本发明属于船舶制造技术领域，具体涉及一种船舶实水域破冰试验方法。
背景技术：
近年来，随着全球气温逐渐变暖的趋势，北极周边地区的平整冰盖面积以大约每年6％的速度逐渐减少，在不远的将来极有可能出现夏季无冰的情况，极地通航并进行商业航行已经成为可能，南北极资源勘探开采活动越来越活跃。同时，南北极的政治、军事以及生物医学价值也引起世界各国的关注，伴随而来的是极地争端的日益加重，多个国家先后制定相应的南北极战略，提出主权要求。极地问题已经成为环北极地区和其他强国之间博弈的重要方面。由于南北两极具有重要的战略地位且其生态环境的多变性、复杂性，人类在极地地区的活动必须依靠具有特殊性能的极地船舶与海洋工程结构物。于是，由于南北极资源开发、商业航行、军事战略意义等多种因素的吸引，基于冰工程背景相关的研究受到世界各国越来越多的关注。
在冰区船舶阻力研究领域，通常可以采用以下几种方法：半经验公式法、数值仿真法、各船级社及船级社协会公式法、理论分析法和船模试验法。半经验公式法是各冰水池或研究机构在船模试验以及实船航行数据的基础上回归分析得到的方法，这种公式方法是建立在一定船型的基础上的，因此，它的应用也受到船型的限制。数值仿真法预报冰区船舶阻力和自航是今后的发展趋势，但是由于冰区船舶阻力和自航不仅涉及到流体力学，还涉及到结构力学以及流固耦合问题，因此，当前还没有一款专门的软件能很好的解决这些问题。各船级社以及船级社协会的冰区船阻力和功率预报公式也是建立在船模试验数据和实船数据基础上的。理论分析法是指研究人员根据船-冰相互作用机理，对船-冰相互作用进行数学建模，然后编程计算，目前挪威科技大学(ntnu)做了大量的工作。船模试验法是冰区船阻力和自航研究一直以来最广泛采用和认可的方法，分为冰水池的冻结模型冰试验和常规拖曳水池的非冻结模型冰试验。由于受到试验条件的限制，国内还没有广泛地开展冰区船舶的性能研究。因此，冰水池冻结模型冰试验只有国外的一些冰水池试验室开展过,国内至今一直没有真正开展过冰区船模的自航试验。而常规拖曳水池的非冻结模型冰试验也因为测量结果的随机性不能被广泛的推广。因此，急切需要一种真实有效而且便于操作的新的试验方法来研究冰区航行船舶的真实破冰性能，为设计和制造冰区船舶提供可靠的依据，弥补现有手段的缺陷，借此条件提出了一种船舶实水域破冰试验方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种能够开展不同航速下船舶平整冰和碎冰条件下的阻力试验以及船模的自航试验，能够较好的反映船舶在实际冰区的航行性能，具有风险小、成本低、不受传统冰水池尺寸限制、操作灵活等优点，可有效地提高试验的效率和准确性的船舶实水域破冰试验方法。
本发明的目的是这样实现的：
其主要包括以下步骤：
1)在江面上规划的试验区域内开辟出两条长度和宽度分别为50m和10m的水域,搭建容纳试验设备和试验人员的实验室。
2)将两台拖缆机构分别固定在冰道的一端，在另一端(即调整区)将船模调整到标识好的压载水线，布置、连接和调试试验设备。
3)按照试验工况要求，拖缆机构拖着船模恒速运动，测量船模在静水中的敞水阻力。
4)进行平整冰条件下破冰阻力试验，测量船模在破冰航行时的总阻力、船模升沉以及纵倾等姿态的变化。
5)试验人员利用环形锯将平整冰区域变为碎冰航道，进行船模在碎冰条件下浮冰阻力、清冰阻力以及姿态变化的测量。
6)开展船模在平整冰条件下以及碎冰条件下的自航试验，分析研究各种推进效率成份以及主机功率、转速和船速之间的关系。
7)对测量后的试验结果进行数据处理、规律总结以及完成实船转化。
在所述步骤1)之前还包括：
冬季时节(十二月至翌年的三月)在江段选择试验区域，通过查阅资料以及咨询有关部分关于江冬季冰厚的相关信息，在得到有关部分的允许后确定试验区域。
在所述步骤1)之后还包括：
将从试验水域内打捞的冰块移到碎冰堆积区，清理试验航道周围的冰、雪和其他杂物；在试验水域内靠近拖缆机构一端安装阻拦网以及多层橡胶轮胎，起到减缓船模航行以及防止船模与周围冰块发生碰撞的作用；连接试验设备用电以及总电路控制系统，将船模以及试验设备分别搬到试验区域和实验室内，连接试验设备并进行试验设备的调试。
