一种测量双体船横向弯矩的实验装置及实验方法与流程

本发明涉及测量双体船横向弯矩的实验装置及实验方法，属于双体船的测量领域。

背景技术：

进入新世纪以来，由于经济全球化的深入发展，世界各国之间的经贸往来也越来越频繁。伴随着世界航运市场的不断扩大，以及近年来人们关心的环境问题日益地突出，这些都促使着人们开发新的、高性能船型来代替已有的船型。而双体船作为一种重要的船型，以其独特的优势，越来越为人们所关注。由于双体船的两个片体间横向宽度较大，所以其比一般单体船具有更大的型宽，从而导致全船长宽比偏小，于是横向强度问题变的十分突出。总体来看，双体船沿宽度方向的尺寸浮动非常大，连接桥结构的高度和片体型深相差很多，因此连接桥处就变成了双体船结构的一处薄弱环节。当双体船在航行中遭遇横向波浪时，两个片体存在一定的吃水差，此种情况下浮力与重力的不平衡将完全由连接桥来承担。

目前对于双体船横向弯矩研究主要集中在外载荷计算、有限元数值仿真或拖曳水池中开展船模波浪载荷实验。前两种基本基于理论计算，授课过程中不能让学生进行直观的观察和实际的动手操作，对于加深学习印象方面存在一定的缺陷；后一种由于需要具备一定的试验条件，目前高校中建造的拖曳水池并不多，加之其试验成本比较大，在教学过程中存在一定的局限性，因此不适合在授课过程中对学生进行演示。由于以上客观因素，目前在教学过程中只是列出了双体船在横浪状态下的外力的探讨，缺乏经济、直观的教学实验器材让学生亲自动手操作从而获得深刻的理解。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种测量双体船横向弯矩的实验装置及实验方法，作为教学中的实验装置，通过每个加载水箱内的水的体积不同，模拟片体分别处于波峰与波谷，可以通过控制其相对高度来模拟不同的波高，以及配合使用循环泵、水速仪来模拟不同波浪下对应的水流速度，从而模拟双体船受到的横向弯矩，使实验真实，易观察，具有说服力。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的测量双体船横向弯矩的实验装置，该双体船由第一船体、第二船体和连接桥组成，连接桥与第一船体和第二船体分别连接，所述第一船体位于第一加载玻璃水箱内，第一加载玻璃水箱与第一循环水管连接，在第一循环水管上安装有第一循环泵，在第一循环水管与第一加载玻璃水箱连接的两个端口上分别安装有第一稳流玻璃水箱，第一循环水管的两个端口分别正对第一船体，在第一加载玻璃水箱内安装有测量循环水流速的第一水速仪；所述第二船体位于第二加载玻璃水箱内，第二加载玻璃水箱与第二循环水管连接，在第二循环水管上安装有第二循环泵，在第二循环水管与第二加载玻璃水箱连接的两个端口上分别安装有第二稳流玻璃水箱，第二循环水管的两个端口分别正对第二船体，在第二加载玻璃水箱内安装有测量循环水流速的第二水速仪；在第一船体上的横舱壁与连接桥相接触部位贴应变片，应变片通过导线与电荷放大器连接，电荷放大器依次与多通道信息采集仪和计算机连接。

作为优选，所述第一水速仪安装在第一T型刚性杆上，第一T型刚性杆通过第一固定套筒安装在第一加载玻璃水箱上。

作为优选，所述第二水速仪安装在第二T型刚性杆上，第二T型刚性杆通过第二固定套筒安装在第二加载玻璃水箱上。

作为优选，所述第一加载玻璃水箱和第二加载玻璃水箱上分别设有显示水深的刻度。

作为优选，所述第一船体、第二船体分别由聚氨酯软泡沫塑料制作，在第一船体、第二船体长度方向上的中间部位、肩部过渡处、尾部过渡处建造横舱壁。

一种上述的测量双体船横向弯矩的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)按照实验要求，将第一循环水管和第二循环水管安装完毕，向第一加载玻璃水箱和第二加载玻璃水箱注入等量的水；

(2)打开循环泵，让基台上装置里的水循环流动，通过调节循环泵的马力获得需要的水流速度，同时保证水速仪的测量数值相同，此时分别记录第一循环泵和第二循环泵上的马力数值，以便下次开启循环泵时进行调整水速；

