水池船舶碰撞实验系统和碰撞实验方法
【专利摘要】本发明涉及一种水池船舶碰撞实验系统，主要包括正向牵引导向装置，牵引钩(8)，航向稳定机构和反向牵引装置(15)，其中，正向牵引导向装置安装在导轨(7)首端，牵引钩(8)设置在移动架(5)的中点处，牵引钩(8)保持水平状态，船模(9)的前端导向架(22)卡在牵引钩(8)中，正向牵引装置牵引船模(9)向前运动时，牵引钩(8)将船模(9)与移动架(5)连接成整体，船模(9)能随着移动架(5)一起向前加速；航向稳定机构设置在船模的尾部，反向牵引装置(15)设置在水池导轨的尾端，用于在实验中船模加速完成之后对移动架(5)进行减速；本发明结构简单，且实现了对移动架的运动控制，当船模速度达到预定值后其与移动架分离。
【专利说明】水池船舶碰撞实验系统和碰撞实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种船舶碰撞实验技术，特别是涉及一种用于在水池中进行船模加速并使船模与结构物碰撞的实验系统和碰撞实验方法。
【背景技术】
[0002]船舶碰撞是可能造成严重人员生命、财产损失和环境污染的灾难性事故，一般分为两类研究问题:船船碰撞和船与固定物碰撞。现今对船舶与结构物碰撞的研究方法主要是理论分析计算和实船实验研究。由于船舶与结构物碰撞过程涉及到非常复杂的非线性塑性变形过程，理论计算分析误差比较大，采用碰撞实验进行相关研究是必不可少的一部分。目前进行船舶碰撞的实验方法主要包括小尺度模型实验和实尺度实验，但是现今进行实尺度实验会耗费巨大的人力、物力和财力，所以主要以小尺度缩比模型实验作为主要的研究手段。
[0003]2011年12月28日公开的发明专利201010213892.5公开了 “一种船撞桥试验水
池”，其主要内容是:水池两侧设置有纵向轨道，船模拖曳装置横架设于两纵向轨道上，包括纵向行走小车、横向轨道和横向移动装置，纵向行走小车置于两纵向轨道上，可载船模拖拽装置整体沿纵向轨道移动，纵向行走小车上架设有横向轨道，横向移动装置置于横向轨道上，可沿横向轨道移动，横向移动装置下方安装有用于固定船模的固定装置，所述固定装置可以转动。该技术方案虽然提供了一种通过控制船舶模型拖曳装置的纵向行走小车的速度、横向移动装置的位置和转动船模前进的角度来模拟船舶航行中撞桥状态的方法。但是该方案没有设立合理的牵引脱离装置，在碰撞过程中无法对横向移动装置与船舶模型的连接处进行保护，在频繁的碰撞过程中由于碰撞力比较大的缘故可能会导致船舶模型拖曳装置发生损坏。
[0004]2013年08月21日公开的发明专利201310179285 “约束型实验超空泡发生装置”
公开了一种水池船舶实验的牵引系统，其主要内容是:在试验水箱上方装有两根相对布置的“Z”字型导轨，承载滑块与导轨构成滑动副，连接杆的一端与承载滑块连接，另一端安装有实验模型伸入实验水箱内，钢丝的一端与承载滑块连接，另一端与拖拽装置中的卷扬轮连接；在实验过程中启动伺服电机带动卷扬轮转动，通过拖拽钢丝使承载滑块达到一定的实验速度。但是该方案只适用于小模型的空泡现象研究，无法满足对碰撞过程中船舶模型的拖曳工作，且无法保证船舶模型在航行过程中的方向稳定性。
[0005]小尺度缩比模型实验主要包括可靠的船舶控制方法和测试系统，所以研究发明一套可靠的在实验水池中进行的船舶碰撞实验系统显得十分必要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于解决已有的技术缺陷，避免实船碰撞实验时难以控制、耗费巨大等问题，从而提出一种在水池中进行船舶碰撞研究的实验系统和实验方法。其利用可靠的加速方法对水池中的小尺度船模进行加速到预定值，然后通过船模与固定结构物的碰撞获得相应的实验数据。
[0007]本发明的技术方案是提供了一种水池船舶碰撞实验系统，包括正向牵引导向装置，牵引钩，航向稳定机构和反向牵引装置，其特征在于:
