本發(fā)明涉及測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，屬于雙體船的測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)全球化的深入發(fā)展，世界各國(guó)之間的經(jīng)貿(mào)往來(lái)也越來(lái)越頻繁。伴隨著世界航運(yùn)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，以及近年來(lái)人們關(guān)心的環(huán)境問(wèn)題日益地突出，這些都促使著人們開(kāi)發(fā)新的、高性能船型來(lái)代替已有的船型。而雙體船作為一種重要的船型，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越為人們所關(guān)注。由于雙體船的兩個(gè)片體間橫向?qū)挾容^大，所以其比一般單體船具有更大的型寬，從而導(dǎo)致全船長(zhǎng)寬比偏小，于是橫向強(qiáng)度問(wèn)題變的十分突出。總體來(lái)看，雙體船沿寬度方向的尺寸浮動(dòng)非常大，連接橋結(jié)構(gòu)的高度和片體型深相差很多，因此連接橋處就變成了雙體船結(jié)構(gòu)的一處薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)雙體船在航行中遭遇橫向波浪時(shí)，兩個(gè)片體存在一定的吃水差，此種情況下浮力與重力的不平衡將完全由連接橋來(lái)承擔(dān)。

目前對(duì)于雙體船橫向彎矩研究主要集中在外載荷計(jì)算、有限元數(shù)值仿真或拖曳水池中開(kāi)展船模波浪載荷實(shí)驗(yàn)。前兩種基本基于理論計(jì)算，授課過(guò)程中不能讓學(xué)生進(jìn)行直觀的觀察和實(shí)際的動(dòng)手操作，對(duì)于加深學(xué)習(xí)印象方面存在一定的缺陷；后一種由于需要具備一定的試驗(yàn)條件，目前高校中建造的拖曳水池并不多，加之其試驗(yàn)成本比較大，在教學(xué)過(guò)程中存在一定的局限性，因此不適合在授課過(guò)程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行演示。由于以上客觀因素，目前在教學(xué)過(guò)程中只是列出了雙體船在橫浪狀態(tài)下的外力的探討，缺乏經(jīng)濟(jì)、直觀的教學(xué)實(shí)驗(yàn)器材讓學(xué)生親自動(dòng)手操作從而獲得深刻的理解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，作為教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)每個(gè)加載水箱內(nèi)的水的體積不同，模擬片體分別處于波峰與波谷，可以通過(guò)控制其相對(duì)高度來(lái)模擬不同的波高，以及配合使用循環(huán)泵、水速儀來(lái)模擬不同波浪下對(duì)應(yīng)的水流速度，從而模擬雙體船受到的橫向彎矩，使實(shí)驗(yàn)真實(shí)，易觀察，具有說(shuō)服力。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置，該雙體船由第一船體、第二船體和連接橋組成，連接橋與第一船體和第二船體分別連接，所述第一船體位于第一加載玻璃水箱內(nèi)，第一加載玻璃水箱與第一循環(huán)水管連接，在第一循環(huán)水管上安裝有第一循環(huán)泵，在第一循環(huán)水管與第一加載玻璃水箱連接的兩個(gè)端口上分別安裝有第一穩(wěn)流玻璃水箱，第一循環(huán)水管的兩個(gè)端口分別正對(duì)第一船體，在第一加載玻璃水箱內(nèi)安裝有測(cè)量循環(huán)水流速的第一水速儀；所述第二船體位于第二加載玻璃水箱內(nèi)，第二加載玻璃水箱與第二循環(huán)水管連接，在第二循環(huán)水管上安裝有第二循環(huán)泵，在第二循環(huán)水管與第二加載玻璃水箱連接的兩個(gè)端口上分別安裝有第二穩(wěn)流玻璃水箱，第二循環(huán)水管的兩個(gè)端口分別正對(duì)第二船體，在第二加載玻璃水箱內(nèi)安裝有測(cè)量循環(huán)水流速的第二水速儀；在第一船體上的橫艙壁與連接橋相接觸部位貼應(yīng)變片，應(yīng)變片通過(guò)導(dǎo)線與電荷放大器連接，電荷放大器依次與多通道信息采集儀和計(jì)算機(jī)連接。

