CN115556899A - 波浪中船模破舱进水测量与控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波浪中船模破舱进水测量与控制装置，突破常用的破舱开口形式存在的局限性，设计一种多级磁吸式闸门装置，以实现波浪中船模破舱进水测量与控制。闸门形状与船体曲面形状相同但独立于船体，且通过电磁铁吸附在船舷那内侧，当磁铁断电时闸门受到舷外水压作用快速打开而脱离舷侧。多级闸门通过电磁铁吸附实现嵌套连接，每一级闸门磁铁通断电可以被控制，因此可以实现船体破损面积可变。该装置在没有复杂驱动装置和传动装置的情况下，实现闸门曲面与船型三维曲面一致、破口形状和大小可变、准时瞬态快开，结合液位测量组件和控制器指令运算，实现舱室进水以及破口流量系数精确测量与计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种船体安全测试技术，特别涉及一种波浪中船模破舱进水测量与控制装置。
背景技术
由于碰撞、搁浅、爆炸等原因造成船舶结构破损，破舱进水船舶由于浮态和稳性发生变化，使得船体倾斜、下沉，在波浪中产生摇摆运动。船舶破损生存能力就是在破损进水事故发生后船舶能够较长时间内避免沉没、倾覆等事故的能力。事故发生后，破损船舶应急响应一方面是采取自救措施以争取足够长救援时间，另一方面通过救援船舶实施有效的措施。在紧急情况下，复杂的环境中寻找应急响应的最佳措施并不显而易见。破舱进水船舶运动与完整船运动不同，受破损状态、舱内进水和海况影响显著而呈现出强非线性特征，而对破损船施加的营救行动对船体安全性的效果评估仍是复杂问题，应急响应预报模型仍需模型试验方法验证。
模型试验方法是验证预报模型有效性和提高精度的重要手段，但由于涉及的舱室模型比较复杂，在小尺度下舱室试验装置的研制缺乏经验。在实船研发中，国际海事组织、国际船级社协会、中国船级社等为了打破现有规范对破舱稳性设计的局限性并鼓励创新设计，推出了综合安全评估与基于风险的船舶设计相关指南，其中重要的内容是物理模型试验可以作为风险评估设计的替代评估方法，这保证了模型试验方法在实船研发和预报中认可方法。为此为了更真实的模拟船舶破损进水、排水，需要研发适用于波浪中船模破舱进水测量与控制装置。
在波浪中船舶发生破损，完整船体到破损船体的过渡通常是瞬间时刻，波浪环境及进水可能导致船舶的显著的水动力行为。为了再现、评估这种行为，在水池中破损船舶进水及波浪中运动模型试验，将在与预测船舶能够生存的最严重破损状态相对应的条件下进行。测量和调节破舱进水流动，目前实现技术仍不成熟且没有较多借鉴，特别是测量精度和调节效果仍不理想。应用较多的，在专利KR101261264B1、CN113335476A，以及参考文献Chadi Khaddaj-Mallat(OMAE2010-20047 OMAE2010-20048)、Pekka Ruponen等模型试验中均为滑轨式破口装置，整套机构只是驱动方式的不同如气缸或电机驱动，或者传动方式的不同如齿轮齿条式或线缆牵引式，都存在破口打开时响应速度慢、执行机构复杂而影响船体运动、破口形状单一不易调节、水密性差等局限性，特别是在波浪中破损试验时，难以满足来波达到有义波高的瞬间精确打开的要求。此外，为了准确捕捉实际流动特征，破口形状应与船体曲面相一致，滑轨式破口一般为平直或规则形状，适用于规则的平直舷侧船体曲面，无法以三维不规则船型曲面形式滑动。
发明内容
针对真实的模拟船舶破损进水、排水问题，提出了一种波浪中船模破舱进水测量与控制装置，测量破舱进水流量及调节破口得到的流体流动的实用方式，实现高质量调节破口且高精度测量流体流动。
本发明的技术方案为：一种波浪中船模破舱进水测量与控制装置，包括闸门、电磁吸附组件、液位测量组件和控制器；
所述闸门，设置在所述船体破舱位置内侧，并且限定用于通过所述破舱进水流动路径的可变破口；
所述电磁吸附组件，用于闸门固定吸附于所设置的船体破舱位置，并作为闸门打开或关闭的执行部件；
所述液位测量组件，用以测量浪高并为电磁吸附组件断电控制提供数据，还用以测量舱内液面高度以计算进水流量；
所述控制器接收液位测量组件测量的数据，输出控制指令至各个闸门对应的电磁吸附组件，进行破口测试。
优选的，所述闸门以电磁吸附的形式与舱室的舱壁密封连接，是一种多级电磁吸附的嵌套闸门。
优选的，所述嵌套闸门独立于舱室，曲面加工方式制作的嵌套闸门实现破口改变不更改舱壁结构。
优选的，所述嵌套闸门包括吸附于船模的舱室舱壁破口位置的外闸门和穿过外闸门的各级内闸门，或包括吸附于船模的舱室舱壁破口位置的外闸门和依次层层穿过的各级内闸门。
