CN113306674B - 一种舰船破舱模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶海洋相关技术领域，并公开了一种舰船破舱模拟装置及方法。该装置包括船体模型和设置在船体模型中的注排水单元和测量单元，其中：船体模型呈中空状，中空部分被分隔为多个舱室，舱室包括进水舱和非进水舱，进水舱中设置有平行于船头与船尾连线的隔板，该隔板将进水舱分隔为两个子进水舱，注排水单元用于向进水舱中注水和排水，以此模拟舰船不同位置进水后的破舱状态；测量单元用于测量进水舱进水后，船体模型横向和纵向的倾角、进水深度以及吃水深度。同时，本发明还公开了上述装置测量进水量，平均吃水以及当前横稳性高的方法。通过本发明，解决舰船破舱进水状态的模拟以及破舱中状态参数的求解问题。

Description

一种舰船破舱模拟装置及方法

技术领域

本发明属于船舶海洋相关技术领域，更具体地，涉及一种舰船破舱模拟装置及方法。

背景技术

随着我国经济高速发展及进出口贸易进一步增加，海上交通运输日益繁忙，大型化、现代化的船舶数量不断增加，在进行海上作业时，不可避免地会触礁或受到撞击发生破损。目前大部分舰船上没有监测船舶姿态的装置，没有常规的方法解决，更多的是依靠舰船管理人员的经验调整压载自救或等待海上救捞队支援。由于船舶整体破损时复杂的进水情况、姿态变化和稳性改变，现行的实验方法中仍没有较常规可靠的方法来研究船舶整体破损，因此进行船舶破舱模拟实验方法研究十分必要。处于不同破损进水状态下船模的进水量、姿态、稳性改变信息，

目前，急需一种能进行船舶破舱模拟实验，且能通过模拟实验获取得到抛载多少或调整压载大小实现浮态调整的情况集合的装置和方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种舰船破舱模拟装置及方法，解决舰船破舱进水状态的模拟以及破舱中状态参数的求解问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种舰船破舱模拟装置，该装置包括船体模型和设置在船体模型中的注排水单元和测量单元，其中：

所述船体模型呈中空状，中空部分被分隔为多个舱室，舱室包括进水舱和非进水舱，所述进水舱中设置有平行于所述船头与船尾连线的隔板，该隔板将所述进水舱分隔为两个子进水舱，所述注排水单元用于向所述进水舱中注水和排水，以此模拟舰船不同位置进水后的破舱状态；所述测量单元用于测量所述进水舱进水后，所述船体模型横向和纵向的倾角、进水深度以及吃水深度。

进一步优选地，所述测量单元包括倾角传感器、水深压力传感器和吃水深压力传感器，所述倾角传感器设置在所述船体模型的中央，所述水深压力传感器设置在所述子进水舱内壁的底部，每个子进水舱内设置两个，对称设置在靠舯角落，所述吃水深压力传感器设置在所述子进水舱的外壁底部，每个字进水舱设置两个分布于靠船首和靠船尾的底部。

进一步优选地，所述装置还包括重量调节单元，以此调节所述船体模型进水后的平衡状态。

进一步优选地，所述重量调节单元包括设置在横向，纵向和垂向三方向的子单元，分别用于调节不同方向上的平衡，每个子单元包括轨道和设置在轨道上的滑动压载，通过调节所述滑动压载在轨道上的位置调节平衡。

进一步优选地，所述注排水单元包括入水口和进水口，入水口设置在所述非进水舱的底部，进水口设置在所述子进水舱中，所述入水口和进水口之间通过管道连接，管道上设置有阀门。

进一步优选地，所述测量单元还包括加速度传感器，该加速度传感器分布在所述船体模型的船首和船尾两侧。

进一步优选地，所述非进水舱设置在相邻的进水舱之间。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用上述所述的装置获取舰船参数的方法，所述舰船参数包括子进水舱中的进水量、平均吃水和当前的横稳性高，其中，所述子进水舱中的进水量按照下列关系式计算：

