法为船模提供足够的支撑刚度，这将可能导致测量失败甚至仪器设备的损坏和实验的失败。最后，在上述载荷测量过程中，不能忽视掉船体的兴波，船体周围的兴波往往与船模的载荷受力息息相关，准确的测量兴波也是非常重要的，但传统基于电容式钽丝浪高仪由于与水面有接触，受环境影响大，存在测量精度不高且实验设备易损等诸多缺点。上述现象均为大型船舶物理模型实验中亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置及方法，其结构设计布局合理，操作简单方便，可实现波浪力、水弹性及兴波的同步测量。
为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，包括分段船模壳体，所述分段船模壳体包括第一段船模壳体、第二段船模壳体和第三段船模壳体，在每段船模壳体内部设有固定横梁，所述固定横梁与等效刚度连续梁铰支连接，连接节点分别为A、B、C，在连接节点B的两侧设有三分力仪传感器，所述三分力仪传感器顶部与钢结构支架的底板相连，所述三分力仪传感器底部连接在等效刚度连续梁上，在等效刚度连续梁的连接节点处分别粘贴有应变片a，相邻两个应变片a之间设有应变片b，所述应变片b粘贴在等效刚度连续梁底部且位于三分力仪传感器下方；在分段船模壳体外部两侧对称设有多组无接触式超声波浪高仪，所述无接触式超声波浪高仪、三分力仪传感器、应变片a、应变片b均通过数据线与动态信号数据采集器相连，所述动态信号数据采集器通过数据线与计算机相连。
进一步的，在每个固定横梁上设有连接座，所述连接座上设有可供等效刚度连续梁穿过的通孔，所述等效刚度连续梁通过销栓与连接座紧固。
进一步的，每段船模壳体之间通过防水硅胶相连，并在防水硅胶外侧覆盖有防水胶带。
进一步的，所述钢结构支架包括底板以及连接在底板上的垂直固定板，所述垂直固定板通过螺栓固定于船模拖曳水池的拖车系统上，在垂直固定板的侧壁与底板之间设有加强筋板。
进一步的，所述无接触式超声波浪高仪通过支撑架分别固定在分段船模壳体首部、中部和尾部的两侧，所述支撑架包括垂直连接的水平支撑板和竖板，所述竖板通过螺钉连接在分段船模壳体上，所述水平支撑板上通过螺栓固定有无接触式超声波浪高仪。
更进一步的，所述等效刚度连续梁可选用不同材料来模拟实际船体刚度。
更进一步的，所述三分力仪传感器与等效刚度连续梁上B点的距离是在0.4倍的分段船模壳体总长度之内。
本申请第二方面提供了一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量方法，包括如下步骤：将两个三分力仪传感器分别布置于等效刚度连续梁AB段和BC段的中点处，通过三分力仪传感器分别测出等效刚度连续梁AB段和BC段的跨中荷载值，其包括水平方向分力Fh1、Fh2与垂直方向分力Fv1、Fv2；
分段船模壳体水平受力Fh船与垂向受力Fv船根据所测得的水平方向分力Fh1、Fh2和垂直方向分力Fv1、Fv2求得，
Fh船＝Fh1＝Fh2 (1)
Fv船＝Fv1+Fv2 (2)
通过Fh船与Fv船得出船模波浪力；还可通过等效刚度连续梁与固定横梁连接节点处的节点平衡条件得出各连接节点处的转角位移、弯矩与剪力，具体实现方法如下：
首先，等效刚度连续梁各连接节点处的梁端力由两个部分组成，即固端力与位移力，其表达形式如下所示，
MAB＝MAB1+M'AB (3)
NAB＝NAB1+N'AB (4)
其中，上述公式中MAB表示AB段A节点的实际弯矩值，NAB表示AB段A节点的实际剪力值；下标含“1”表示固端力，上标含“'”表示位移力；
其固端力MAB1、NAB1是与受力有关的值，经三分力仪传感器测得的垂直方向分力分别为Fv1、Fv2，根据此值得出等效刚度连续梁AB段和BC段的固端弯矩、剪力表达式为，
Figure BDA0002447295010000041
Figure BDA0002447295010000042
