一种测量双体船扭矩的实验装置及实验方法与流程

本发明涉及测量双体船扭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。双体船在航行中遭遇斜浪时，两个片体在波浪当中所处的位置会不同，连接桥要承受扭矩作用。

目前对于双体船扭矩的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斜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扭矩的实验装置及实验方法，作为教学中的实验装置，通过四个独立的加载水箱内的水的体积，模拟一个片体的船首部位处于波谷、船尾部位处于波峰；另一个片体的船首处于波峰、船尾处于波谷，可以通过控制其相对高度来模拟不同的波高，以及配合使用循环水泵、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扭矩，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扭矩的实验装置，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，第一加载玻璃水箱内设有第一柔性橡胶薄膜将第一加载玻璃水箱分为第一水箱单元和第二水箱单元，第一水箱单元和第二水箱单元上分别设有第一循环水管和第二循环水管，第一循环水管和第二循环水管上分别设有第一循环泵和第二循环泵，第一循环水管的两个端口分别位于第一水箱单元的两个对角，在第一循环水管的两个端口上均设有第一稳流玻璃水箱，第二循环水管的两个端口分别位于第二水箱单元的两个对角，在第二循环水管的两个端口上均设有第二稳流玻璃水箱，在第一水箱单元和第二水箱单元内均设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，第二加载玻璃水箱内设有第二柔性橡胶薄膜将第二加载玻璃水箱分为第三水箱单元和第四水箱单元，第三水箱单元和第四水箱单元上分别设有第三循环水管和第四循环水管，第三循环水管和第四循环水管上分别设有第三循环泵和第四循环泵，第三循环水管的两个端口分别位于第三水箱单元的两个对角，在第三循环水管的两个端口上均设有第三稳流玻璃水箱，第四循环水管的两个端口分别位于第四水箱单元的两个对角，在第四循环水管的两个端口上均设有第四稳流玻璃水箱，在第三水箱单元和第四水箱单元内均设有测量循环水流速的第二水速仪；在第一船体的横舱壁与连接桥相接触的位置安装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，所述第一水箱单元、第二水箱单元、第三水箱单元和第四水箱单元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、尾部过渡处分别建造横舱壁。，。

作为优选，四个独立的单元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。

一种上述的测量双体船扭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、第二循环水管、第三循环水管和第四循环水管安装完毕，向第一水箱单元、第二水箱单元、第三水箱单元和第四水箱单元中注入等量的水；

(2)打开第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，让第一水箱单元、第二水箱单元、第三水箱单元和第四水箱单元的水循环流动，通过调节第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四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、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵上的马力数值，关闭第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵；

(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，第一船体与第一柔性橡胶薄膜相接触处进行密封，第二船体与第二柔性橡胶薄膜相接触处进行密封，然后在向第一水箱单元、第二水箱单元、第三水箱单元和第四水箱单元中注水，位于对角的第一水箱单元和第三水箱单元注水量相同，位于对角的第二水箱单元和第四水箱单元中注水量相同，且第一水箱单元的注水量大于第二水箱单元，并读出其数值，此时打开第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，调整到步骤(2)中所用的马力，最后观察实验现象，并进行整理实验数据。

开展一种测量双体船扭矩的实验装置在教学中主要由以下三方面优点：

(1)双体船舶受到的扭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。本实验装置验证了扭矩对双体船的危害，从而引起学生对双体船扭矩的重视。

(2)本实验装置的设计可以让学生对双体船的扭转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双体船扭矩方面的知识。

(3)本实验装置可以直接读取船舶产生扭矩时的力矩。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，本实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际船舶的扭转强度。

根据已有的研究，双体船在波浪中航行时，当浪向为45°或135°时，两个船体在波浪当中所处的位置会不同，连接桥要承受扭矩作用。假定此时一个片体的船首部分处于波峰位置，而其尾部则处于波谷位置；另一片体刚好与之相反，其船首部分处于波谷位置，而船尾处于波峰位置，如图所示。在此种情况下，由于船体的重力、片体浮力、水动压力的不均匀分布，左右两个片体必然会产生相对纵摇运动，在纵摇达到平衡的瞬间，连接桥会产生巨大的扭矩。

实验中的船模是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产生扭矩时保持平衡状态，当受到扭矩时会发生变形，在扭矩消失后仍能回到原来状态。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。

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，加载水箱的中间部位经过一定的加工形成一个V字形，以方便循环管道穿过。八个小型稳流水箱作为细循环管道的过渡，目的在于将循环管道里的急流水分散成稳定、慢速的均匀流水，避免了对船模的局部冲击以及吸引。