优选的，所述内闸门形状包括但不限于：方形门、梯形门、三角形门、圆形门、椭圆形门、泪滴形门、多边形门、菱形门，以及根据实船破口形式缩比的不规则形状。
优选的，所述控制器包括处理器和存储器，所述处理器根据液位计组件实时测量的液位高度，根据体积积分计算出实时的破舱进水流量，进而结合船型主参数求得破舱进水导致的船体转动惯量的变化，并基于破口进水截面积确定出流速，并将信息存于存储器；所述处理器根据液位测量组件实时测量舱内液位和舷外液面高度差，根据确定的流速，求解出破口的流量系数，并将信息存于存储器。
优选的，所述处理器读取的指令后送出，致使电磁吸附组件断电实现不同嵌套闸门破口打开，使得对于通过闸门的流量满足调节比，所述调节比由穿过所述闸门的流量的最大截面积与穿过所述闸门的流量的最小截面积来限定。
优选的，所述液位测量组件包括布置在来波方向的船模前方测量波高以及艏艉吃水的浪高仪、以及布置在舱室内各边沿位置以精确测量液位高度的液位仪。
优选的，所述舱室通过嵌入船体方式进行组合，船体甲板处布置有角度位移传感器，以测量船体运动，选定最严重破损状态相对应的条件横浪方向，记录最大横摇幅值，结合液位计测量的吃水，以衡量破损船危险程度。
优选的，所述舱室内存布置有与实船相似布置的排水组件，通过排水孔排水管实现可控排水，通过控制器计算出舱内积存的水的质量、船模运动与吃水、舱内进水的运动，衡量应急排水措施对破舱进水后应急措施的效果。
本发明的有益效果在于：本发明波浪中船模破舱进水测量与控制装置，通过多级电磁吸附式嵌套闸门装置实现波浪中船模破舱进水测量与控制装置，闸门可独立于舱模独立、经济的加工成多种满足多种破损工况的破口，多级嵌套能够实现不同调节比下破舱进水的控制；闸门与船型曲面形状一致，较简化的闸门结构更能保证了破舱前后进水流动真实特征；电磁吸附式闸门快开特性，能够保证在指定时刻瞬时快速打开指定闸门，从而精确捕捉瞬态水动力特征，也提升试验可重复性；破舱进水装置结构简单，无复杂的驱动和传动装置，破舱过程对船体运动影响小，方便船模重量控制和惯量调整；波浪中船模破舱进水测量与控制装置能够在基于进水流量精确测量的基础上，测量船体姿态和波浪中运动，以及破舱进水在波浪环境下的晃荡运动，使得试验能够选择更广泛的试验工况，更真实的模拟和在现实船破舱进水状态。
附图说明
图1为本发明船模破舱进水测量与控制装置示意图；
图2为本发明船模及舱室整体图；
图3为本发明舱室实物图；
图4为本发明三级嵌套闸门示意图；
图5为本发明三角形及圆形闸门示意图；
图6为本发明椭圆形及泪滴形闸门示意图；
图7为本发明多边形门及菱形门闸门示意图。
附图标识：10、闸门；11、外闸门；12、内闸门；20、电磁吸附组件；21、内电磁吸附组件；22、外电磁吸附组件；23、电池组；24、电源线；30、液位测量组件；31、浪高仪；32、液位仪；33、液位仪孔；40、控制器；41、处理器；42存储器；50、舱室；51、舱壁；52、方形门；53、梯形门；54、三角形门；55、圆形门；56、椭圆形门；57、泪滴形门；58、多边形门；59、菱形门；60、排水组件；61、排水孔；62、排水管；70、船模。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种用于波浪中船模破舱进水测量与控制装置，如图1所示包括闸门10、电磁吸附组件20、液位测量组件30和控制器40，闸门10设置在所述船体破舱位置内侧，并且限定用于通过所述破舱进水流动路径的可变破口。电磁吸附组件20用于闸门10固定吸附于所设置的船体破舱位置，并作为闸门10打开或关闭的执行部件。液位测量组件30用以测量浪高并为电磁吸附组件20断电控制提供数据，从而实现闸门30打开时间提供指令，还用以测量舱内液面高度以计算进水流量。控制器40接收液位测量组件30测量的数据，输出控制指令至各个闸门10对应的电磁吸附组件20，进行破口测试。
如图1、2所示，闸门10包括吸附于船模70的舱室舱壁51破口位置的外闸门11和穿过外闸门11的内闸门12。液位测量组件30包括布置在来波方向的船模70前方测量波高以及艏艉吃水的浪高仪31、以及布置在舱室50内各边沿位置以精确测量液位高度的液位仪32，液位仪32的信号传输线通过液位仪孔33接出。