[0008]正向牵引导向装置安装在导轨首端，其包括岸上固定架、牵引钢丝绳、卷扬机和移动架；其中，岸上固定架固定在水池的两边，岸上固定架上设有卷扬机，移动架的两端设有导缆孔，钢丝绳穿过导缆孔将卷扬机和移动架连接在一起；
[0009]牵引钩设置在移动架的中点处，牵引钩保持水平状态，船模的前端导向架卡在牵引钩中，正向牵引装置牵引船模向前运动时，牵引钩将船模与移动架连接成整体，船模能随着移动架一起向前加速；关闭正向牵引装置并开启反向牵引装置使移动架时，船模的导向架水平向前运动并与牵引钩分离；
[0010]航向稳定机构设置在船模的尾部，航向稳定机构包括叉形结构，船模尾部设置一根竖直向上的直杆，在船模加速航行过程中，船模尾部直杆插在“L”型杆的叉形结构中；
[0011]反向牵引装置设置在水池导轨的尾端，用于在实验中船模加速完成之后对移动架进行减速。
[0012]本发明还提供了一种水池船舶碰撞实验系统进行碰撞实验的方法:其特征在于包括如下步骤:
[0013]步骤1、将实验船模的船首与船身装配连接，并在船首与船身之间安装测量碰撞力的压力传感器；
[0014]步骤2、实验时，首先将实验船模与移动架的牵引钩和航向稳定装置连接，将实验碰撞板固定安装在夹钳机构之间；
[0015]步骤3、安装实验碰撞板后的动态响应数据采集传感器，并且在水池两边架设高速摄影仪捕捉碰撞实验过程；
[0016]步骤4、启动正向牵引装置将船模加速至预定速度；
[0017]步骤5、当船模速度达到预定值后，正向牵引装置停止工作，同时反向牵引装置开始工作使移动架减速直至停止，此时船模在惯性的作用下与牵引钩和航向稳定机构分离；
[0018]步骤6、船模以一定的速度值向前运动并与实验碰撞板完成碰撞过程，GPS速度测量仪获得碰撞开始瞬间的船模速度值；
[0019]步骤7、实验碰撞板背面的各类数据采集传感器记录下整个碰撞过程中的实验数据，同时高速摄影仪捕捉记录整个碰撞实验过程，实验船模的船首与船身之间的压力传感器测量记录下当前的碰撞力时间历程数据。
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021](I)本发明利用正向牵引装置和反向牵引装置来实现对移动架的运动控制，实验船模与移动架之间通过牵引钩进行连接，当船模速度达到预定值后其与移动架分离。
[0022](2)本发明中，船模在水池中通过导向装置确保与正确的方向和速度在给定位置与碰撞结构物相撞，并有结构物上的数据采集传感器记录下有关数据，该方法准确、快捷、控制方便。
[0023](3)另外，本发明中，由于可以在此水池船舶碰撞实验系统中重复进行各种船舶与结构物之间的小尺度碰撞实验，避免了实船碰撞实验时难以控制和费用高等问题。【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是水池船舶碰撞实验系统的俯视图；
[0025]图2是移动架与实验船模的连接结构图；
[0026]图3是航向稳定机构示意图；
[0027]图4是实验船模的船首与船身连接示意图；
[0028]图5是实验碰撞力数据图；
[0029]图6是实验碰撞力数据图；
[0030]图7是实验碰撞力数据图。
[0031]其中:1水池边界；2岸上固定架；3钢丝绳；4卷扬机；5移动架；6导缆孔；7导轨；8牵引钩；9实验船模；10夹钳结构；11实验用板；12传感器；13GPS速度测量仪；14光电开关；15反向牵引装置；16航向稳定机构；17船尾直杆；18实验船模船首部分；19连接螺栓；20压力传感器；21实验船模船身部分；22船模导向架；23水平连接杆；24叉形结构。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图1-7和实施例对本发明进一步说明。
[0033]在该实施例中，水池船舶碰撞实验系统，包括正向牵弓I导向装置，牵弓I钩8，航向稳定机构和反向牵引装置15。