其中，A_i是子进水舱中进水部分第i个截面的截面积，

是船体模型的横倾角，y是船宽坐标，为原点，f_i(y)是第i个截面横截面曲线的近似方程；

其中，V进水体积，n是进水舱被等分的总数，L₀是进水舱长度。

进一步优选地，所述平均吃水按照下列关系式计算：

其中，d′是平均吃水，θ是船体模型的纵倾角，x₁,y₁分别是靠近船首端的压力传感器的横纵坐标。

进一步优选地，所述当前的横稳性高按照下列方式计算，首先将进水舱分为第一类破损舱室、第二类破损舱室或第三类破损舱室，然后不同类型的舱室按照下列方式计算当前的横稳性高：

对于第一类破损舱室，当前的横稳性高

为：

对于第二类破损舱室，当前的横稳性高

为：

对于第三类破损舱室，船模原横稳性高为

进水舱形心坐标为 (x，y，z)，当前的横稳性高

为：

其中，I_T′为剩余水线面面积对通过其漂心的横向惯性矩,I_T为原水线面面积对通过其漂心的横向惯性矩，z_B，z_G分别为原船的浮心和重心的垂向坐标，ω是水的密度，V是上述公式计算出的进水体积，Z是垂向坐标，Δ是船体模型初始状态的排水量。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中通过将船体模型的中空部分划分为多个进水舱和非进水舱，进水舱又划分为两个子进水舱，子进水舱分别分布在船体模型的两侧，通过在不同位置处的子进水舱注水和排水，能实现多种舰船破舱姿态的模拟；

2.本发明中设置有重量调节单元，该重量调节单元在进水舱中进水后能从三个方向平衡和调节船体模型的平衡，有效模拟船体模型进水后仍保持平衡的状态；

3.本发明设置的舰船破舱模拟装置是利用划分好进水舱功能的全船模型，通过船底开设进水管路和对应阀门，实现单舱或多舱进水，并依靠倾角传感器、压力传感器和加速度传感器可实现船模的进水量、姿态监测和横稳性高的计算，模拟实际的舰船破舱状态，结构简单，计算结果准确，模拟准确；

4.本发明结构简单，方便且实用，可根据不同需求模拟多舱室和单舱室破损进水，利用压力传感器和加速度传感器获取舱室进水深度并监测船模的进水过程；利用重量调节单元滑块的移动可以实现船舶浮态的复原；利用进水阀的启闭控制、左右联通阀的启闭以及低于水线的第二甲板的启闭可以实现多种破损舱室的模拟。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的舰船破舱模拟装置整体结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的传感器位置布置示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的注排水单元的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-船体模型，2-横向重量调节单元，3-进水舱，4-非进水舱，5-纵向重量调节单元，6-垂向重量调节单元，7-加速度传感器，8-测进水深压力传感器，9-倾角传感器，10-测吃水深的压力传感器，11-阀门。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种舰船破舱模拟装，包括用于承载仪器和舱室划分的船体模型1，用于控制舱室进水的注排水单元，用于测量船模横向和纵向倾角的倾角传感器9，用于测量舱室进水深度和船模某处的测吃水深的压力传感器10，用于测量首尾加速度的加速度传感器7，用于调整船模浮态的重量调节单元。

船体模型1采用304不锈钢或防腐性能更优的材质制成，整体采用骨架结构形式，船模甲板表面设置一水平骨架，纵舱壁及局部加强筋提供纵向强度并分隔左右舱室。船体模型沿纵向被分为若干个不同舱室，舱室间由水密横舱壁分隔，每个进水舱3间隔一个非进水舱4。个别进水舱加设一层低于水线的、可开关的第二甲板，用以实现I类破损舱室的模拟。

注排水单元的入水口设置在非进水舱4的底部，进水舱左右设置一个位于进水舱一侧横舱壁底部的进水口，管路由入水口起，分别引向两进水口，与其搭配的是两只可远程控制启闭的阀门11，两阀门可单独启闭以此实现进水舱左右舱的单侧或双侧进水。进水舱3纵舱壁底部设置一启闭阀负责连接或隔断左右舱室。排水时主要依靠管路单元，可配备一抽水机辅助排水。