其中，MAB1表示AB段梁的跨中载荷引起的A端弯矩值，MBA1表示AB段梁的跨中载荷引起的B端弯矩值，MBC1表示BC段梁的跨中载荷引起的B端弯矩值，MCB1表示BC段梁的跨中载荷引起的C端弯矩值；NAB1表示AB段梁的跨中载荷引起的A端剪力值，NBA1表示AB段梁的跨中载荷引起的B端剪力值，NBC1表示BC段梁的跨中载荷引起的B端剪力值，NCB1表示BC段梁的跨中载荷引起的C端剪力值；式中已知值l为等效刚度连续梁AB段和BC段的长度；
其杆端力M'AB、N'AB是与位移有关的值，根据等效刚度连续梁为双跨连续梁不可动刚架结构模型，节点处存在未知量转角位移值θA、θB、θC，则AB段的梁端位移弯矩、剪力表达式为，
Figure BDA0002447295010000051
Figure BDA0002447295010000052
同理BC段的梁端位移弯矩、剪力表达式，
Figure BDA0002447295010000053
Figure BDA0002447295010000054
其中，M'AB表示AB段梁A节点与B节点位移引起的A端弯矩值，M'BA表示AB段梁A节点与B节点位移引起的B端弯矩值，M'BC表示BC段梁B节点与C节点位移引起的B端弯矩值，M'CB表示BC段梁B节点与C节点位移引起的C端弯矩值，N'AB表示AB段梁A节点与B节点位移引起的A端剪力值，N'BA表示AB段梁A节点与B节点位移引起的B端剪力值，N'BC表示BC段梁B节点与C节点位移引起的B端剪力值，N'CB表示BC段梁B节点与C节点位移引起的C端剪力值；E表示等效刚度连续梁的弹性模量，I表示等效刚度连续梁剖面对中和轴的惯性矩，式中转角位移值θA、θB、θC为未知量，E、I均为已知量。
列取出等效刚度连续梁各连接节点处的弯矩平衡方程:∑M＝0，对上述转角位移值θA、θB、θC进行求解，由上述表达式(5)-(10)叠加写出如下具体表达形式，
Figure BDA0002447295010000061
Figure BDA0002447295010000062
Figure BDA0002447295010000063
对上述公式(11)-(13)进行联立求解，即可求得等效刚度连续梁各连接节点处转角位移值θA、θB、θC：
Figure BDA0002447295010000064
将转角位移值θA、θB、θC带入各连接节点处的实际梁端弯矩、剪力表达式中，得出等效刚度连续梁各连接节点处梁端弯矩MAB、MBA、MBC、MCB与剪力NAB、NBA、NBC、NCB即，
Figure BDA0002447295010000065
Figure BDA0002447295010000066
在该方法中，船模水平波浪力与垂向波浪力的值由公式(1)与公式(2)计算得出；等效刚度连续梁各连接节点处的转角位移值由公式(14)计算得出；等效刚度连续梁各连接节点处的弯矩值与剪力值通过公式(15)与公式(16)计算得出。
进一步的，上述方法还包括：在等效刚度连续梁三个连接节点A、B、C以及两个三分力仪传感器的测点处粘贴有应变片，通过应变片测量出相应位置的应变值εi；根据应变量εi，经由材料力学虎克定律计算得到等效刚度连续梁在各测点的弯曲应力值为，
σi＝Eεi (17)
再根据测点的弯曲应力值σi数据换算得到等效刚度连续梁该处的弯矩值Mi：
Figure BDA0002447295010000071
其中：σi为测点的弯曲应力值，εi为测点处的应变值，Mi为弯矩值，z值为测点处距离中和轴z方向的距离。
进一步的，在分段船模壳体外部两侧对称安装有多组无接触式超声波浪高仪，使用多组无接触式超声波浪高仪测出船模首部、中部及尾部等部位的波面数据，通过波面数据绘制出不同测点处的波面历时曲线；根据波面历时曲线，通过上跨零点法计算每一个波浪的波高值Ai；对于规则波作用的情况，采用算数平均的方法计算出平均波高值，
Figure BDA0002447295010000072