将加载水箱放置在水平地面上，用柔性橡胶薄膜分别将每个加载水箱等分为两个相对独立的小型加载水箱，通过此步操作可以将两个大的加载玻璃水箱分为四个独立的小型加载水箱。在每个小型加载玻璃水箱内，放置两个稳流水箱，放置时使其成对角线固定。然后，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。此时，每个小型加载玻璃水箱和两个稳流水箱之间通过管道与循环水泵连接，从而形成一个闭合的水循环系统。从而，整个实验装置可以形成四个闭合的水循环系统。

实验中的应变片放在横舱壁与连接桥接触处。在船模受到扭矩时，应变片将产生电信号，通过电荷放大器将信号放大，最终通过多通道信号采集仪与计算机来分析得出测出的扭矩，水速仪可以读出此时水流的速度，水箱内标注刻度以便直接读取各个水箱内水深。

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扭矩的装置，作为教学中的实验装置，通过四个独立的加载水箱内的水的体积，模拟一个片体的船首部位处于波谷、船尾部位处于波峰；另一个片体的船首处于波峰、船尾处于波谷，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扭矩，使实验真实，易观察，具有说服力。

(2)现有的有关扭矩的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双体船产生扭矩的基本成因及扭矩形成的基本原理，在实验中船模产生扭矩，可以使学生对双体船的扭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，调节循环水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扭矩，这样可以用来说明船模是因为受到扭矩作用而产生的变形。

(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扭转强度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的E-E剖视示意图。

图3为图1的F-F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3所示，本发明的测量双体船扭矩的实验装置，该双体船由第一船体8、第二船体和连接桥11组成，连接桥11与第一船体8和第二船体分别连接，所述第一船体8位于第一加载玻璃水箱7内，第一加载玻璃水箱7内设有第一柔性橡胶薄膜2将第一加载玻璃水箱7分为矩形柱的第一水箱单元15和第二水箱单元16，第一水箱单元15和第二水箱单元16上分别设有第一循环水管1和第二循环水管，第一循环水管1和第二循环水管上分别设有第一循环泵9和第二循环泵，第一循环水管1的两个端口分别位于第一水箱单元15的两个对角，在第一循环水管1的两个端口上均设有第一稳流玻璃水箱，第二循环水管的两个端口分别位于第二水箱单元16的两个对角，在第二循环水管的两个端口上均设有第二稳流玻璃水箱5，在第一水箱单元15和第二水箱单元16内均设有测量循环水流速的第一水速仪6；所述第二船体位于第二加载玻璃水箱内，第二加载玻璃水箱内设有第二柔性橡胶薄膜将第二加载玻璃水箱分为第三水箱单元17和第四水箱单元18，第三水箱单元17和第四水箱单元18上分别设有第三循环水管和第四循环水管，第三循环水管和第四循环水管上分别设有第三循环泵和第四循环泵，第三循环水管的两个端口分别位于第三水箱单元17的两个对角，在第三循环水管的两个端口上均设有第三稳流玻璃水箱，第四循环水管的两个端口分别位于第四水箱单元18的两个对角，在第四循环水管的两个端口上均设有第四稳流玻璃水箱，在第三水箱单元17和第四水箱单元18内均设有测量循环水流速的第二水速仪；在第一船体8、第二船体分别与连接桥11连接的位置上分别安装有应变片10，应变片10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6安装在第一T型刚性杆3上，第一T型刚性杆3通过第一固定套筒4安装在第一加载玻璃水箱7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，所述第一水箱单元15、第二水箱单元16、第三水箱单元17和第四水箱单元18上分别设有显示水深的刻度。所述第一船体8、第二船体分别由聚氨酯软泡沫塑料制作，在第一船体8、第二船体长度方向上的中间部位、肩部过渡处、尾部过渡处分别建造横舱壁。

一种上述的测量双体船扭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1、第二循环水管、第三循环水管和第四循环水管安装完毕，向第一水箱单元15、第二水箱单元16、第三水箱单元17和第四水箱单元18中注入等量的水；

(2)打开第一循环泵9、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，让第一水箱单元15、第二水箱单元16、第三水箱单元17和第四水箱单元18的水循环流动，通过调节第一循环泵9、第二循环泵、第三循环泵、第四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9、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵上的马力数值，关闭第一循环泵9、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵；

(3)将双体船放入第一加载玻璃水箱7和第二加载玻璃水箱内，调整船体平衡，第一船体8与第一柔性橡胶薄膜2相接触处进行密封，第二船体与第二柔性橡胶薄膜相接触处进行密封，然后在向第一水箱单元15、第二水箱单元16、第三水箱单元17和第四水箱单元18中注水，位于对角的第一水箱单元15和第三水箱单元17注水量相同，位于对角的第二水箱单元16和第四水箱单元18中注水量相同，且第一水箱单元15的注水量大于第二水箱单元16，并读出其数值，此时打开第一循环泵9、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，调整到步骤(2)中所用的马力，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。