[0034]其中:如图1所示，正向牵引导向装置安装在导轨7首端，由岸上固定架2、牵引钢丝绳3、卷扬机4和移动架5组成；其中，岸上固定架2固定在水池的两边，岸上固定架2上设有卷扬机4，移动架5的两端设有导缆孔6，钢丝绳3穿过导缆孔6将卷扬机4和移动架5连接在一起；移动架5安装在水池两边的导轨7之上，通过卷扬机4的运转可以使移动架5沿着导轨7进行加速运动；移动架5两端与导轨7连接处安装有滚轮，移动架5在牵引力的作用下可以沿着导轨7方向运动。卷扬机4与移动架7之间的钢丝绳3应与导轨线平行。
[0035]如图2所示，移动架5与实验船模9之间设置有牵引钩8，牵引钩8实现两者之间的联结和分离；在移动架5的中点处固定牵引钩8，牵引钩始终保持水平状态，且实验船模9的前端导向架22恰好固定在牵引钩8中，船模9与牵引钩8连接在一起后只能向前运动，无法向后运动；待试验准备工作完成后开启正向牵引导向装置，移动架5在钢丝绳3的作用下开始沿着导轨7向前加速运动，由于牵引钩8将船模9与移动架5固定成一个整体，故船模9会随着移动架5 —起向前加速；当船模9达到设定速度值后，关闭正向牵引装置，开启反向牵引装置使移动架5开始减速直至停止运动，而此时船模9由于惯性仍然会保持原有速度向前运动，而且由于牵引钩8是个非闭环装置且始终保持水平状态，船模导向架22可以水平向前运动与从而与牵引钩8自然分离。
[0036]船模9在牵引装置作用下通过直线加速达到预定速度值后，移动架5减速，船模9与移动架5脱离并与前方的碰撞结构物相撞。倘若采用移动架5拖拽船舶模型直接与试验结构相撞，在碰撞过程中频繁的碰撞力会使移动架5损坏，所以合理的脱离机构设计是十分关键的。
[0037]如图2所示，由于实验船模9在水池中运动时尾部容易发生摆动，从而影响实验船模与碰撞试件之间的碰撞角度。为了保证实验船模在移动架5的牵引加速过程中保持稳定的直线航行，本技术方案中增加控制船模运动的航向稳定机构。[0038]“L”型杆16的下方是航向稳定机构，航向稳定机构为一个叉形结构24，在船模尾部21连接有一根竖直向上的直杆17，直杆17与船模9连接成一个整体保持相对固定，在船模9加速航行过程中，船模尾部直杆17插在“L”型杆16下方的叉形结构中24。此时船模首部18受牵引钩8控制，船模首部18只能向前加速运动，无法左右运动；同时船模尾部直杆17受到叉形结构24控制，使得船模尾部21在运动过程中也无法左右摇摆运动，船模9便会在航行过程中始终保持航向稳定。由于尾部直杆17比牵引钩8的位置高度低，所以在移动架5与船模9脱离时，尾部直杆17不会影响船模9的运动。当移动架5减速，船模9依靠自身惯性向前运动时，船模首部导向架22与移动架5上的牵引钩8脱离，同时船模尾部直杆17能从叉形结构24的直缝中向前运动直至与航向稳定机构脱离。此时，船模9完全与移动架5脱离，并继续向前运动直至与试验碰撞物11相撞。另外，为了保证与试验船模9的尺寸配套，可以根据船模长度调整水平杆23的长度，使得船模的尾部直杆17始终能插在叉形结构24中。
[0039]如图3所示，在移动架5后方连接有与船模航向平行的“L”型杆16，“L”型杆16与移动架5之间利用水平杆23连接成一个整体，在运动过程中整个“L”型杆16以及连接的航向稳定机构都相对与移动架5保持相对固定。利用“两点确定一条直线”的原理，只要在船模加速过程中保证船模9上两点与移动架5相对固定，那么在船模9与移动架5 —起加速过程中，船模9将始终保持沿着与导轨7平行的水平直线向前行驶。
[0040]另外，在水池导轨的尾端设置一组同样的反向牵引装置15，用于在实验中船模加速完成之后对移动架5进行减速，以及在实验完毕之后将移动架5拉回原点用于下一次实验;
