一种模拟浮体航行水域环境的水池以及浮体耐波测试方法与流程

本发明涉及船舶与海洋工程，尤其是一种模拟浮体航行水域环境的水池以及浮体耐波测试方法。

背景技术：

1、近十年，大型船舶与大型浮式平台，在浅水环境下遭受的波浪载荷比深水中明显增加，而当停泊并布设在离岸较近的岛礁边，由于珊瑚地形的存在，明显的使得海底地形不是均匀的平面，而是有起伏的突出和凹陷，在此基础上分析大型船舶与大型浮式平台的外载荷，无疑比均匀浅水更加复杂，而且岛礁周围复杂的地形会引起大型船舶与大型浮式平台更大的运动响应，并产生更大的波浪载荷弯矩。在采用数值模拟的方法可以将地形作为边界条件作为输入，但是对于模型试验来讲，能够模拟该地形的唯一有效方法就是在水池底部搭设假底。然而，搭设假底并非易事。

2、目前常规的有两种搭设假底的方法。一种是在水池底部根据需要模拟的地形来砌砖，抹上水泥砂浆进行砌筑假底，这种工艺对水池的影响是，占用水池的时间特别长，对水池有较大的损伤，只适用于单一的地形地貌。另外一种方法是在水池底部用钢板搭建假底，可以较快的模拟地形，但是这种地形特别简单，无法准确地模拟地形地貌。并且，这两种方法都需要水池排水，在水池底部布置完地形后再注水进行测试，试验结束后需要再次排水，清除假底构筑物，恢复水池原貌，既不经济、有效，模拟也不合理、准确。

3、另外，在实际航行过程中，船舶所航行的海底地形复杂，船舶的受力处于持续变化状态；并且当船舶通行于狭窄航道，或者两船交汇时，航行的水域被割裂开，犹如一道墙壁会将波浪运动的辐射势能反射回来作用于船体，尤其对于大型高窄型船舶，以及释放了纵摇的超大型浮体，他们的横向刚度较软，容易发生水平弯曲和扭转。因此，水池试验中，除了常规分析浮体运动响应以及垂向弯矩和垂向剪力的载荷外，同样应该分析复杂地形影响下的所带来的水平弯矩和水平剪力以及扭转载荷对浮体的影响影响。

4、基于现有的水池设计结构，不管在水池的具体功能设计以及水池的可供浮体模型航行的水域面积方面，均难以模拟出上述浮体在复杂水域环境中所受到水平弯矩和水平剪力以及扭转载荷时候的试验条件，因此现有的水池试验条件无法精确评估大型浮体和船舶的结构安全性。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种模拟浮体航行水域环境的水池以及浮体耐波测试方法，从而实现在不排水的情况下，在同一水池精确模拟多种水域环境，便于模拟浮体模型在水中所受到水平弯矩和水平剪力以及扭转载荷时候的试验条件，基于水池试验进行精确评估大型浮体结构安全性，省时省力、经济有效。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种模拟浮体航行水域环境的水池，所述水池包括相对设置的第一长侧壁和第二长侧壁以及相对设置的第一短侧壁和第二短侧壁，还包括底面，所述第一长侧壁、第一短侧壁、第二长侧壁和第二短侧壁依次相连并同时与底面连接形成矩形槽状结构；

4、所述水池注水后水位线位于水面位置，

5、第一长侧壁的上部设置有长边造波机，第一短侧壁的上部设置有短边造波机，第二长侧壁的上部和第二短侧壁的上部均设置消浪岸；

6、还包括相邻且阵列布置于所述底面的多个池底模块和相邻且阵列布置于所述第二长侧壁上的多个侧壁模块；

7、单个池底模块的上端面形状为矩形，多个上端面的垂向投影拼接后与所述底面的形状一致，

8、单个侧壁模块的侧端面形状为矩形，多个侧端面的水平投影拼接后与所述第二长侧壁的形状一致；

9、每个池底模块的上端面相对于所述底面的垂直距离调整后组合形成试验水域环境的水底地形，

10、每个侧壁模块的侧端面相对于所述第二长侧壁的水平距离调整后组合形成试验水域环境的航道壁面结构，所述航道壁面结构在待试验的浮体模型航行方向一侧作用于所述浮体模型，

11、同时水面的位置不变。

12、其进一步技术方案在于：

13、每个池底模块的上端面安装有池底位置传感器，每个侧壁模块的上端面安装有侧壁位置传感器。

14、单个池底模块包括安装于所述底面上的池底一级伸缩单元，所述池底一级伸缩单元的结构为：包括第一伸缩驱动器，所述第一伸缩驱动器的轴线与所述底面垂直设置，所述第一伸缩驱动器的输出端安装有第一移动平台，所述第一伸缩驱动器用于驱动所述第一移动平台改变相对于所述底面的垂直距离；

15、单个侧壁模块的结构包括安装于所述第二长侧壁上的侧壁一级伸缩单元，所述侧壁一级伸缩单元与所述池底一级伸缩单元的结构相同。

16、所述第一移动平台侧面固定设置有第一外侧板，所述第一外侧板和所述第一伸缩驱动器之间的底面上固定设置有第一内侧板，第一内侧板和第一外侧板相互平行，第一外侧板形成套设在第一内侧板外的环形结构。

