测量大型集装箱船扭转强度的实验装置及实验方法与流程

本发明涉及测量大型集装箱船扭转强度的实验装置及实验方法，属于教学实验仪器的领域。

背景技术：

步入21世纪以来，由于经济全球化的快速发展，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，集装箱船的出现是船型的一次革命性的突破，能够大大缩短货物的装卸时间，提高其作业效率。集装箱船作为海上货物运输的一种主要船型，航速高、装卸快、停靠码头时间短，以其独有的优势越来越受到航运界和造船界的重视，集装箱船的拥有数量和总吨位己成为一个国家海上运输能力的重要标志之一。集装箱船的发展仍在朝着大型化、多箱位前进。但是，随着船舶的大型化、高速化的发展，船体结构及其可能遭遇的外力都变得越来越复杂，结构破损事故时有发生，导致后果也愈加严重。对于大型集装箱船而言，由于船体甲板有大型的开口，其扭转强度问题不容忽视。大型集装箱船由于其船体的扭转刚度相对较低，其扭转强度问题已上升到与总纵强度同等重要的地位。在外部载荷的作用下，集装箱船体可能发生较为显著的纽转变形，在船体结构中产生相当的翘曲应力，因此有必要对船体进行扭转计算。

目前对于大型集装箱船扭转强度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大型集装箱船在斜浪45°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。

开展一种测量大型集装箱船扭转强度的教学实验装置在授课过程中主要由以下三方面优点：

(1)由于集装箱船朝着大型化发展，甲板上的开口越来越大，从而造成船体所受到的扭转变形成为船体结构强度中必须考虑的因素。目前在高校的教学中一般是基于理论的讲解其受力原理而缺乏实际操作，从而使同学们对其认识不够。本实验装置验证了扭矩对大型集装箱船体的危害，从而引起学生对扭转强度的重视。

(2)本实验装置的设计可以让学生对大型集装箱船的扭转强度有一个直观的认识，以及加深老师在课堂对所讲的理论知识的理解，从而更加深刻的掌握有关大型集装箱船扭转强度的知识。在此基础上培养了学生的实际动手能力，有利于学生在操作期间形成合作意识。

(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。对于工程上具有一定的指导意义。

根据已有的研究，集装箱船舶的斜浪航行、船体倾斜和摇摆运动，都会不同程度的引起船体的扭转变形。船舶倾斜引起的扭矩或摇摆运动引起的扭矩通常比斜浪航行引起的波浪扭矩小。因此，一般不予计算。波浪扭矩是导致集装箱船舶扭转变形的主要组成部分。在分析集装箱船扭转变形中，货物扭矩也是处于较为重要的研究地位。通常，波浪扭矩和货物扭矩的叠加构成外部载荷作用于集装箱船体的扭转力矩。

(1)斜浪航行引起扭矩的机理

根据已有的研究证明，当船体的航行方向与波浪之间的角度α＝45°，波长λ与船长l的关系为λ＝lcosα，此时作用在船体上的扭转变形最大。船首尾处于波峰(波谷)的位置，船中处于波谷(波峰)见图1。船舶在直立状态时，其两舷的吃水是不相同的。船舶的前半部的左舷吃水比右舷大(见图2)；后半部则相反(见图3)。

(2)货物扭矩

货物扭矩是由于集装箱货物重量横向分布不均、压载不均或燃料等消耗物横向分布不均而引起的。根据已有的研究证明，集装箱船的货物扭矩在船体的两端为零，在船体的中恒剖面处最大，由两端向船中成直线分布。

根据现有的研究发现，斜浪扭矩与货物载荷扭矩的合成是导致集装箱船体发生扭转变形的主要因素。波浪扭矩和货物扭矩沿着船长的分布接近，二者的合成在船长两端为零，并由两端向船中逐渐增大，在船中附近合成扭矩达到最大值。其合成后的扭矩曲线图如图4。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量大型集装箱船扭转强度的实验装置及实验方法，模拟船体受到外界最大扭矩工况，即在斜浪中航行时某一时刻受到的斜浪扭矩与货物载荷扭矩的叠加，从而使实验真实，易观察，具有说服力。

技术方案：为实现上述目的，本发明的测量大型集装箱船扭转强度的实验装置，包括加载水箱，所述加载水箱内放置有船模，船模与加载水箱之间通过隔板连接，隔板将加载水箱分隔为若干个独立的空间，在船模上安装有若干个t型材和若干个配重砝码，在船模上还安装有若干个应变片，应变片与电荷放大器连接，电荷放大器依次与多通道信息采集仪、计算机连接。