倾角传感器9布置于船舯甲板平面上，用以监控船模的横向和纵向倾角，即船模姿态变化。

测进水深压力传感器8用于测量舱室进水深度的压力，布置于进水舱底部，左右舱室靠舯角落各布置两个，即一个进水舱布置四个压力传感器。

测吃水深的压力传感器10用于测量船模某处吃水深的压力，布置于进水舱底部，安装位置与外界直接接触，安装接口做水密处理。共布置两个，分布于靠船首侧舱室底部和靠船尾侧舱室底部。

加速度传感器7共两只，布置于船首和船尾的甲板平面上，用于监测船舶运动过程中的加速度信息。

重量调节单元分为横向、纵向、垂向三类，各包括两条轨道和两块可滑动压载，横向重量调节单元2分布在靠船首和船尾的甲板平面上，纵向重量调节单元5分布在船舶甲板平面的左右舷边上，垂向重量调节单元6 分布在两个分别靠近船首和船尾的非进水舱内。

使用舰船破舱模拟装置在水池中进行破舱模拟的方法包括以下步骤：

装置下水前，将阀门、各类传感器、重量调节单元滑块均安装到指定位置，并将所有阀门调至关闭状态。将装置吊至水池中，调整船模上的零散压载，使船模保持在水平状态。

开启某进水舱对应的进水阀门，待达到需模拟破舱状态后，关闭阀门，视需模拟状态需求开启或关闭左右舱室联通阀。待船模浮态稳定后，读取压力传感器示数，获取进水舱进水深度和特定位置吃水深；读取倾角传感器示数，获取船模的横倾角和纵倾角信息；读取加速度传感器历史曲线，获取船舶运动信息。整合获得的数据，依照公式计算出：进水量、平均吃水、当前的横稳性高。

(1)进水量计算公式

通过对船模三维模型的进水舱进行纵向等分，利用切横截面的方法将进水量近似为多个不规则柱体或台体，同时将横倾及纵倾考虑进来，进而可计算出船舶在某一浮态下，单个舱室的进水量和进水体积大小。

设某等分截面上，进水部分截面积为A_i：

其中，

是船模的横倾角，y是船宽坐标，坐标轴原点位于船体模型的中纵剖面线底部，指向船舶右舷为横轴正向，指向船舶上方为纵轴正向， f_i(y)为此截面横截面曲线的近似方程。

那么进水体积V：

其中nn是进水舱被等分的总数，不少于20份，舱室被等分为(n+1)， L₀是进水舱长度，进水量即为ω·V。

(2)平均吃水计算公式

以船舯底部横向中点为原点建立坐标系，正向指向船首，得到靠近船首侧压力传感器坐标为(x₁，y₁)，设此传感器读取的传感器当前位置处的水深为d₁，则船舯处平均吃水d′：

其中，θ为船模的纵倾角。

(3)当前的横稳性高计算公式

由上述进水量计算得到舱室容量或进水体积V，又已知破舱进水前船模的排水量Δ，水的密度ω，进水舱形心(中心)横向坐标y，i_x为破舱内液体自由液面对其倾斜轴线的横向惯性矩，船模横倾角度为

则：

第一类破损舱室：舱室破损后水灌满整舱，舱顶部未破，舱内无自由液面。底部舱室全部进水后属于这一类。

第二类破损舱室：进水舱室未灌满，舱内水与外界不贯通，有自由液面。增加定量重量，有自由液面。注水舱和破洞被堵上的舱室属于该类。

第三类破损舱室：进水舱室未灌满，舱内水与外界贯通，有自由液面。

对于第一类破损舱室，当前的横稳性高

为：

对于第二类破损舱室，当前的横稳性高

为：

对于第三类破损舱室，船模原横稳性高为

进水舱形心坐标为 (x，y，z)，当前的横稳性高

为：

其中，I_T′为剩余水线面面积对通过其漂心的横向惯性矩,I_T为原水线面面积对通过其漂心的横向惯性矩，z_B，z_G分别为原船的浮心和重心的垂向坐标。

得到以上数据信息后，可计算出重量调节单元的滑块需要移动的距离，移动完成后，可观测到船舶恢复正常浮态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种舰船破舱模拟装置，其特征在于，该装置包括船体模型(1)和设置在船体模型中的注排水单元和测量单元，其中：