式中n表示规则波的数量；对于不规则波作用的情况，采用统计平均的方法计算有义平均波高值，统计采集到的所有波高值，将波高值按大小进行排序，完成后取前1/3大波进行平均计算，得到不规则波的有义平均波高值，
Figure BDA0002447295010000081
式中m表示不规则波的数量；由于每组的无接触式超声波浪高仪对称设置，故通过对称点取平均的方法来计算不同部位的兴波。
将上述三分力仪传感器、应变片、无接触式超声波浪高仪均连接于同一动态信号数据采集器上，对等效刚度连续梁的弯曲应力、船模壳体受力、船模壳体外部的波浪兴波选取同一时刻的一组数据进行对比分析，来验证波浪情况与船体受力的关联关系，实现同步测量的目的。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请采用水弹性船体模型，使用两个三分力仪传感器进行两点式波浪力测量，改善了传统实验使用刚体船模以及单向单点式测力方法不适用于大型船模实验的弊端。其提高了实验的测量精度，方法内实现互补验证，实验设备安装简单，操作较为便捷。
本申请实现了船模受力、船模水弹性及船模兴波的同步测量，可在船舶与海洋工程领域广泛推广。
附图说明
图1为本申请测量装置的纵向剖视图；
图2为本申请测量装置的横向剖视图；
图3为本申请中钢结构支架三视图；
图4为本申请中支撑架三视图；
图中序号说明：1：第一段船模壳体；2：第二段船模壳体；3：第三段船模壳体；4：钢结构支架；5：三分力仪传感器；6：连接座；7：等效刚度连续梁；8：应变片a；9：应变片b；10：无接触式超声波浪高仪；11：防水硅胶；12：固定横梁；13：动态数据信号采集器；A、B、C分别为固定横梁与等效刚度连续梁的连接节点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
实施例1
如图1-4所示，本实施例提供一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，包括分段船模壳体，所述分段船模壳体包括第一段船模壳体、第二段船模壳体和第三段船模壳体，每段船模外壳按照重力相似准则进行设计，并由一根模拟大型船模水弹性的等效刚度连续梁串联起来，所述等效刚度连续梁可用有限元的方法进行预设计以符合实验要求。其实现了由船模的外壳传递流体载荷并由等效刚度连续梁来模拟船舶的水弹性。
三分力仪传感器与等效刚度连续梁上B点的距离是在0.4倍的分段船模壳体总长度之内，并将两个三分力仪传感器布置于符合该条件下的等效刚度连续梁两个分段的中间点处；这样既满足了支撑固定船模的作用，还起到了作为力的集中作用点的作用，可便于测量出每段船模壳体两个连接点之中的梁内跨中载荷情况。
进一步地，将应变片粘贴于等效刚度连续梁与固定横梁的连接节点处以及三分力仪传感器安装部位，这样当应变片工作时，不仅会提供等效刚度连续梁在三分力仪传感器处的受力电信号，还将提供等效刚度连续梁与固定横梁连接节点处的应变应力情况。
为了达到同时观察测量波浪载荷作用时船模的兴波情况，本例在分段船模壳体首部、中部和尾部的两侧对称安装有无接触式超声波浪高仪，这三个部位是实验中较为典型的观察测量位置。
将三分力仪传感器、应变片以及无接触式超声波浪高仪通过数据线连接到同一台动态信号数据采集器上，再将动态信号数据采集器与计算机连接，这样便可同时接收到这三种仪器在同一时刻反馈的电信数据，方便于进行比较与分析，达到同时进行两点式测力计算、船舶的水弹性测算以及船模兴波测量的目的。本实施例中动态信号数据采集器优选型号为DH5922D；无接触式超声波浪高仪优选型号为UltraLab ULS HFx58；三分力仪传感器优选型号为LZ-SZ-02。
在实验开始前所有的设备安装、连接完毕，需要对实验涉及的设备仪器进行通电测试，并对初始状态进行标定，如三分力仪传感器的标定、各个浪高仪在静水状态下的距离标定工作等，以保证后续实验测量结果的准确性。
实施例2
