测量大型集装箱船总纵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总纵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。由于集装箱船的船型细长且主甲板有大货舱开口不连续，使其船体总纵强度特别受到关注。在外部载荷的作用下，集装箱船体可能发生较为显著的总纵变形，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总纵强度计算。

目前对于大型集装箱船总纵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直浪航行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总纵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，从而使得船体的总纵强度校核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。本实验装置验证了总纵弯曲对大型集装箱船体的危害，从而引起学生对总纵强度的重视。

(2)本实验装置的设计可以让学生对大型集装箱船的总纵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总纵强度的知识。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总纵弯曲时的力矩。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总纵强度。对于工程上具有一定的指导意义。

根据已有的研究，集装箱船舶航行在海面上，船舶的大小和几何形状是一定的，浮力与船体吃水、在海面上遭遇的波浪形状、波浪大小以及船体与波浪的相对位置有关。很显然船体在海面上遇到波浪，其波峰较陡，波谷较平坦。当波峰位于船中或波谷位于船中时，船体所受到浮力的影响对其总纵弯曲变形影响最大。通常，波浪对船中形成的中拱(中垂)、水平波浪弯矩和货物载荷叠加构成的外部载荷作用于集装箱船体从而引起船体的总纵弯曲变形。

(1)波浪对船中形成的中拱(中垂)

集装箱船航行在海面上时，由于波浪的影响，船舶的拱垂变形相对于静水而言有不同程度的加剧。在迎浪航行的情况下，集装箱船的总纵垂向弯曲变形通常有两种情况：中拱(图1)--船体中部凸起，首尾两端下垂的纵向弯曲变形。这种情况，一般发生在船舶重量主要分布在船舶的首尾部位，波峰位于船体中部附近。中垂(图2)--船体中部小凹，首尾两端上翘的纵向弯曲变形。这种情况，一般发生在船舶重量主要分布在船舶的中部，波谷位于船体中部附近。

(2)水平波浪弯矩

对于集装箱船舶而言，由于其甲板大开口的结构特性，致使抵御水平外力的能力较弱，通常水平弯曲变形较为明显，产生水平波浪弯矩的直接原因是作用于船体上的水平外力。

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总纵强度的实验装置及实验方法，通过A、B、C三个独立的加载水箱内水的体积的不同，模拟船体在受到迎浪某一时刻的总纵弯曲，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总纵强度的实验装置，包括加载水箱，所述加载水箱内设有若干个隔板，隔板将加载水箱分隔为若干个独立空间，在隔板上放置有船模，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，在加载水箱的两端安装有循环水管，循环水管上安装有循环水泵。

作为优选，所述隔板有两个，将加载水箱分隔为A、B、C三部分。

作为优选，所述隔板与船模通过柔性橡胶薄膜连接，隔板与加载水箱通过玻璃胶连接，隔板上设有开孔。

作为优选，所述循环水管的水通过稳流水箱进入到加载水箱中，在稳流水箱的端口处设有水速仪，本装置主要实现对应波浪状态下的水流速度，从而考虑到水平波浪弯矩是引起总纵弯曲的一部分，在这一点与之前课题组申请的《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》具有原理和试验设置上的不同。

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。

作为优选，在加载水箱的B部分中贴着水线设有玻璃垫板，此装置主要为了实现在一个连贯的三体水箱内，既有水位高度的不同，又可以使水在连贯的三体水箱内实现循环。其原理是，中间水箱B内的水位虽然高于A、C水箱的水位，但是由于玻璃垫板延缓了高出来的水往两侧水箱A、C逃逸的时间，从而在某一瞬时间内可以实现动水平衡状态。而这一点也是之前课题组申请的《波浪中航行的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》所不具备的。

一种上述的测量大型集装箱船总纵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，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，角隅处和中横剖面安装应变片；

(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三个部分，在注水之前先计算出其中一种波浪下的波谷与波峰的高度，此时在注水的过程中使三个加载水箱A、B、C的水位高度同时处于波谷状态，然后将玻璃垫板贴着水线安装在中间的加载水箱B内；

(3)然后进行集装箱船货物载荷的施加，首先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船体总纵弯曲形成时所占的比重，在这里课题组之前申请的《货物装载不平衡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所起到的作用。其次，我们用T型钢材来模拟集装箱对于甲板的载荷，根据实船的集装箱布置我们这里等效的将T型钢材沿着船宽方向排成一行，一共有7行。以次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，与课题组之前申请的《货物装载不平衡大开口船舶扭转实验装置及操作方法》相对而言更加符合实际。

(4)以上工作完成以后，打开循环水泵使水流动循环起来，加载水箱内的水位为波谷时的水位，此时在中间的加载加载水箱B内加水，使其水位高度达到波峰的水位高度，然后，用水速仪分别测量两个稳流水箱端口水的流速，通过调整循环水泵马力的大小得到想要水流速(即对应波浪状态下的水流速)，在船模受到总纵弯曲时，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总纵弯矩，观察实验现象，并进行整理实验数据；