作为优选，所述隔板包含横隔板和斜隔板，所述船模的两端连接有横隔板，横隔板将加载水箱一份为二，所述斜隔板有四个，船模的两侧均设有两个斜隔板。

作为优选，所述斜隔板与加载水箱的壁夹角为45°，此步骤主要是为了模拟船舶在45°斜浪中航行时某一时刻的波浪与船体的相对位置，此斜隔板与加载水箱的相对安装位置是《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》里没有形成的。

作为优选，于：所述横隔板和斜隔板与船模通过柔性橡胶薄膜连接，横隔板和斜隔板与加载水箱通过玻璃胶连接。

作为优选，所述应变片安装在在甲板开口的角隅处和中横剖面处。

一种上述的测量大型集装箱船扭转强度的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)首先将水注入加载水箱内，第一次注水时使6个水箱的水位处于同等的高度，水线的高低在注水的过程中用刻度尺进行测量，此时将船模放入加载水箱内，调整船模的平衡待船模平衡后，用密封胶将柔性橡胶薄膜同船模相接触的部位进行密封，最后是应变片的安装位置的选择，这里我们将应变片放在甲板开口的角隅处和中横剖面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从而测出扭矩，因此按照电荷放大器，多通道信号采集仪、计算机的顺序依次连接；

(2)整个实验装置制作完成后，进行第二次注水，将加载水箱分为a、b、c、d、e、f六个部分，此时在注水的过程中左侧和右侧首尾的a、c、d、f4个水箱的水线高度要低于中间两个水箱b、e的水线高度以此来模拟船体首尾在波谷，船中在波峰；在此基础上船首部位的左侧水箱c的水线要高于右侧水箱f的水线，船尾部位的左侧水箱a的水线要低于右侧水箱d的水线，水线的高低在注水的过程中用刻度尺进行测量；此步骤可以模拟船体在45°斜浪中航行时某一时刻，波浪对船体的作用力，其设计原理主要考虑到45°斜浪，是船体受到的最危险扭矩组合情况，在这一点上与课题组之前申请的《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》形成本质区别。

(3)根据实船的装载布置图，将其压载水、燃油等货物按照之前的缩尺比进行换算，用配重砝码代替其重力，将其放置在压载水、燃油等货物在船体上的位置。选用配重砝码可以更好的模型随着船体航行各种燃料的减少，从而可以验证船体燃料对于扭矩形成中所占的比重，在这里课题组之前申请的《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》并没有考虑到船体上的燃料对扭矩形成所起到的作用。然后，用t型材来模拟集装箱对于甲板的载荷，因为对于集装箱船而言集装箱对于船体左右两舷的重力不同，我们这里通过t型材4本身的重量不同来模拟其对甲板载荷的不同，t型材沿着船宽方向排成一行，一共有7行，在这里我们规定为往左舷靠近时重量慢慢减少，以此来模拟集装箱对于船体的货物载荷。在这里选用t型材排成行模拟集装箱对甲板的作用力相对于应用水箱通过压力杆来传递力更加符合实际情况。与此同时，课题组之前申请的《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》中并没有考虑甲板上货物载荷对整体扭矩产生所具有的影响，在这一块形成原理上的不同。在整个实验过程中可以多次调整水位的高低以模拟不同的波浪；多次调整配重砝码的质量来模拟随着船舶的形式燃油、压载水慢慢的减少等不同的工作状况，最后观察实验现象，并进行整理实验数据。

在本发明中，t型钢材在选取的时候，根据选择的腹板高度不同，所以t型钢材的重量大小不一，从而模拟甲板上集装箱对于船体左右两舷压力的不同。隔板的主要作用是将加载玻璃水箱分割成几个独立的小水箱，从而可以保证往每个水箱内注入不等量的水。隔板是由两部分组合而成，靠近船体的部位用柔性橡胶薄膜与船体相连接然后在远离船体的部位用玻璃胶将玻璃板与加载水箱连接。

在本发明中，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，整个船模要根据实船按照一定的缩尺比进行建造。加载玻璃水箱在制作的过程中其整体尺寸要大于船模。对于配重砝码的选取时要挑选重量变化很小的砝码，以保证在配重的过程中慢慢改变载荷的微变量，使学生对于载荷对集装箱抗扭强度的影响有个深刻的认识。