在所述步骤2)之前还包括：
把服助拖车移到冰道上端，船模移到试验准备区，将试验设备分别布置在船模各个位置，拆除舵和螺旋桨，密封轴包套。利用配重砝码将船模调整到标识好的压载水线，将拖缆机构的钢丝缆绳与船模上的拖带装置相连。
在所述步骤3)之前还包括：
利用低温温度计和密度仪分别测量室外试验水域内水的温度和密度。
在所述步骤3)具体包括：
启动拖缆机构1缓慢拖动钢丝缆绳直到缆绳绷直，通过角度盘读取钢丝缆绳倾斜角度。待船模稳定后无线电控制模块控制遥控系统打开高精度阻力仪、数据采集器、gps/ins惯性导航仪、角速度陀螺仪和船模升沉传感器等设备测量船模航行时的敞水阻力、升沉以及纵倾等姿态的变化。
在所述步骤4)之前还包括：
试验水域在结冰过程中开始阶段需要每一小时测量一次冰厚，在接近试验要求时每十分钟测量一次冰厚，直到结冰厚度满足试验要求。冰厚达到试验要求时，取出一块冰在实验室内分别利用显微镜、刻度仪、低温温度计和密度仪测量冰的冰内晶体结构、气泡含量、温度、盐度和密度等物理特性。利用切片机将江冰进行切片然后放入恒温箱内，做好保温措施送往其他实验室利用三轴铣床、车床和三轴多功能加载测试仪进行冰的力学特性测量。
在所述步骤5)之前包括：
连接和调试试验设备，进行低航速下浮冰阻力的测量，浮冰阻力试验完成后将碎冰区航道内的碎冰重新推至均匀。
在所述步骤5)主要测量船模在碎冰冰区航行时的浮冰阻力、清冰阻力、升沉以及纵倾等姿态变化。
在所述步骤6)之前包括：
在船模上依次加上舵、螺旋桨和轴等自航设施，安装、调试和检验试验设备。当试验水域冰厚到达试验厚度时，分别开展船模在平整冰条件和碎冰条件下的自航试验。
在所述步骤6)具体包括：
在自航试验过程中，舵机和电机的控制分别通过遥控系统进行控制。遥控系统由无线电接收模块和无线电发射模块组成。无线电发射模块将电机转速控制电位器和舵机控制电位器的模拟控制电压通过12位的模数转换器转换为数字量并通过无线模块发射出去。无线电接收模块将接收到包含推进电机转速控制信息和舵角控制信息的信息包，一方面将电机转速控制信息通过12位的数模转换器转换为推进电机控制器需要的控制电压，另一方面将舵角控制信息转换为舵机控制器需要的转动控制和方向控制脉冲，从而控制电机转速和舵角。实现船模的自航运动。
在所述步骤7)具体包括：
船模敞水阻力试验、破冰阻力试验、碎冰阻力试验以及船模的自航试验完成后对不同航速下船模的总阻力、阻力成分、升沉、纵倾、螺旋桨推力和扭矩以及主机功率等参数进行汇总并总结规律，试验数据整理后利用spencer法以及其他方法完成实船转化。
本发明的有益效果在于：本发明适用于船模在平整冰区和碎冰区中的阻力试验以及船模的自航试验等，能够准确地测量船模在冰区航行时的总阻力、阻力成分、升沉、纵倾、螺旋桨推力和扭矩以及主机功率等参数。
附图说明
图1为一种船舶实水域破冰试验方法中船舶模型内部设备布置主视图；
图2为一种船舶实水域破冰试验方法中船舶模型内部设备布置俯视图；
图3为一种船舶实水域破冰试验方法中实验室内部设备布置图；
图4为一种船舶实水域破冰试验方法中船模敞水试验总体分布图；
图5为一种船舶实水域破冰试验方法中碎冰阻力试验总体分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及的是一种船舶实水域破冰试验方法，该方法的具体步骤包括：1)在江面上规划的试验区域内开辟出两条长度和宽度分别为50m和10m的水域，搭建容纳试验设备和试验人员的实验室。2)将两台拖缆机构分别固定在冰道的一端，在另一端(即调整区)将船模调整到标识好的压载水线，布置、连接和调试试验设备。3)按照试验工况要求，拖缆机构拖着船模恒速运动，测量船模在静水中的敞水阻力。4)进行平整冰条件下破冰阻力试验，测量船模在破冰航行时的总阻力、船模升沉以及纵倾等姿态的变化。5)试验人员利用环形锯将平整冰区域变为碎冰航道，进行船模在碎冰条件下浮冰阻力、清冰阻力以及姿态变化的测量。6)开展船模在平整冰条件下以及碎冰条件下的自航试验，分析研究各种推进效率成份以及主机功率、转速和船速之间的关系。7)对测量后的试验结果进行数据处理、规律总结以及完成实船转化。本发明适用于船模在平整冰区和碎冰区中的阻力试验以及船模的自航试验等，能够准确地测量船模在冰区航行时的总阻力、阻力成分、升沉、纵倾、螺旋桨推力和扭矩以及主机功率等参数。