本实施例提供了一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量方法，包括如下步骤：将两个三分力仪传感器分别布置于等效刚度连续梁AB段和BC段的中点处，通过三分力仪传感器分别测出等效刚度连续梁AB段和BC段的跨中荷载值，其包括水平方向分力Fh1、Fh2与垂直方向分力Fv1、Fv2；
分段船模壳体水平受力Fh船与垂向受力Fv船根据所测得的水平方向分力Fh1、Fh2和垂直方向分力Fv1、Fv2求得，
Fh船＝Fh1＝Fh2 (1)
Fv船＝Fv1+Fv2 (2)
通过Fh船与Fv船得出船模波浪力；还通过等效刚度连续梁与固定横梁连接节点处的节点平衡条件得出各连接节点处的转角位移、弯矩与剪力，具体实现方法如下：
首先，等效刚度连续梁各连接节点处的梁端力由两个部分组成，即固端力与位移力，其表达形式如下所示，
MAB＝MAB1+M'AB (3)
NAB＝NAB1+N'AB (4)
其中，上述公式中MAB表示AB段A节点的实际弯矩值，NAB表示AB段A节点的实际剪力值；下标含“1”表示固端力，上标含“'”表示位移力；
其固端力MAB1、NAB1是与受力有关的值，经三分力仪传感器测得的垂直方向分力分别为Fv1、Fv2，根据此值得出等效刚度连续梁AB段和BC段的固端弯矩、剪力表达式为，
Figure BDA0002447295010000121
Figure BDA0002447295010000122
其中，MAB1表示AB段梁的跨中载荷引起的A端弯矩值，MBA1表示AB段梁的跨中载荷引起的B端弯矩值，MBC1表示BC段梁的跨中载荷引起的B端弯矩值，MCB1表示BC段梁的跨中载荷引起的C端弯矩值；NAB1表示AB段梁的跨中载荷引起的A端剪力值，NBA1表示AB段梁的跨中载荷引起的B端剪力值，NBC1表示BC段梁的跨中载荷引起的B端剪力值，NCB1表示BC段梁的跨中载荷引起的C端剪力值；式中已知值l为等效刚度连续梁AB段和BC段的长度；
其杆端力M'AB、N'AB是与位移有关的值，根据等效刚度连续梁为双跨连续梁不可动刚架结构模型，节点处存在未知量转角位移值θA、θB、θC，则AB段的梁端位移弯矩、剪力表达式为，
Figure BDA0002447295010000123
Figure BDA0002447295010000124
同理BC段的梁端位移弯矩、剪力表达式，
Figure BDA0002447295010000125
Figure BDA0002447295010000126
其中，M'AB表示AB段梁A节点与B节点位移引起的A端弯矩值，M'BA表示AB段梁A节点与B节点位移引起的B端弯矩值，M'BC表示BC段梁B节点与C节点位移引起的B端弯矩值，M'CB表示BC段梁B节点与C节点位移引起的C端弯矩值，N'AB表示AB段梁A节点与B节点位移引起的A端剪力值，N'BA表示AB段梁A节点与B节点位移引起的B端剪力值，N'BC表示BC段梁B节点与C节点位移引起的B端剪力值，N'CB表示BC段梁B节点与C节点位移引起的C端剪力值；E表示等效刚度连续梁的弹性模量，I表示等效刚度连续梁剖面对中和轴的惯性矩，式中转角位移值θA、θB、θC为未知量，E、I均为已知量。所述等效刚度连续梁各连接节点处转角位移值θA、θB、θC由公式(7)-(10)即杆端力引出，并由节点平衡条件通过Fv1和Fv2的测量结果得出；列取出等效刚度连续梁各连接节点处的弯矩平衡方程:∑M＝0，对上述转角位移值θA、θB、θC进行求解，由上述表达式(5)-(10)叠加写出如下具体表达形式，
Figure BDA0002447295010000131
Figure BDA0002447295010000132
Figure BDA0002447295010000133
对上述公式(11)-(13)进行联立求解，即可求得等效刚度连续梁各连接节点处转角位移值θA、θB、θC：