作為優(yōu)選，所述第一水速儀安裝在第一T型剛性桿上，第一T型剛性桿通過(guò)第一固定套筒安裝在第一加載玻璃水箱上。

作為優(yōu)選，所述第二水速儀安裝在第二T型剛性桿上，第二T型剛性桿通過(guò)第二固定套筒安裝在第二加載玻璃水箱上。

作為優(yōu)選，所述第一加載玻璃水箱和第二加載玻璃水箱上分別設(shè)有顯示水深的刻度。

作為優(yōu)選，所述第一船體、第二船體分別由聚氨酯軟泡沫塑料制作，在第一船體、第二船體長(zhǎng)度方向上的中間部位、肩部過(guò)渡處、尾部過(guò)渡處建造橫艙壁。

一種上述的測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)按照實(shí)驗(yàn)要求，將第一循環(huán)水管和第二循環(huán)水管安裝完畢，向第一加載玻璃水箱和第二加載玻璃水箱注入等量的水；

(2)打開(kāi)循環(huán)泵，讓基臺(tái)上裝置里的水循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的馬力獲得需要的水流速度，同時(shí)保證水速儀的測(cè)量數(shù)值相同，此時(shí)分別記錄第一循環(huán)泵和第二循環(huán)泵上的馬力數(shù)值，以便下次開(kāi)啟循環(huán)泵時(shí)進(jìn)行調(diào)整水速；

(3)將雙體船放入第一加載玻璃水箱和第二加載玻璃水箱內(nèi)，調(diào)整船體平衡，然后在其中的一個(gè)加載水箱內(nèi)加入一定量的水，并讀出其數(shù)值(與上次記錄的數(shù)值做差可得到注水的體積)，此時(shí)打開(kāi)循環(huán)泵，調(diào)整到步驟(2)中所用的馬力，觀察各個(gè)水速儀的測(cè)量數(shù)值是否相同，若不同再進(jìn)行微調(diào)，保證其數(shù)值相同，最后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明中，第一加載玻璃水箱和第二加載玻璃水箱內(nèi)都有固定的水循環(huán)系統(tǒng)，加之配合使用水速儀，以模擬水的流速。船模由聚氨酯軟泡沫塑料制作，這樣可以保證實(shí)驗(yàn)船模具有一定的剛度使其在不受彎矩時(shí)保持平衡狀態(tài)，當(dāng)受到彎矩時(shí)會(huì)發(fā)生直觀的變形，在彎矩消失后仍能回到原來(lái)狀態(tài)。自由浮于水中，而不施加任何的約束，從而保證各個(gè)方向的自由度。船模在制作過(guò)程中，分別在中間部位、肩部過(guò)渡處、尾部過(guò)渡處建造橫艙壁。盛放加載玻璃水箱的基臺(tái)、循環(huán)水管等用剛性材料制作；水箱用玻璃制作其中包括兩個(gè)大的加載水箱用來(lái)分別盛放每個(gè)片體，四個(gè)小型穩(wěn)流水箱作為細(xì)輸水管道的過(guò)渡，從而保證水流由急、細(xì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠓秶?、緩慢流?dòng)狀態(tài)，從而避免了水流對(duì)船體產(chǎn)生局部沖擊力以及吸引力。

將基臺(tái)按照船模的大小合理的固定在地上，然后將兩個(gè)加載玻璃水箱放置在基臺(tái)上，在每個(gè)加載水箱內(nèi)的兩側(cè)分別放置兩個(gè)穩(wěn)流水箱，管道分別穿過(guò)加載水箱和穩(wěn)流水箱，接口處用玻璃膠進(jìn)行膠合。一個(gè)加載水箱和兩個(gè)穩(wěn)流水箱之間通過(guò)管道與循環(huán)泵連接，從而形成一個(gè)閉合的水循環(huán)系統(tǒng)，在保證每個(gè)加載水箱內(nèi)的水位不發(fā)生變化的情況下，模擬水的流動(dòng)性，從而產(chǎn)生水動(dòng)壓力。

實(shí)驗(yàn)時(shí)先分別在兩個(gè)加載水箱里注入等量的水，記錄其數(shù)值，開(kāi)動(dòng)水循環(huán)泵，使水循環(huán)流動(dòng)。同時(shí)用水速儀測(cè)量其附近的水流速度，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)水泵馬力的大小保證每個(gè)水速儀的測(cè)量值相同，記錄循環(huán)泵的馬力大小，以便二次開(kāi)動(dòng)水泵時(shí)方便調(diào)整。此時(shí)關(guān)閉循環(huán)泵，將船模放入水箱中，調(diào)整船模的平衡，平衡后在其中的一個(gè)片體水箱內(nèi)單獨(dú)加入水，使兩個(gè)盛放片體的玻璃水箱形成一個(gè)水的高度差，以此來(lái)模擬一個(gè)片體位于波峰、一個(gè)片體位于波谷。然后，重新打開(kāi)循環(huán)泵，通過(guò)微調(diào)保證水速儀測(cè)得的流速相同，以此來(lái)模擬波浪中受到水的水動(dòng)壓力。此時(shí)由于船體的重力、片體浮力、水動(dòng)壓力的橫向分布不同，船舶在滿足平衡狀態(tài)的過(guò)程中，產(chǎn)生橫傾運(yùn)動(dòng)，在橫傾的過(guò)程中使船體的橫向梁產(chǎn)生橫向彎矩。

