模型试验用小型护舷模拟装置的制作方法

本发明涉及浮式设施物理型试验中护舷非线性弹性模量模拟领域,具体涉及一种模型试验用小型护舷模拟装置。

背景技术：

船舶海洋工程中，物理模型试验是研究风、浪、流等海洋环境动力对浮式设施(船舶、浮式建筑物如浮码头、海洋平台等)的作用及影响、解决工程应用问题的重要手段，而护舷非线性弹性模量模拟和护舷力-变形测量是多浮体试验中的关键点和难点之一。护舷又称橡胶护木，是安装在码头或船舶上，用以吸收船舶与码头或船舶之间在靠岸或系泊时的碰撞能量、缓冲撞击力，以保护船舶、码头免受损坏。目前，根据橡胶护舷行业标准，橡胶护舷硫化后，对其质量的检验通常是对橡胶护舷进行物理机械性能测试和力学性能测试。

目前试验室还没有安装在浮式设施物理模型上的能同时满足护舷非线性弹性模量模拟和护舷力-变形测量的模拟装置；试验室对非线性弹性模拟大都基于线性模拟技术实现，针对护舷非线性力学性能曲线，一般采用分段线性拟合法，即对其力-变形曲线进行合理分段(一般分为2-3段)，对每段曲线进行线性模拟。现有技术中，大多使用大型弹性模量模拟与护舷力-变形测量装置，具体参考图1，图2是该装置受力变形到极限时的工作状态；图3是该装置模拟的非线性弹性模量曲线。其中，撞击点01是浮体模型与护舷的接触位置；应变片04用来测量护舷力；刚性连接杆02、连接块05和旋转杆09共同组成装置的旋转结构，以模拟护舷的收缩变形；配重块10模拟图3中弹性模量的e1’部分；第一弹簧07用来配合模拟弹性模量的e2’部分；第二弹簧06用来配合模拟弹性模量的e3’部分；限位螺丝08以调整护舷的最大收缩量；变形测量杆12下还连接位移传感器，其结构复杂，装置体积较大，此装置安装在固定平台上，不受重量和体积的限制。

其工作过程如下：撞击点01受到的浮体模型的挤靠力f传递给装置的旋转结构，应变片04测出护舷力，同时旋转结构带着配重块10围绕旋转轴03旋转，此时模拟的是非线性弹性模量的e1’部分；随着挤靠力增大，旋转结构开始压缩第一弹簧07，此时模拟的是非线性弹性模量的e2’部分；挤靠力进一步增大，旋转结构开始压缩第二弹簧06，此时模拟的是非线性弹性模量的e3’部分。

现有的大型弹性模量模拟与护舷力-变形测量装置的主要问题是结构复杂，需调节配重块重量、弹簧长度、弹簧安装位置、限位螺丝长度，各部分的参数配合才能调出需要的非线性弹性模量，其率定时间长；结构复杂带来的另一个问题是装置体积较大，相应的装置重量也非常大，单个装置的重量达到2kg；其只能固定在试验平台上，无法安装在浮式设施模型上；如安装到浮式设施模型上，会导致浮体的惯性矩发生较大改变，重心位置发生明显偏移，对浮体本身质量较小的模型试验根本无法满足要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提出一种模型试验用小型护舷模拟装置，利用分段线性拟合非线性弹性模量的思路，将护舷模拟装置简单化、小型化、轻量化，并可安装在浮体上。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

模型试验用小型护舷模拟装置，包括底座、与底座连接的弹性嵌套部以及与弹性嵌套部连接的碰撞头；所述底座与弹性嵌套部之间设置有力传感器，以测量模拟装置受力大小；

所述弹性嵌套部包括通杆、内套筒、后套筒以及前套筒，所述通杆、后套筒和前套筒上还分别设置有泄压孔；后套筒的一端与底座相连，另一端设置有止挡部；所述内套筒的外径小于外套筒的内径，内套筒和后套筒可沿内套筒长度方向相对滑动；所述内套筒的一端设置有与止挡部配合的限位凸起，以防止后套筒和内套筒相脱离，内套筒的另一端通过前套筒连接至碰撞头；

所述通杆的一端为底盘，与力传感器相连接，另一端伸入内套筒内部，且设置有阶梯肩、并延伸有缩径凸柱；在通杆上还套设有第一弹性体，所述第一弹性体的两端分别与通杆的底盘与内套筒的限位凸起相接触，当第一弹性体受力压缩时，内套筒相对后套筒和通杆滑动；

所述前套筒包括通过一隔板隔离的第一容纳腔和第二容纳腔，所述隔板上设置有可使所述缩径凸柱穿过的通孔，且第一容纳腔和第二容纳腔内分别设置有第二弹性体和第三弹性体，第二弹性体与内套筒之间以及第三弹性体与隔板之间还分别设置有第一垫片和第二垫片。

进一步的，所述第一弹性体、第二弹性体和第三弹性体采用弹簧或橡胶。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提出的模型试验用小型护舷模拟装置，简化结构设计、装置的体积和重量大大减小，仅重40g左右，使用和安装灵活方便，可以直接安装在浮式设施模型上，不需要调整参数、率定速度快。

将模型和仪器合为一体，利用弹簧良好的线性弹性模量，分段模拟护舷的非线性弹性模量，并且在模拟非线性弹性模量的同时可测量护舷的力和变形，有效解决浮式设施物理型试验中护舷非线性弹性模量模拟以及护舷力-变形的测量问题。