Figure BDA0002447295010000134
得出上述各转角位移值θA、θB、θC后，根据三分力仪传感器的测量结果Fv1和Fv2得出等效刚度连续梁各连接节点处弯矩、剪力值；将转角位移值θA、θB、θC带入各连接节点处的实际梁端弯矩、剪力表达式中，得出等效刚度连续梁各连接节点处梁端弯矩MAB、MBA、MBC、MCB与剪力NAB、NBA、NBC、NCB即，
Figure BDA0002447295010000141
Figure BDA0002447295010000142
在上述方法中，船模水平波浪力与垂向波浪力的值由公式(1)与公式(2)计算得出；等效刚度连续梁各连接节点处的转角位移值由公式(14)计算得出；等效刚度连续梁各连接节点处的弯矩值与剪力值通过公式(15)与公式(16)计算得出。
进一步的，上述方法还包括：在等效刚度连续梁三个连接节点A、B、C以及两个三分力仪传感器的测点处粘贴有应变片，通过应变片测量出相应位置的应变值εi；根据应变量εi，经由材料力学虎克定律计算得到等效刚度连续梁在各测点的弯曲应力值为，
σi＝Eεi (17)
再根据测点的弯曲应力值σi数据换算得到等效刚度连续梁该处的弯矩值Mi：
Figure BDA0002447295010000143
其中：σi为测点的弯曲应力值，εi为测点处的应变值，Mi为弯矩值，z值为测点处距离中和轴z方向的距离。
进一步的，本例在分段船模壳体外部两侧对称安装有三组无接触式超声波浪高仪，由无接触式超声波浪高仪发射脉冲信号，在空气中垂直传到水面反射至接收器，使用三组无接触式超声波浪高仪测出船模首部、中部及尾部的波面数据，通过波面数据绘制出不同测点处的波面历时曲线；根据波面历时曲线，通过上跨零点法计算每一个波浪的波高值Ai；对于规则波作用的情况，采用算数平均的方法计算出平均波高值，
Figure BDA0002447295010000151
式中n表示规则波的数量；对于不规则波作用的情况，采用统计平均的方法计算有义平均波高值，统计采集到的所有波高值，将波高值按大小进行排序，完成后取前1/3大波进行平均计算，得到不规则波的有义平均波高值，
Figure BDA0002447295010000152
式中m表示不规则波的数量；由于每组的无接触式超声波浪高仪对称设置，故通过对称点取平均的方法来计算不同部位的兴波。
将上述三分力仪传感器、应变片、无接触式超声波浪高仪均连接于同一动态信号数据采集器上，对等效刚度连续梁的弯曲应力、船模壳体受力、船模壳体外部的波浪兴波选取同一时刻的一组数据进行对比分析，来验证波浪情况与船体受力的关联关系，实现同步测量的目的。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，其特征在于，包括分段船模壳体，所述分段船模壳体包括第一段船模壳体、第二段船模壳体和第三段船模壳体，在每段船模壳体内部设有固定横梁，所述固定横梁与等效刚度连续梁铰支连接，连接节点分别为A、B、C，在连接节点B的两侧设有三分力仪传感器，所述三分力仪传感器顶部与钢结构支架的底板相连，所述三分力仪传感器底部连接在等效刚度连续梁上，在等效刚度连续梁的连接节点处分别粘贴有应变片a，相邻两个应变片a之间设有应变片b，所述应变片b粘贴在等效刚度连续梁底部且位于三分力仪传感器下方；在分段船模壳体外部两侧对称设有多组无接触式超声波浪高仪，所述无接触式超声波浪高仪、三分力仪传感器、应变片a、应变片b均通过数据线与动态信号数据采集器相连，所述动态信号数据采集器通过数据线与计算机相连。
2.根据权利要求1所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，其特征在于，在每个固定横梁上设有连接座，所述连接座上设有供等效刚度连续梁穿过的通孔，所述等效刚度连续梁通过销栓与连接座紧固。