如图3所示，电磁吸附组件20包括：内、外闸门(12、11)之间的内电磁吸附组件21、外闸门11与船体舷侧之间的外电磁吸附组件22、电池组23和电源线24，内电磁吸附组件21和外电磁吸附组件22中的电磁铁以两点或四点均匀布置在内、外闸门(12、11)的边缘凹槽处，电磁铁及电源线24接头采用防水防护，分别在内、外闸门(12、11)边框布置软体硅胶以保证在闸门打开之前保证舱室不透水；在进水试验完成后，恢复完整舱室时仍能保证闸门口的水密性良好。
控制器40包括处理器41和存储器42，所述处理器41能根据液位测量组件30实时测量舱内液位和舷外液面高度差，根据确定的流速，求解出破口的流量系数，并将信息存于存储器42。所述处理器41能根据液位计组件30实时测量的液位高度，根据体积积分计算出实时的破舱进水流量，进而结合船型主参数求得破舱进水导致的船体转动惯量的变化，并基于破口进水截面积确定出流速，并将信息存于存储器42。
所述处理器41能读取的指令还致使内外电磁吸附组件21、22断电实现不同破口打开，使得对于通过所述闸门11、12的流量满足调节比，所述调节比由穿过所述闸门的流量的最大截面积与穿过所述闸门的流量的最小截面积来限定。
所述处理器41通信地耦合并且能够由所述处理器41读取，并且在所述存储器42中存储有处理器能读取的指令，所述指令在被所述处理器41执行时导致所述处理器41来控制电磁吸附组件的断电时间，断电后所述闸门将失去吸附力且在船舷外水压力作用下快速打开。
所述闸门10可作为独立于舱室50而又以电磁吸附的形式与舱壁51密封连接，是一种多级电磁吸附的嵌套闸门，可应用如3D打印等高精度曲面加工方式制作多个独立闸门实现破口改变而无需更改舱壁51结构。如图4、7所示，同样以电磁吸附形式嵌入外闸门的内闸门组件形状包括但不限于：方形门52、梯形门53、三角形门54、圆形门55、椭圆形门56、泪滴形门57、多边形门58、菱形门(59)，以及根据实船破口形式缩比的不规则形状。而且在一个外闸门上嵌入的内闸门的个数不限为1个，可按要求设计多个不同排布的内闸门。内闸门也可由依次层层穿过的各级内闸门构成。
舱室50通过嵌入船体方式进行组合，船体甲板处布置有角度位移传感器，以测量船体运动，选定最严重破损状态相对应的条件横浪方向，记录最大横摇幅值，结合液位计测量的吃水，以衡量破损船危险程度。
舱室50内存布置有与实船相似布置的排水组件60，通过排水孔61排水管62实现可控排水，通过控制器40计算出舱内积存的水的质量、船模70运动与吃水、舱内进水的运动，衡量应急排水措施对破舱进水后应急措施的效果。
本公开描述了一种用于波浪中船模破舱进水测量与控制装置，提供了控制各种破口方案的多级闸门10装置，并测量可通过多种破口的舱室进水流量。通过打开相对船舶吃水线不同位置的内闸门12，结合舱室隔舱位置可实现波浪中不同淹水种类的淹水舱。淹水舱包含三种基本类型，第一种类型为舱室全部被淹，第二种类型为局部被淹但不和舷外水连通，第三种为局部被淹但与舷外水连通。同时设置舱室顶板处通风孔，实现与外界大气相通或不通的淹水舱。
电磁铁吸附组件20根据闸门湿面积大小、闸门形状，选择电磁铁长宽厚尺寸以及功率。浪高仪31置于来波前约1/4、1/2、1.0、1.5倍波长位置以及在艉柱位置，获得吃水和波浪相对船体运动。
在每个舱室的边布置两个液位仪，获得舱室进水的三维液位高度变化。控制器收集到浪高仪中波高信号，根据相对破口位置发出电磁铁断电指令，断电后所述闸门将失去吸附力且在船舷外水压力作用下快速打开。
与舱室50相吸附的外闸门11可根据实际做成大开口，以方便嵌入内闸门12。闸门组件可以做成二级嵌套(如图3实物图)但不限于二级嵌套，可为三级嵌套或更多级嵌套，如图4-7所示。任何内闸门和外闸门可以限定形状的任意组合，或者一定面积比的形状组合。
所述处理器41能读取的指令还致使内外电磁吸附组件20断电实现不同破口打开，以三级嵌套闸门为例如图4所示，三级闸门电源适于分别控制，在第三级最小闸门打开后，第二级和第三级闸门仍然可以根据需要适时打开，也可直接打开外闸门，以实现持续破舱并使得进口分阶段达到最大流量。
处理器41能根据液位计组件30实时测量的舱室50内相对的液位高度，根据体积积分和伯努利原理计算出实时的破舱进水量，记为V(t)。在进水过程的某个时刻t,总的舱室进水量已知，舱内液位和舷外液面高度差由液位测量组件实时测得，所以流量系数为：
其中t为第i个舱室累积进水时间，n为船模进水舱总个数，g为在试验环境下的重力加速度，Vi为第i个舱室进水量，Ti为船舶平衡吃水(浪高仪结合角度位移传感器计算获得)，Hi为舱内液位高度(液位仪检测)，S为破口进水截面积，ζ为流量系数。以上测量和计算信息均存储于存储器42。