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)證明，橫艙壁與連接橋相連處為應(yīng)力集中區(qū)，故在實(shí)驗(yàn)中貼應(yīng)變片時(shí)應(yīng)變片貼在橫艙壁與連接橋相連接處，此處受到的橫向彎矩最大，這樣可以使測(cè)量值更佳靈敏和明顯。

一種測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置在教學(xué)中主要由以下三方面優(yōu)點(diǎn)：

(1)雙體船舶受到的橫向彎矩與總縱彎矩相比大很多，是雙體船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題主要考慮方面。目前在教學(xué)中一般是基于理論的講解而缺乏實(shí)際操作，從而使同學(xué)們對(duì)其認(rèn)識(shí)不夠。本實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了橫向彎矩對(duì)船舶的危害，從而引起學(xué)生對(duì)雙體船橫向彎矩的重視。

(2)本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生對(duì)船舶橫向強(qiáng)度有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，在具有直觀認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上掌握有關(guān)船舶橫向彎矩方面的知識(shí)。

(3)本實(shí)驗(yàn)裝置可以直接讀取船舶橫向彎曲時(shí)的力矩。在本實(shí)驗(yàn)裝置的船模根據(jù)相似性理論設(shè)計(jì)與制作的前提下，本扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可映射至實(shí)際船舶，用于評(píng)估實(shí)際船舶的橫向強(qiáng)度。

根據(jù)已有的研究，雙體船在波浪中航行時(shí)，當(dāng)浪向?yàn)?0°或180°時(shí)，雙體受到橫向彎矩作用。當(dāng)一個(gè)片體位于波谷，其吃水會(huì)比正浮吃水降低，所受浮力減至最小；另一個(gè)片體則恰好處于波峰位置，其吃水會(huì)比正浮吃水升高，所受浮力增加至最大。兩片體間的浮力差也達(dá)到最大值，此時(shí)由于船體的重力、片體浮力、水動(dòng)壓力的橫向分布不同，船舶在滿足平衡狀態(tài)的過(guò)程中，產(chǎn)生橫傾運(yùn)動(dòng)，在橫傾的過(guò)程中使船體的橫向梁產(chǎn)生橫向彎矩。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本實(shí)驗(yàn)裝置是一種測(cè)量雙體船橫向彎距的裝置，作為教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)每個(gè)加載水箱內(nèi)的水的體積不同，模擬片體分別處于波峰與波谷，可以通過(guò)控制其相對(duì)高度來(lái)模擬不同的波高，從而模擬雙體船受到的橫向彎矩，使實(shí)驗(yàn)真實(shí)，易觀察，具有說(shuō)服力。

(2)現(xiàn)有的橫向彎矩?cái)?shù)值計(jì)算方法及軟件只是基于理論，理解起來(lái)比較抽象，而本實(shí)驗(yàn)裝置可以使學(xué)生了解船舶產(chǎn)生橫向彎矩的基本成因及橫向彎矩發(fā)生的基本原理，在實(shí)驗(yàn)中船模產(chǎn)生橫向彎矩，可以使學(xué)生對(duì)雙體船的橫向彎矩問(wèn)題有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)與理解。

(3)船模是由特殊材料制成的，當(dāng)船模受到外力作用后會(huì)發(fā)生一定的變形，這樣的視覺(jué)效果，在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生的印象深刻。

(4)本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统浞挚紤]了船體受到的動(dòng)水壓力，調(diào)節(jié)循環(huán)泵的馬力以及配合水速儀的測(cè)量數(shù)值來(lái)模擬不同波浪下對(duì)應(yīng)的水流速度。

(5)船模的測(cè)量?jī)x器測(cè)出船模受到的橫向彎矩，這樣可以用來(lái)說(shuō)明船模是因?yàn)槭艿綑M向彎矩作用而產(chǎn)生的變形，結(jié)合著測(cè)量數(shù)據(jù)，證明橫向彎矩導(dǎo)致船舶發(fā)生橫向彎曲。