3.根据权利要求1所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，其特征在于，每段船模壳体之间通过防水硅胶相连，并在防水硅胶外侧覆盖有防水胶带。
4.根据权利要求1所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，其特征在于，所述钢结构支架包括底板以及连接在底板上的垂直固定板，所述垂直固定板通过螺栓固定于船模拖曳水池的拖车系统上，在垂直固定板的侧壁与底板之间设有加强筋板。
5.根据权利要求1所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，其特征在于，所述无接触式超声波浪高仪通过支撑架分别固定在分段船模壳体首部、中部和尾部的两侧，所述支撑架包括垂直连接的水平支撑板和竖板，所述竖板通过螺钉连接在分段船模壳体上，所述水平支撑板上通过螺栓固定有无接触式超声波浪高仪。
6.根据权利要求1所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量装置，其特征在于，所述三分力仪传感器与等效刚度连续梁上B点的距离是在0.4倍的分段船模壳体总长度之内。
7.一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量方法，其特征在于，包括如下步骤：将两个三分力仪传感器分别布置于等效刚度连续梁AB段和BC段的中点处，通过三分力仪传感器分别测出等效刚度连续梁AB段和BC段的跨中荷载值，其包括水平方向分力Fh1、Fh2与垂直方向分力Fv1、Fv2；
分段船模壳体水平受力Fh船与垂向受力Fv船根据所测得的水平方向分力Fh1、Fh2和垂直方向分力Fv1、Fv2求得，
Fh船＝Fh1＝Fh2 (1)
Fv船＝Fv1+Fv2 (2)
通过Fh船与Fv船得出船模波浪力；还通过等效刚度连续梁与固定横梁连接节点处的节点平衡条件得出各连接节点处的转角位移、弯矩与剪力，具体实现方法如下：
首先，等效刚度连续梁各连接节点处的梁端力由两个部分组成，即固端力与位移力，其表达形式如下所示，
MAB＝MAB1+M'AB (3)
NAB＝NAB1+N'AB (4)
其中，上述公式中MAB表示AB段A节点的实际弯矩值，NAB表示AB段A节点的实际剪力值；下标含“1”表示固端力，上标含“'”表示位移力；
其固端力MAB1、NAB1是与受力有关的值，经三分力仪传感器测得的垂直方向分力分别为Fv1、Fv2，根据此值得出等效刚度连续梁AB段和BC段的固端弯矩、剪力表达式为，
Figure FDA0002447293000000031
Figure FDA0002447293000000032
其中，MAB1表示AB段梁的跨中载荷引起的A端弯矩值，MBA1表示AB段梁的跨中载荷引起的B端弯矩值，MBC1表示BC段梁的跨中载荷引起的B端弯矩值，MCB1表示BC段梁的跨中载荷引起的C端弯矩值；NAB1表示AB段梁的跨中载荷引起的A端剪力值，NBA1表示AB段梁的跨中载荷引起的B端剪力值，NBC1表示BC段梁的跨中载荷引起的B端剪力值，NCB1表示BC段梁的跨中载荷引起的C端剪力值；式中已知值l为等效刚度连续梁AB段和BC段的长度；
其杆端力M'AB、N'AB是与位移有关的值，根据等效刚度连续梁为双跨连续梁不可动刚架结构模型，节点处存在未知量转角位移值θA、θB、θC，则AB段的梁端位移弯矩、剪力表达式为，
Figure FDA0002447293000000041
Figure FDA0002447293000000042
同理BC段的梁端位移弯矩、剪力表达式，
Figure FDA0002447293000000043
Figure FDA0002447293000000044