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大型集装箱船扭矩的装置。作为教学中的实验装置，通过a、b、c、d、e、f六个独立的倾斜的加载水箱内水的体积的不同，模拟船体在受到45°斜浪某一时刻的最大扭转力矩，从而使实验真实，易观察，具有说服力。

(2)现有的有关大型集装箱船的扭转强度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船体产生扭矩的基本成因及扭矩形成的基本原理，在实验中船模产生最大扭矩，可以使学生对集装箱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货物载荷是集装箱船扭距形成过程中的重要组成部分，通过合理的等效使试验结果更加具有说服力，这一点与课题组之前申请的《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》形成本质区别。

(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，用于评估实际大型集装箱船的扭转强度。

附图说明

图1为船首尾处于波峰(波谷)的位置，船中处于波谷(波峰)的示意图。

图2为船舶的前半部的左舷吃水比右舷大的示意图。

图3为船舶的后半部的左舷吃水比右舷小的示意图。

图4为斜浪扭矩与货物载荷扭矩的合成后的扭矩曲线图。

图5是本发明的结构示意图。

图6是本发明的加载水箱的俯视图。

图7是图6的g-g剖视图。

图8是图6的h-h剖视。

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5至图8所示，本发明的测量大型集装箱船扭转强度的实验装置，包括加载水箱1，所述加载水箱1内放置有船模3，船模3与加载水箱1之间通过隔板2连接，所述隔板2包含横隔板和斜隔板，所述船模3的两端连接有横隔板，横隔板将加载水箱1一份为二，所述斜隔板有四个，船模3的两侧均设有两个斜隔板，隔板2将加载水箱1分隔为6个独立的水箱单元，所述斜隔板与加载水箱1的壁夹角为45°，所述横隔板和斜隔板与船模3通过柔性橡胶薄膜连接，横隔板和斜隔板与加载水箱1通过玻璃胶连接，隔板2将加载水箱1分隔为六个独立的空间，在船模3上安装有若干个t型材4和若干个配重砝码5，在船模上还安装有若干个应变片6，所述应变片6安装在在甲板开口的角隅处和中横剖面处，应变片6与电荷放大器7连接，电荷放大器7依次与多通道信息采集仪8、计算机9连接。

一种上述的测量大型集装箱船扭转强度的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)首先将水注入加载水箱内，第一次注水时使6个水箱的水位处于同等的高度，水线的高低在注水的过程中用刻度尺进行测量，此时将船模3放入加载水箱1内，调整船模3的平衡，待船模3平衡后，用密封胶将柔性橡胶薄膜同船模3相接触的部位进行密封，最后是应变片6的安装位置的选择，这里我们将应变片6放在甲板开口的角隅处和中横剖面处因为这里为整体受力集中处，测量现象更加明显。在船模3产生扭矩时，应变片6将产生电信号，通过电荷放大器7将信号放大，最终通过多通道信号采集仪与计算机9来分析从而测出扭矩，因此按照电荷放大器7，多通道信号采集仪、计算机9的顺序依次连接；

(2)整个实验装置制作完成后，进行第二次注水，将加载水箱1分为a、b、c、d、e、f六个部分，此时在注水的过程中左侧和右侧首尾的a、c、d、f4个水箱的水线高度要低于中间两个水箱b、e的水线高度以此来模拟船体首尾在波谷，船中在波峰；在此基础上船首部位的左侧水箱c的水线要高于右侧水箱f的水线，船尾部位的左侧水箱a的水线要低于右侧水箱d的水线，水线的高低在注水的过程中用刻度尺进行测量；

(3)根据实船的装载布置图，将其压载水、燃油等货物按照之前的缩尺比进行换算，用配重砝码5代替其重力，将其放置在压载水、燃油等货物在船体上的位置，然后，用t型材4来模拟集装箱对于甲板的载荷，因为对于集装箱船而言集装箱对于船体左右两舷的重力不同，我们这里通过t型材4本身的重量不同来模拟其对甲板载荷的不同，t型材4沿着船宽方向排成一行，一共有7行，在这里我们规定为往左舷靠近时重量慢慢减少，以此来模拟集装箱对于船体的货物载荷，在整个实验过程中可以多次调整水位的高低以模拟不同的波浪；多次调整配重砝码5的质量来模拟随着船舶的形式燃油、压载水慢慢的减少等不同的工作状况，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。