(6)在本實(shí)驗(yàn)裝置的船模根據(jù)相似性理論設(shè)計(jì)與制作的前提下，本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可映射至實(shí)際船舶，用于評(píng)估實(shí)際雙體船舶的橫向彎曲。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為玻璃加載水箱的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的A-A剖視示意圖。

圖4為圖2的B-B剖視示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明的測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置，該雙體船由第一船體4、第二船體和連接橋6組成，連接橋6與第一船體4和第二船體分別連接，所述第一船體4位于第一加載玻璃水箱3內(nèi)，第一加載玻璃水箱3與第一循環(huán)水管8連接，在第一循環(huán)水管8上安裝有第一循環(huán)泵11，在第一循環(huán)水管8與第一加載玻璃水箱3連接的兩個(gè)端口上分別安裝有第一穩(wěn)流玻璃水箱2，在第一加載玻璃水箱3內(nèi)安裝有測(cè)量循環(huán)水流速的第一水速儀7；所述第二船體位于第二加載玻璃水箱內(nèi)，第二加載玻璃水箱與第二循環(huán)水管連接，在第二循環(huán)水管上安裝有第二循環(huán)泵，在第二循環(huán)水管與第二加載玻璃水箱連接的兩個(gè)端口上分別安裝有第二穩(wěn)流玻璃水箱，在第二加載玻璃水箱內(nèi)安裝有測(cè)量循環(huán)水流速的第二水速儀；在第一船體4上的橫艙壁與連接橋6相接觸的位置上安裝應(yīng)變片5，應(yīng)變片5通過(guò)導(dǎo)線與電荷放大器12連接，電荷放大器12依次與多通道信息采集儀13和計(jì)算機(jī)14連接。

在本發(fā)明中，所述第一水速儀7安裝在第一T型剛性桿9上，第一T型剛性桿9通過(guò)第一固定套筒10安裝在第一加載玻璃水箱3上，所述第二水速儀安裝在第二T型剛性桿上，第二T型剛性桿通過(guò)第二固定套筒安裝在第二加載玻璃水箱上。

在本發(fā)明中，所述第一加載玻璃水箱3和第二加載玻璃水箱上分別設(shè)有顯示水深的刻度。所述第一船體4、第二船體分別由聚氨酯軟泡沫塑料制作，在第一船體4、第二船體長(zhǎng)度方向上的中間部位、肩部過(guò)渡處、尾部過(guò)渡處建造橫艙壁。

一種上述的測(cè)量雙體船橫向彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)首先在第一加載玻璃水箱3和第二加載玻璃水箱內(nèi)標(biāo)注刻度以便直接讀取各個(gè)水箱內(nèi)水深，把第一T型剛性桿9和第二T型剛性桿固定在第一加載玻璃水箱3和第二加載玻璃水箱上，固定時(shí)使其靠近舷側(cè)；將第一水速儀7和第二水速儀固定在第一T型剛性桿9和第二T型剛性桿上，最后應(yīng)變片5的安裝位置的選擇，這里我們選擇放在橫艙壁與連接橋6接觸處，因?yàn)檫@里為整體受力集中處，測(cè)量現(xiàn)象更加明顯，在船模產(chǎn)生橫向彎矩時(shí)，應(yīng)變片5將產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)電荷放大器12將信號(hào)放大，最終通過(guò)多通道信號(hào)采集儀與計(jì)算機(jī)14來(lái)分析從而測(cè)出彎矩；

(2)打開(kāi)循環(huán)泵，讓每個(gè)基臺(tái)1上裝置里的水循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的馬力獲得需要的水流速度，同時(shí)保證水速儀的測(cè)量數(shù)值相同，此時(shí)記錄循環(huán)泵上的馬力數(shù)值，以便下次開(kāi)啟循環(huán)泵時(shí)進(jìn)行調(diào)整水速；

(3)將雙體船放入第一加載玻璃水箱3和第二加載玻璃水箱內(nèi)，調(diào)整船體平衡，然后在其中的一個(gè)加載水箱內(nèi)加入一定量的水，并讀出其數(shù)值(與上次記錄的數(shù)值做差可得到注水的體積)，此時(shí)打開(kāi)循環(huán)泵，調(diào)整到步驟(2)中所用的馬力，觀察各個(gè)水速儀的測(cè)量數(shù)值是否相同，若不同再進(jìn)行微調(diào)，保證其數(shù)值相同，最后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。