17、所述第一外侧板的下端设置外侧安装轴，所述第一内侧板的上端设置内侧安装轴，还包括挡帘，所述挡帘的一端卷绕在所述外侧安装轴上，所述挡帘的另一端卷绕在所述内侧安装轴上，所述挡帘为柔性防水材料，所述挡帘处于拉直状态。

18、所述池底一级伸缩单元的第一移动平台上安装有多个池底二级伸缩单元，池底二级伸缩单元上表面的垂向投影拼接后与所述池底一级伸缩单元的第一移动平台形状一致；

19、所述侧壁一级伸缩单元的第一移动平台上安装有多个侧壁二级伸缩单元，侧壁二级伸缩单元的水平投影拼接后与所述侧壁一级伸缩单元的第一移动平台形状一致；

20、侧壁二级伸缩单元与池底二级伸缩单元的结构相同；

21、单个池底二级伸缩单元的结构为：包括垂直安装于第一移动平台上的第二伸缩驱动器，所述第二伸缩驱动器的输出端安装有第二移动平台，所述第二伸缩驱动器用于驱动所述第二移动平台改变相对于所述第一移动平台的垂直距离，所述第二移动平台的侧面固定设置有第二外侧板，所述第二外侧板和所述第二伸缩驱动器之间的第一移动平台上固定设置有第二内侧板，所述第二外侧板与所述第一移动平台相互平行，第二外侧板形成套设在第二内侧板外的环形结构。

22、所述第二内侧板的上端转动安装有上滚轮，所述上滚轮与所述第二外侧板内侧滑动配合，所述第二外侧板的下端转动安装有下滚轮，所述下滚轮与所述第二外侧板的外侧滑动配合。

23、一种浮体耐波测试方法，包括以下步骤：

24、s1：实地测量需要模拟的浮体航行水域环境，生成真实水域环境三维数据；

25、s2：根据浮体模型的缩比值将真实水域环境进行等比例缩比，生成试验水域环境的三维数据；

26、s3：将试验水域环境的三维数据输入水池控制系统，通过水池控制系统控制每个池底模块的上端面相对于底面的垂直距离，调整池底模块的上端面组合形成水底地形，同时通过水池控制系统控制每个侧壁模块的侧端面相对于所述第二长侧壁的水平距离，侧壁模块的侧端面组合形成航道壁面结构，并保证水面位置不变；

27、s4：根据需要的波浪参数控制长边造波机和短边造波机生成需要的波浪，并在第二长侧壁的上部和第二短侧壁的上部进行消浪；

28、s5：浮体模型在水池内沿第一长侧壁长度方向第一短侧壁航行，浮体模型的船艏与来自第一短侧壁方向的波浪相对，浮体模型的一侧与来自第一长侧壁的波浪作用，浮体模型的另一侧与航道壁面结构作用，浮体模型底部与水底地形作用，浮体模型航行的同时浮体模型上的检测系统对浮体模型的受力进行多维度测量。

29、作为上述技术方案的进一步改进：

30、步骤s3中，所述航道壁面结构用于模拟狭窄航道时：水池内上层的所有相邻侧壁模块的侧端面同时向水池内部伸出相同距离，减小浮体模型两侧方向水域的宽度；

31、步骤s3中，所述航道壁面结构用于模拟交汇的船舶时：水池上层中部的多个相邻侧壁模块的侧端面同时位于距离第二长侧壁最远距离的位置，其余侧壁模块的侧端面均位于距离第二长侧壁最近的位置，上层中部的多个相邻侧壁模块上部分位于水面以上且下部分位于水面以下，上层中部的多个相邻侧壁模块沿浮体模型的航行方向长度与待模拟交汇的船舶长度一致；

32、步骤s3中，所述航道壁面结构用于模拟不规则航道时：多个侧壁模块形成相对于第二长侧壁高低起伏的山形结构。

33、浮体模型航行过程中，水底地形相对于水池动态变化；

34、浮体模型航行过程中，模拟不规则航道的航道壁面结构相对于水池动态变化。

35、本发明的有益效果如下：

36、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在矩形结构水池的底面设置多个池底模块，用于形成试验水域环境的水底地形；在浮体模型航行方向一侧的水池的侧壁设置第二长侧壁，用于形成试验水域环境的航道壁面结构，在调节形成试验水域环境的过程中，水面的位置不变，从而实现在不排水的情况下，在同一水池精确模拟多种水域环境，便于模拟浮体模型在水中所受到水平弯矩和水平剪力以及扭转载荷时候的试验条件，基于水池试验进行精确评估大型浮体的结构安全性，省时省力、经济有效。

37、同时，本发明还存在如下优势：

38、(1)通过两端自动回卷式的挡帘连接第一外侧板和第一内侧板，实现池底模块的整体高度变化大的同时保证池底模块和侧壁模块形成的地形外轮廓连续性，使模拟的水域环境更加精确。

39、(2)多个池底二级伸缩单元的组合结构实现了在池底模块上端面的局部形状细化，多个侧壁二级伸缩单元的组合结构实现了侧壁模块侧端面的局部形状细化，使水池中形成的试验水域环境结构连续性更好，与需要模拟的水域环境更加接近。

40、(3)通过水池内的结构动态变化转化为浮体模型相对于试验水域环境的相对运动，在水池的尺寸确定的情况下延长耐波测试的试验水域环境区域面积，使测量数据更多，有助于浮体耐波测试后力学分析。