(5)不同波高的波浪对应着不同的水流速度、波谷和波峰的相对位置差。在实验过程中通过调整循环水泵的马力可以得到不同波高下的水流速度。与此同时，每次往A、B、C三个加载水箱内注入不等量的水，但是每一次注水需保证A和C的水线高度相等的同时低于B内的水线高度，从而可以实现船体在不同的波浪内船体始终处于中拱状态。在这里需要注意的是，在每次调整A、B、C三个加载水箱水位高低时，水箱B内的玻璃垫板的位置也要随之进行改变，使玻璃垫板在水箱B内的高度与A、C水箱内的水线水平；多次调整配重砝码的质量来模拟随着船舶的行驶燃油、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，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总纵弯曲时保持平衡状态，当受到总纵弯曲时会发生变形，在总纵弯曲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总纵强度的影响有个深刻的认识。T型钢材主要用来模拟甲板上集装箱对于船体的货物载荷。玻璃加载水箱内的隔板主要的作用是将加载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，一部分为柔性橡胶薄膜，另一部分为开孔的玻璃板。在靠近船体的部位用柔性橡胶薄膜与船体相连接然后在隔板的另一侧用玻璃胶将玻璃板与加载水箱连接。玻璃隔板上开设许多孔，使整个大的加载水箱形成一个贯通的三体水箱，从而可以实现水在整个大加载水箱内是循环流动的。

在本发明中，玻璃垫板的作用主要是为了形成一个瞬时的动水压力平衡。其原理是：当第二次往三个水箱分别注水的时候，这里我们模拟中拱状态，此时中间水箱B内的水位高于A、C水箱的水位，但是由于玻璃垫板延缓了高出来的水往两侧水箱A、C逃逸的时间，从而在某一瞬时间内可以实现动水平衡状态。而这一点也是之前课题组申请的《货物装载不平衡的大开口船舶扭转实验装置及操作方法》所不具备的。

循环水管用刚性材料制作，管道的两侧同加载水箱的两侧相连接，其管道端口放置稳流水箱，目的在于将循环水管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。管道的中间与循环水泵相贯通，配以上述的玻璃垫板从而形成一个暂时的动态压力平衡。

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总纵弯曲的装置。作为教学中的实验装置，通过A、B、C三个独立的加载水箱内水的体积的不同，模拟船体在受到迎浪某一时刻的总纵弯曲，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总纵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总纵弯曲的基本成因及总纵弯曲形成的基本原理，在实验中船模产生总纵弯曲，可以使学生对集装箱船的总纵强度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总纵弯曲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。

(5)船模的测量仪器测出船模受到的总纵弯曲，这样可以用来说明船模是因为受到总纵弯曲作用而产生的变形。

(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总纵强度。

附图说明

图1为中拱示意图。

图2为中垂示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是图3的D-D剖视图。

图5是图3的E-E剖视图。

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3至图5所示，本发明的本发明的测量大型集装箱船总纵强度的实验装置，包括加载水箱1，所述加载水箱1内设有两个隔板3，将加载水箱1分隔为A、B、C三部分，在隔板3上放置有船模4，隔板3与船模4通过柔性橡胶薄膜连接，隔板3与加载水箱1通过玻璃胶连接，隔板3上设有开孔，在船模4上安装有若干个T型材7和若干个配重砝码10，在船模4上还安装有若干个应变片2，应变片2安装在在甲板开口的角隅处和中横剖面处，应变片2与电荷放大器11连接，电荷放大器11依次与多通道信息采集仪12、计算机13连接，在加载水箱1的两端安装有循环水管5，循环水管5上安装有循环水泵8，所述循环水管5的水通过稳流水箱5进入到加载水箱1中，在稳流水箱5的端口处设有水速仪，在加载水箱1的B部分中贴着水线设有玻璃垫板9。

一种上述的测量大型集装箱船总纵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1内，此时将船模4放入加载水箱1内，调整船模4的平衡，待船模4平衡后，用密封胶将柔性橡胶薄膜同船模4相接触的部位进行密封，角隅处和中横剖面安装应变片2；

(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三个部分，在注水之前先计算出其中一种波浪下的波谷与波峰的高度，此时在注水的过程中使三个加载水箱A、B、C的水位高度同时处于波谷状态，然后将玻璃垫板9贴着水线安装在中间的加载水箱B内；

(3)然后进行集装箱船货物载荷的施加，首先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10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，其次，我们用T型钢材来模拟集装箱对于甲板的载荷，根据实船的集装箱布置我们这里等效的将T型钢材沿着船宽方向排成一行，一共有7行。以次来模拟集装箱对于船体的货物载荷；

(4)以上工作完成以后，打开循环水泵8使水流动循环起来，此时在中间的加载加载水箱B内通过外置容器加水，使其水位高度达到波峰的水位高度，以此来模拟船体首尾位于波谷，船中位于波峰，然后，用水速仪分别测量两个稳流水箱5端口水的流速，通过调整循环水泵8马力的大小得到想要水流速，在船模4受到总纵弯曲时，应变片2将产生电信号，通过电荷放大器11将信号放大，最终通过多通道信号采集仪与计算机13来分析得出测出的总纵弯矩，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,在调整水位高低时，玻璃垫板9的位置也要随之进行改变；多次调整配重砝码10的质量来模拟随着船舶的行驶燃油、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。