(3)将双体船放入第一加载玻璃水箱和第二加载玻璃水箱内，调整船体平衡，然后在其中的一个加载水箱内加入一定量的水，并读出其数值(与上次记录的数值做差可得到注水的体积)，此时打开循环泵，调整到步骤(2)中所用的马力，观察各个水速仪的测量数值是否相同，若不同再进行微调，保证其数值相同，最后观察实验现象，并进行整理实验数据。

在本发明中，第一加载玻璃水箱和第二加载玻璃水箱内都有固定的水循环系统，加之配合使用水速仪，以模拟水的流速。船模由聚氨酯软泡沫塑料制作，这样可以保证实验船模具有一定的刚度使其在不受弯矩时保持平衡状态，当受到弯矩时会发生直观的变形，在弯矩消失后仍能回到原来状态。自由浮于水中，而不施加任何的约束，从而保证各个方向的自由度。船模在制作过程中，分别在中间部位、肩部过渡处、尾部过渡处建造横舱壁。盛放加载玻璃水箱的基台、循环水管等用刚性材料制作；水箱用玻璃制作其中包括两个大的加载水箱用来分别盛放每个片体，四个小型稳流水箱作为细输水管道的过渡，从而保证水流由急、细状态转变为大范围、缓慢流动状态，从而避免了水流对船体产生局部冲击力以及吸引力。

将基台按照船模的大小合理的固定在地上，然后将两个加载玻璃水箱放置在基台上，在每个加载水箱内的两侧分别放置两个稳流水箱，管道分别穿过加载水箱和稳流水箱，接口处用玻璃胶进行胶合。一个加载水箱和两个稳流水箱之间通过管道与循环泵连接，从而形成一个闭合的水循环系统，在保证每个加载水箱内的水位不发生变化的情况下，模拟水的流动性，从而产生水动压力。

实验时先分别在两个加载水箱里注入等量的水，记录其数值，开动水循环泵，使水循环流动。同时用水速仪测量其附近的水流速度，通过调整两个水泵马力的大小保证每个水速仪的测量值相同，记录循环泵的马力大小，以便二次开动水泵时方便调整。此时关闭循环泵，将船模放入水箱中，调整船模的平衡，平衡后在其中的一个片体水箱内单独加入水，使两个盛放片体的玻璃水箱形成一个水的高度差，以此来模拟一个片体位于波峰、一个片体位于波谷。然后，重新打开循环泵，通过微调保证水速仪测得的流速相同，以此来模拟波浪中受到水的水动压力。此时由于船体的重力、片体浮力、水动压力的横向分布不同，船舶在满足平衡状态的过程中，产生横倾运动，在横倾的过程中使船体的横向梁产生横向弯矩。

根据多次实验证明，横舱壁与连接桥相连处为应力集中区，故在实验中贴应变片时应变片贴在横舱壁与连接桥相连接处，此处受到的横向弯矩最大，这样可以使测量值更佳灵敏和明显。

一种测量双体船横向弯矩的实验装置在教学中主要由以下三方面优点：

(1)双体船舶受到的横向弯矩与总纵弯矩相比大很多，是双体船结构强度问题主要考虑方面。目前在教学中一般是基于理论的讲解而缺乏实际操作，从而使同学们对其认识不够。本实验装置验证了横向弯矩对船舶的危害，从而引起学生对双体船横向弯矩的重视。

(2)本实验装置的设计可以让学生对船舶横向强度有一个直观的认识，在具有直观认识的基础上掌握有关船舶横向弯矩方面的知识。

(3)本实验装置可以直接读取船舶横向弯曲时的力矩。在本实验装置的船模根据相似性理论设计与制作的前提下，本扭转实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际船舶的横向强度。

根据已有的研究，双体船在波浪中航行时，当浪向为90°或180°时，双体受到横向弯矩作用。当一个片体位于波谷，其吃水会比正浮吃水降低，所受浮力减至最小；另一个片体则恰好处于波峰位置，其吃水会比正浮吃水升高，所受浮力增加至最大。两片体间的浮力差也达到最大值，此时由于船体的重力、片体浮力、水动压力的横向分布不同，船舶在满足平衡状态的过程中，产生横倾运动，在横倾的过程中使船体的横向梁产生横向弯矩。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本实验装置是一种测量双体船横向弯距的装置，作为教学中的实验装置，通过每个加载水箱内的水的体积不同，模拟片体分别处于波峰与波谷，可以通过控制其相对高度来模拟不同的波高，从而模拟双体船受到的横向弯矩，使实验真实，易观察，具有说服力。