舱室50通过嵌入船体方式进行组合，船体甲板处布置有角度位移传感器，以测量船体运动，选定最严重破损状态相对应的条件横浪方向，记录最大横摇幅值，结合液位计测量的吃水，以衡量破损船危险程度。
舱室50内存布置有与实船位置相当的缩尺的排水管62，通过可控排水流量的排水泵驱动，通过所述处理器41计算出舱内积存的水的质量，通过船模运动与吃水、舱内液舱水的运动衡量应急措施对破舱进水船舶的影响，此时船体进水量为：
其中t为船舶累积进水时间，t1为泵开始排水时刻，Qi为水泵抽水流量。由质量变化带来的惯量的变化为：
其中ρ为进水密度，B为船宽，Z为船舶重心高度。
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 (10)
1.一种波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，包括闸门、电磁吸附组件、液位测量组件和控制器；
所述闸门，设置在所述船体破舱位置内侧，并且限定用于通过所述破舱进水流动路径的可变破口；
所述电磁吸附组件，用于闸门固定吸附于所设置的船体破舱位置，并作为闸门打开或关闭的执行部件；
所述液位测量组件，用以测量浪高并为电磁吸附组件断电控制提供数据，还用以测量舱内液面高度以计算进水流量；
所述控制器接收液位测量组件测量的数据，输出控制指令至各个闸门对应的电磁吸附组件，进行破口测试。
2.根据权利要求1所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述闸门以电磁吸附的形式与舱室的舱壁密封连接，是一种多级电磁吸附的嵌套闸门。
3.根据权利要求2所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述嵌套闸门独立于舱室，曲面加工方式制作的嵌套闸门实现破口改变不更改舱壁结构。
4.根据权利要求3所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述嵌套闸门包括吸附于船模的舱室舱壁破口位置的外闸门和穿过外闸门的各级内闸门，或包括吸附于船模的舱室舱壁破口位置的外闸门和依次层层穿过的各级内闸门。
5.根据权利要求4所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述内闸门形状包括但不限于：方形门、梯形门、三角形门、圆形门、椭圆形门、泪滴形门、多边形门、菱形门，以及根据实船破口形式缩比的不规则形状。
6.根据权利要求5所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述控制器包括处理器和存储器，
所述处理器根据液位计组件实时测量的液位高度，根据体积积分计算出实时的破舱进水流量，进而结合船型主参数求得破舱进水导致的船体转动惯量的变化，并基于破口进水截面积确定出流速，并将信息存于存储器；
所述处理器根据液位测量组件实时测量舱内液位和舷外液面高度差，根据确定的流速，求解出破口的流量系数，并将信息存于存储器。
7.根据权利要求6所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述处理器读取的指令后送出，致使电磁吸附组件断电实现不同嵌套闸门破口打开，使得对于通过闸门的流量满足调节比，所述调节比由穿过所述闸门的流量的最大截面积与穿过所述闸门的流量的最小截面积来限定。
8.根据权利要求7所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述液位测量组件包括布置在来波方向的船模前方测量波高以及艏艉吃水的浪高仪、以及布置在舱室内各边沿位置以精确测量液位高度的液位仪。
9.根据权利要求8所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述舱室通过嵌入船体方式进行组合，船体甲板处布置有角度位移传感器，以测量船体运动，选定最严重破损状态相对应的条件横浪方向，记录最大横摇幅值，结合液位计测量的吃水，以衡量破损船危险程度。
10.根据权利要求8所述波浪中船模破舱进水测量与控制装置，其特征在于，所述舱室内存布置有与实船相似布置的排水组件，通过排水孔排水管实现可控排水，通过控制器计算出舱内积存的水的质量、船模运动与吃水、舱内进水的运动，衡量应急排水措施对破舱进水后应急措施的效果。
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