所述船体模型(1)呈中空状，中空部分被分隔为多个舱室，舱室包括进水舱(3)和非进水舱(4)，所述进水舱(3)中设置有平行于船头与船尾连线的隔板，该隔板将所述进水舱分隔为两个子进水舱，所述注排水单元用于向所述进水舱中注水和排水，以此模拟舰船不同位置进水后的破舱状态；所述测量单元用于测量所述进水舱进水后，所述船体模型横向和纵向的倾角、进水深度以及吃水深度；

所述装置还包括重量调节单元，以此调节所述船体模型进水后的平衡状态；所述重量调节单元包括设置在横向，纵向和垂向三方向的子单元，分别用于调节不同方向上的平衡，每个子单元包括轨道和设置在轨道上的滑动压载，通过调节所述滑动压载在轨道上的位置调节平衡。

2.如权利要求1所述的一种舰船破舱模拟装置，其特征在于，所述测量单元包括倾角传感器、水深压力传感器和吃水深压力传感器，所述倾角传感器设置在所述船体模型的中央，所述水深压力传感器设置在所述子进水舱内壁的底部，每个子进水舱内设置两个，对称设置在靠舯角落，所述吃水深压力传感器设置在所述子进水舱的外壁底部，每个子进水舱设置两个分布于靠船首和靠船尾的底部。

3.如权利要求1或2所述的一种舰船破舱模拟装置，其特征在于，所述注排水单元包括入水口和进水口，入水口设置在所述非进水舱的底部，进水口设置在所述子进水舱中，所述入水口和进水口之间通过管道连接，管道上设置有阀门，通过控制阀门启闭可改变进水舱室类型。

4.如权利要求1或2所述的一种舰船破舱模拟装置，其特征在于，所述测量单元还包括加速度传感器(7)，该加速度传感器分布在所述船体模型的船首和船尾两侧。

5.如权利要求1或2所述的一种舰船破舱模拟装置，其特征在于，所述非进水舱(4)设置在相邻的进水舱(3)之间。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的舰船破舱模拟装置获取舰船参数的方法，其特征在于，所述舰船参数包括子进水舱中的进水量、平均吃水和当前的横稳性高，其中，所述子进水舱中的进水量按照下列关系式计算：

其中，A_i是子进水舱中进水部分第i个截面的截面积，

是船体模型的横倾角，y是船宽坐标，f_i(y)是第i个截面横截面曲线的近似方程；

其中，V进水体积，n是进水舱被等分的总数，L₀是进水舱长度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述平均吃水按照下列关系式计算：

其中，d′是平均吃水，θ是船体模型的纵倾角，x₁，y₁分别是靠近船首端的压力传感器的横纵坐标。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述当前的横稳性高按照下列方式计算，首先将进水舱分为第一类破损舱室、第二类破损舱室或第三类破损舱室，然后不同类型的舱室按照下列方式计算当前的横稳性高：

对于第一类破损舱室，当前的横稳性高

为：

对于第二类破损舱室，当前的横稳性高

为：

对于第三类破损舱室，船模原横稳性高为

进水舱形心坐标为(x，y，z)，当前的横稳性高

为：

其中，I_T′为剩余水线面面积对通过其漂心的横向惯性矩，I_T为原水线面面积对通过其漂心的横向惯性矩，z_B，z_G分别为原船的浮心和重心的垂向坐标，ω是水的密度，V是进水体积，Z是垂向坐标，Δ是船体模型初始状态的排水量，d′是平均吃水。

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