其中，M'AB表示AB段梁A节点与B节点位移引起的A端弯矩值，M'BA表示AB段梁A节点与B节点位移引起的B端弯矩值，M'BC表示BC段梁B节点与C节点位移引起的B端弯矩值，M'CB表示BC段梁B节点与C节点位移引起的C端弯矩值，N'AB表示AB段梁A节点与B节点位移引起的A端剪力值，N'BA表示AB段梁A节点与B节点位移引起的B端剪力值，N'BC表示BC段梁B节点与C节点位移引起的B端剪力值，N'CB表示BC段梁B节点与C节点位移引起的C端剪力值；E表示等效刚度连续梁的弹性模量，I表示等效刚度连续梁剖面对中和轴的惯性矩，式中转角位移值θA、θB、θC为未知量，E、I均为已知量；
列取出等效刚度连续梁各连接节点处的弯矩平衡方程:∑M＝0，对上述转角位移值θA、θB、θC进行求解，由上述表达式(5)-(10)叠加写出如下具体表达形式，
Figure FDA0002447293000000051
Figure FDA0002447293000000052
Figure FDA0002447293000000053
对上述公式(11)-(13)进行联立求解，即可求得等效刚度连续梁各连接节点处转角位移值θA、θB、θC，
Figure FDA0002447293000000054
将转角位移值θA、θB、θC带入各连接节点处的实际梁端弯矩、剪力表达式中，得出等效刚度连续梁各连接节点处梁端弯矩MAB、MBA、MBC、MCB与剪力NAB、NBA、NBC、NCB即，
Figure FDA0002447293000000055
Figure FDA0002447293000000056
在该方法中，船模水平波浪力与垂向波浪力的值由公式(1)与公式(2)计算得出；等效刚度连续梁各连接节点处的转角位移值由公式(14)计算得出；等效刚度连续梁各连接节点处的弯矩值与剪力值通过公式(15)与公式(16)计算得出。
8.根据权利要求7所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量方法，其特征在于，上述方法还包括：在等效刚度连续梁三个连接节点A、B、C以及两个三分力仪传感器的测点处粘贴有应变片，通过应变片测量出相应位置的应变值εi；根据应变量εi，经由材料力学虎克定律计算得到等效刚度连续梁在各测点的弯曲应力值为，
σi＝Eεi (17)
再根据测点的弯曲应力值σi数据换算得到等效刚度连续梁该处的弯矩值Mi：
Figure FDA0002447293000000061
其中：σi为测点的弯曲应力值，εi为测点处的应变值，Mi为弯矩值，z值为测点处距离中和轴z方向的距离。
9.根据权利要求7所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量方法，其特征在于，在分段船模壳体外部两侧对称安装有多组无接触式超声波浪高仪，使用多组无接触式超声波浪高仪测出船模首部、中部及尾部的波面数据，通过波面数据绘制出不同测点处的波面历时曲线；根据波面历时曲线，通过上跨零点法计算每一个波浪的波高值Ai；对于规则波作用的情况，采用算数平均的方法计算出平均波高值，
Figure FDA0002447293000000062
式中n表示规则波的数量；对于不规则波作用的情况，采用统计平均的方法计算有义平均波高值，统计采集到的所有波高值，将波高值按大小进行排序，完成后取前1/3大波进行平均计算，得到不规则波的有义平均波高值，
Figure FDA0002447293000000071
式中m表示不规则波的数量；由于每组的无接触式超声波浪高仪对称设置，故通过对称点取平均的方法来计算不同部位的兴波。
10.根据权利要求7-9任一项所述一种用于船模水弹性实验的波浪力及兴波测量方法，其特征在于，将三分力仪传感器、应变片、无接触式超声波浪高仪均连接于同一动态信号数据采集器上，对等效刚度连续梁的水弹性、船模的受力、船模壳体外部的波浪兴波选取同一时刻的一组数据进行对比分析，来验证波浪情况与船体受力的关联关系，实现同步测量的目的。
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