冬季时节(十二月至翌年的三月)在江段选择试验区域，通过查阅资料以及咨询有关部分关于江面冬季冰厚的相关信息，在得到有关部分的允许后确定试验区域。在试验设备以及试验人员进入规划的试验区域前，再次对试验区域内的冰厚进行测量，预估和咨询相关部门江面冰厚能否承载试验设备以及试验人员，在确保安全的前提下试验人员以及试验设备进入试验区域。
进入试验区域后主要开展两方面的工作，一方面是：在规划的航道内将冰块移到碎冰堆积区，开辟两条长度和宽度分别为50m和10m的航道，清理试验航道周围的冰、雪和其他杂物，并在航道45m位置处标记为拖缆机构1(41)和拖缆机构2(50)停止拖缆位置(40)；在试验水域内靠近拖缆机构1(41)和拖缆机构2(50)一端安装多层橡胶轮胎(44)以及阻拦网(45)，另一方面：电工连接试验设备用电以及总电路控制系统(36)，将船模(37)以及试验设备分别搬到试验区域和实验室(42)内连接并调试试验设备。
船舶实水域破冰试验方法将船舶在冰区航行时受到的总阻力分为敞水阻力row、浮冰阻力rb、清冰阻力rc和破冰阻力rbr，试验过程中分别进行船模敞水阻力试验、平整冰条件下破冰阻力试验和碎冰阻力试验，船模(37)在冰区破冰航行时按照以4个速度测量点做出一条破冰阻力r-v曲线为例，分别测量船模在静水、平整冰和碎冰条件下四个不同航速(v1、v2、v3和v4)时船模的总阻力、阻力成分以及其升沉、纵倾等姿态变化。
首先开展船模敞水阻力试验，将服助拖车(38)移到开辟好的水域上端，船模(37)移到试验准备区(46)，将试验设备(1)-(8)、(12)—(21)分别布置在船模各个位置，利用配重砝码(17)将船模(37)调整到标识好的压载水线，将拖缆机构1(41)的钢丝缆绳(47)与船模(37)上的缆绳连接构件(21)相连，同时，利用低温温度计(25)和密度仪(27)分别测量室外试验水域内水的温度和密度，测量完成后启动拖缆机构1(41)缓慢拖动钢丝缆绳(47)直到缆绳绷直，通过角度盘(20)读取钢丝缆绳倾斜角度。待船模稳定后通过无线电控制模块(22)打开高精度阻力仪(19)、数据采集器(23)、gps/ins惯性导航仪(15)、角速度陀螺仪(5)和船模升沉传感器(6)等设备测量船模(37)在静水中的阻力，时间间隔大约为20s。静水阻力测量完成后根据试验之前船模航行工况的速度反推出拖缆机构1(41)缆绳的拖拽速度，拖缆机构1(41)拖拽船模(37)运动，到达标记点(40)后停止拖拽，使船模(37)在阻拦网(45)的作用下缓慢停止。同时，试验数据通过无线电接收模块(16)的无线电传输模块传送到实验室内的无线电控制模块(22)以及数据处理系统(23)进行数据处理，求出船模在静水中的敞水阻力、升沉、纵倾等姿态变化。试验完成后试验人员通过辅助拖车(38)将船模(37)推到试验准备区(46)，进行其他三个速度点(v2、v3、v4)阻力的测量。在每次测量过程中，船模开始阶段缆绳倾斜角度应保持相同，同时及时清理水面薄冰，保持水面无冰状态,测量后的敞水阻力分别为：row1、row2、row3和row4。
船模(37)在试验水域内敞水阻力测量完成后，将船模(37)移到实验室(42)内检查各种设备的运行情况以及提取试验数据。同时，等待试验水域内水面结冰，试验水域在结冰过程中开始阶段需要每一小时测量一次冰厚，在接近试验要求厚度时每十分钟测量一次冰厚，直到结冰厚度满足试验要求。冰厚达到试验要求时，取出一块冰在实验室(42)内分别利用显微镜(28)、刻度仪(29)、低温温度计(25)和密度仪(27)测量冰的冰内晶体结构、气泡和卤水泡的含量、温度、盐度和密度等物理特性。利用切片机(31)将冰进行切片然后放入恒温箱(32)内，做好保温措施后送往其他实验室利用三轴铣床、车床和三轴多功能加载测试仪进行冰的力学特性测量。其他试验人员将船模(37)移到平整冰航道1(48)内连接和调试试验设备，为船模(37)进行平整冰条件下破冰阻力试验做准备。