附图说明

图1为现有大型弹性模量模拟与护舷力-变形测量装置示意图；

图2为图1中的测量装置受力后结构示意图；

图3为图1所述装置模拟的非线性弹性模量曲线示意图；

图4为本发明实施例所述模拟装置爆炸图；

图5为本发明实施例所述模拟装置爆炸剖面示意图；

图6为本发明实施例所述模拟装置组装后的剖面示意图；

图7为本发明实施例所述模拟装置第一弹簧压缩时的剖面示意图；

图8为本发明实施例所述模拟装置通杆图第一垫片接触时的剖面示意图；

图9为本发明实施例所述第一弹簧和第二弹簧同时压缩时的剖面示意图；

图10本发明实施例所述通杆与第二垫片接触时的剖面示意图；

图11为本发明实施例第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧同时压缩时的剖面示意图；

图12为本发明实施例所述模拟装置达到最大压缩量时的剖面示意图；

图13为本发明实施例所述模拟装置模拟非线性弹性模量曲线示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

具体的，参考图4、图5，模型试验用小型护舷模拟装置爆炸图模型试验用小型护舷模拟装置，包括底座1、与底座1连接的弹性嵌套部以及与弹性嵌套部连接的碰撞头2；所述底座1与弹性嵌套部之间设置有力传感器3，以测量模拟装置受力大小；

所述弹性嵌套部包括通杆4、内套筒5、后套筒6以及前套筒7，所述通杆4、后套筒6和前套筒7上还分别设置有泄压孔s，在水下使用时，用以排出模拟装置内的水；结合图6可以看出，后套筒6的一端与底座1螺纹相连，另一端设置有止挡部61，从图中可以看出，内套筒5的外径小于外套筒6的内径，且内套筒5的一端设置有与止挡部61配合的限位凸起51，以防止内套筒5和后套筒6沿内套筒5长度方向相对滑动时相脱离，且所述止挡部61紧贴内套筒5外壁，内套筒5的另一端通过前套筒7连接至碰撞头2。

另外，图6中，所述通杆4的一端为底盘41，与力传感器3相连接，另一端伸入内套筒5内部，且设置有阶梯肩42、并延伸有缩径凸柱43；在通杆4上还套设有第一弹性体o，所述第一弹性体o的两端分别与通杆底盘41与内套筒5的限位凸起51相接触，当第一弹性体o受力压缩时，内套筒5相对后套筒6和通杆4滑动。所述前套筒7包括通过一隔板71隔离的第一容纳腔72和第二容纳腔73，所述隔板71上设置有可使所述缩径凸柱43穿过的通孔74，且第一容纳腔72和第二容纳腔73内分别设置有第二弹性体p和第三弹性体q，第二弹性体p与内套筒5之间以及第三弹性体q与隔板71之间还分别设置有第一垫片m和第二垫片n，本实施例中，所述第一弹性体、第二弹性体和第三弹性体均采用弹簧，当然，也可以采用其他弹性材料替代，在此不详述。

本实施例提出的模型试验用小型护舷模拟装置，将模型和仪器合为一体，利用弹簧良好的线性弹性模量，分段模拟护舷的非线性弹性模量；其设计核心为多个弹簧的分段受力，初始阶段第一弹簧o受力，弹簧的弹性模量已知，设为e1，受力增大后，第一弹簧o和第二弹簧p同时受力，设其综合弹性模量为e2，以此类推，当第一弹簧o、第二弹簧p和第三弹簧q同时受力时，设三个弹簧的综合弹性模量为e3，依次类推，可将非线性弹性模量通过弹簧分段串联受力达到分段模拟的目的。

具体的，如图6所示，为模拟装置不受力时的结构图，3个弹簧不受力，此时力传感器读数为0，该模拟装置变形为0；图7中，当碰撞头2受力后，通过与其连接的前套筒7和内套筒5，在内套筒的限位凸起51作用下压缩第一弹簧o，第一弹簧o将力作用在通杆底盘41上，由通杆底盘41将作用力传递给力传感器3，假设此时力传感器读数为f1，则模拟装置变形x1为x1＝f1/e1，由此可得到变形及受力大小；图8中，受力继续增大，第一弹簧(即第一弹性体)o继续压缩，到达e1段受力最大时值时，通杆4上的阶梯肩42接触第一垫片m，继续增大受力，参考图9，则通杆4同时压缩第一弹簧o和第二弹簧p，两个弹簧的综合弹性模量为e2，此时力传感器读数为f2，变形x2＝(f2-f1max)/e2+x1max，其中，f1max为弹性模量e1段达到最大压缩形变时所受力的大小，x1max为弹性模量e1段最大压缩量；当受力进一步增大后，第一弹簧和第二弹簧继续压缩，通杆上缩径凸柱43的端部接触第二垫片n，参考图10；当受力继续增大时，从图11、图12可以看出，通杆4同时压缩三个弹簧，三个弹簧的综合弹性模量为e3，此时力传感器读数为f3，模拟装置变形为x3＝(f2-f2max)/e3+x2max，其中f2max为弹性模量e2段达到最大压缩形变时所受力的大小，x2max为弹性模量e2段最大压缩量；图12中，前套筒和后套筒止挡部相接触，达到模拟装置的最大变形量。

本实施例所述方案采用弹簧嵌套的方式，不仅能够模拟护舷的非线性弹性模量，还可以测量力与变形，当然也可以将弹簧固定在底座上；方案结构设计简单、模拟装置采用尼龙材质，仅重40克，其体积和重量大幅减小，使用和安装灵活方便，可以安装在浮式设施模型上，不需要调整参数，率定速度快，从图13中可以看出，其模拟弹性模量与目标弹性模量基本重合，具有较好的模拟效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。