(2)现有的横向弯矩数值计算方法及软件只是基于理论，理解起来比较抽象，而本实验装置可以使学生了解船舶产生横向弯矩的基本成因及横向弯矩发生的基本原理，在实验中船模产生横向弯矩，可以使学生对双体船的横向弯矩问题有一个直观认识与理解。

(3)船模是由特殊材料制成的，当船模受到外力作用后会发生一定的变形，这样的视觉效果，在教学过程中让学生的印象深刻。

(4)本实验模型充分考虑了船体受到的动水压力，调节循环泵的马力以及配合水速仪的测量数值来模拟不同波浪下对应的水流速度。

(5)船模的测量仪器测出船模受到的横向弯矩，这样可以用来说明船模是因为受到横向弯矩作用而产生的变形，结合着测量数据，证明横向弯矩导致船舶发生横向弯曲。

(6)在本实验装置的船模根据相似性理论设计与制作的前提下，本实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际双体船舶的横向弯曲。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为玻璃加载水箱的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视示意图。

图4为图2的B-B剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的测量双体船横向弯矩的实验装置，该双体船由第一船体4、第二船体和连接桥6组成，连接桥6与第一船体4和第二船体分别连接，所述第一船体4位于第一加载玻璃水箱3内，第一加载玻璃水箱3与第一循环水管8连接，在第一循环水管8上安装有第一循环泵11，在第一循环水管8与第一加载玻璃水箱3连接的两个端口上分别安装有第一稳流玻璃水箱2，在第一加载玻璃水箱3内安装有测量循环水流速的第一水速仪7；所述第二船体位于第二加载玻璃水箱内，第二加载玻璃水箱与第二循环水管连接，在第二循环水管上安装有第二循环泵，在第二循环水管与第二加载玻璃水箱连接的两个端口上分别安装有第二稳流玻璃水箱，在第二加载玻璃水箱内安装有测量循环水流速的第二水速仪；在第一船体4上的横舱壁与连接桥6相接触的位置上安装应变片5，应变片5通过导线与电荷放大器12连接，电荷放大器12依次与多通道信息采集仪13和计算机14连接。

在本发明中，所述第一水速仪7安装在第一T型刚性杆9上，第一T型刚性杆9通过第一固定套筒10安装在第一加载玻璃水箱3上，所述第二水速仪安装在第二T型刚性杆上，第二T型刚性杆通过第二固定套筒安装在第二加载玻璃水箱上。

在本发明中，所述第一加载玻璃水箱3和第二加载玻璃水箱上分别设有显示水深的刻度。所述第一船体4、第二船体分别由聚氨酯软泡沫塑料制作，在第一船体4、第二船体长度方向上的中间部位、肩部过渡处、尾部过渡处建造横舱壁。

一种上述的测量双体船横向弯矩的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)首先在第一加载玻璃水箱3和第二加载玻璃水箱内标注刻度以便直接读取各个水箱内水深，把第一T型刚性杆9和第二T型刚性杆固定在第一加载玻璃水箱3和第二加载玻璃水箱上，固定时使其靠近舷侧；将第一水速仪7和第二水速仪固定在第一T型刚性杆9和第二T型刚性杆上，最后应变片5的安装位置的选择，这里我们选择放在横舱壁与连接桥6接触处，因为这里为整体受力集中处，测量现象更加明显，在船模产生横向弯矩时，应变片5将产生电信号，通过电荷放大器12将信号放大，最终通过多通道信号采集仪与计算机14来分析从而测出弯矩；

(2)打开循环泵，让每个基台1上装置里的水循环流动，通过调节循环泵的马力获得需要的水流速度，同时保证水速仪的测量数值相同，此时记录循环泵上的马力数值，以便下次开启循环泵时进行调整水速；

(3)将双体船放入第一加载玻璃水箱3和第二加载玻璃水箱内，调整船体平衡，然后在其中的一个加载水箱内加入一定量的水，并读出其数值(与上次记录的数值做差可得到注水的体积)，此时打开循环泵，调整到步骤(2)中所用的马力，观察各个水速仪的测量数值是否相同，若不同再进行微调，保证其数值相同，最后观察实验现象，并进行整理实验数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。