船模进行平整冰条件下破冰阻力试验时需要测量4个速度点，在长度为50m、宽度为10m的水域内进行两次平整冰条件下破冰阻力试验，测量船模(37)在冰区航行时速度点v1和v2时的总阻力、升沉、纵倾等姿态变化。破冰试验开始前连接和调试好试验设备，启动拖缆机构1(41)缓慢拖动钢丝缆绳(47)直到缆绳绷直，根据原角度盘(20)的倾斜角度调整船模位置，直到倾斜角度与敞水试验时相同，利用无线电控制模块(22)将高精度阻力仪(19)、数据采集器(23)、gps/ins惯性导航仪(15)、角速度陀螺仪(5)、船模升沉传感器(6)、前置摄像机(18)和后置摄像机(8)全部打开，启动拖缆机构1(41)使缆绳拖拽的速度与阻力实验时拖拽速度相同，分别测量船模的总阻力、升沉、纵倾等姿态变化，同时，利用视频观测及储存系统(24)观测和存储视频资料。破冰试验完成后将船模(37)依次移入到平整冰航道2(49)，利用拖缆机构2(50)重新连接船模(37)进行试验，试验流程和在平整冰航道1(48)中完全相同。速度点v1和v2完成后将拖缆机构1(41)和拖缆机构2(50)的旋向反转进行平整冰航道3(51)和平整冰航道4(52)中v3和v4速度点的测量。
平整冰条件下破冰阻力试验完成后，试验人员根据试验工况要求利用环形锯将平整冰分割成碎冰，进行碎冰条件下的阻力试验。试验设备连接以及调试和破冰阻力试验相同，不同点是需要进行低速航行下浮冰阻力的测量，浮冰阻力试验完成后试验人员将碎冰区航道1(53)内的碎冰重新推至均匀。依次开展在碎冰区航道1(53)、碎冰区航道2(54)、碎冰区航道3(55)和碎冰区航道4(56)中航速为v1、v2、v3和v4的碎冰区浮冰阻力和清冰阻力以及升沉、纵倾等姿态的测量。测量完成将船模(37)移入到实验室(42)内进行试验设备的检验和试验数据的提取。
在实验室(42)内分别将舵(9)、螺旋桨(10)、断轴式自航仪(11)等设备安装在船模(37)上，安装、调试和检查其他试验设备，同时，等待冰达到试验要求厚度。当冰达到试验要求厚度时，分别进行冰物理特性和力学特性的测量，测量过程和破冰试验前冰的测量过程相同。其次，将船模移入到试验准备区(46)，借助服助拖车(38)完成船模(37)的连接，并读取角度盘(20)角度。船模自航试验中首先应找到船模(37)的自航点，由于船模(37)在冰区自航时，受到水和碎冰的阻力、螺旋桨(10)的推力以及钢丝缆绳(47)的强制力，当钢丝缆绳(47)的强制力等于零时，螺旋桨(10)的推力和船模(37)受到的阻力达到平衡，此时就找到了自航点，确定了螺旋桨(10)的转速。因此在碎冰条件下，选择3到4个速度点，每个速度点进行5个不同的螺旋桨(10)转速试验来找出自航点。
船模(37)在自航试验过程中，试验人员通过无线电控制模块(22)将电机(13)转速控和舵机(9)控制信息发射出去，控制电机转速和舵角。同时，启动拖缆机构1(35)使船模(37)在工况要求航速下航行，在航行过程中通过安装在船体内的断轴式自航仪(12)测得螺旋桨(10)的推力和转矩，测速仪(11)测量螺旋桨的转速。船模(37)到达标记处(40)时停止电机(13)旋转，使船模(37)在阻拦网(45)的作用下缓慢停止。试验结束后将船模(37)再次移到试验准备区(46)，同时将冰道内的冰推至均匀，进行下一个速度点的航行。自航试验完成后，将螺旋桨(10)取下进行桨轴空转，以测量尾轴管轴承摩擦所引起的转矩，进行螺旋桨转矩修正。试验结束后处理试验数据并绘制船模(37)自航试验曲线，分析各种推进效率成份、桨和船两者的相互影响以及对实船进行预报。其次，将碎冰区内的碎冰全部捞出，分别堆积在碎冰堆积区(37)内，为进行下次平整冰条件下的破冰阻力试验做准备。
船舶实水域破冰试验方法对船模敞水阻力试验、破冰阻力试验和碎冰阻力试验以及碎冰条件下的自航进行了详细的论述，由于冰道开辟的较少，没有对船模在平整冰条件下的自航试验进行描述。平整冰条件下的自航试验和碎冰条件下的自航试验方法相同，不同的是需要开辟更多的冰道供船模进行试验。