[0041]为了在实验研究中，对于不同质量、不同形式船首部18对于碰撞过程的影响进行实验研究，目前的普遍做法是重新设计不同的实验船模9并进行加工，但是此类做法耗费大量的人力、物力，且对实验资源造成了大量的浪费。为了解决此问题，本发明设计了船首18与船身21可分离的实验船模9，如图4所示。船首部分18与船身21之间通过螺栓19铆接连接，因此可以在更换不同形式船首18时便于拆卸，同时在船首部18与船身21之间安装压力传感器20，在碰撞实验过程中，可以通过压力传感器20获得准确的碰撞力。另外，此类设计只需要设计不同形式的船首结构且船首更换程序简单，同时节约了船模加工成本。
[0042]为了在实验过程中方便改变实验船模9的质量，来研究质量对碰撞过程的影响，在本技术方案中主要采用质量铁块压载的方法，通过将铁块布置在船模中来改变实验船模整体的质量，只要压载铁块的分布满足平衡稳定的要求就不会对实验船模的运动过程产生影响，同时又能比较简单地改变船模的整体质量。
[0043]由垂直立架组成的夹钳机构10，用于将实验用板11夹钳固定在水池中间，夹钳结构可以固定不同结构形式的板架试件，用以研究不同碰撞结构对碰撞过程的影响，待以一定速度运行过来的船模9与实验板11相撞后，实验板11背面安装有动态数据采集传感器12用于采集船模与板相撞后板的相关响应数据。另外，在水池两边架设两台高速摄影仪用于捕捉整个碰撞发生过程。此类实验系统船模控制方法可靠，同时测量数据记录完整，便于研究船舶与结构物的碰撞过程及其相关影响因素。
[0044]在船模中安装有GPS速度测量仪13，当船模9的速度达到设定值后，导轨首端的正向牵引装置停止工作，同时导轨尾端的反向牵引装置15开始工作，移动架5在反向牵引力的作用下开始减速直至停止；此时，船模9由于惯性作用与移动架5脱离，当船模9与实验用板11相撞时速度测量仪13会再次记录船模在碰撞开始瞬间的实际速度值。
[0045]为了保护实验系统中的岸上固定架和移动架等装置，防止在实验过程中两者相撞发生破损，采用缓冲垫和光电开关14进行相关控制和防护。岸上固定架一侧安装缓冲垫，当移动架以一定的速度运动至岸上固定架处，首先与缓冲垫作用减速停止。防止其与岸上固定架直接作用造成两者破坏。
[0046]为了保护正向牵引导向装置，在导轨首端的岸上固定架之前一定距离处，安装有探测移动架的光电开关14，此光电开关14连接在正向牵引装置的电路回路中，一旦移动架在卷扬机的牵引下到达了光电开关14的位置处，正向牵引装置电路回路会立刻断电，同时反向牵引装置开始工作，此时移动架减速直至停止。
[0047]本发明还提供了一种应用水池船舶碰撞实验系统进行碰撞实验的方法:
[0048]步骤1、将实验船模的船首与船身装配连接，并在船首与船身之间安装测量碰撞力的压力传感器；
[0049]该步骤中，实验船模需要根据实验需求进行选择，船首与船身之间的连接方式采用铆接方式。
[0050]步骤2、实验时，首先将实验船模与移动架的牵引钩和航向稳定装置连接，将实验碰撞板固定安装在夹钳机构之间；
[0051]步骤3、安装实验碰撞板后的动态响应数据采集传感器，并且在水池两边架设高速摄影仪捕捉碰撞实验过程；
[0052]步骤4、启动正向牵引装置将船模加速至预定速度；
[0053]进行该步骤之前，需要对所有仪器设备进行调试，正常后方可启动正向牵引装置。
[0054]步骤5、当船模速度达到预定值后，正向牵引装置停止工作，同时反向牵引装置开始工作使移动架减速直至停止，此时船模在惯性的作用下与牵引钩和航向稳定机构分离；
[0055]该步骤中，速度的预定值根据不同的船模和不同的实验目的进行设置。
[0056]步骤6、船模以一定的速度值向前运动并与实验碰撞板完成碰撞过程，GPS速度测量仪获得碰撞开始瞬间的船模速度值；
[0057]步骤7、实验碰撞板背面的各类数据采集传感器记录下整个碰撞过程中的实验数据，同时高速摄影仪捕捉记录整个碰撞实验过程，实验船模的船首与船身之间的压力传感器测量记录下当前的碰撞力时间历程数据；
[0058]更换实验船模的船首形式和实验船模的质量，改变船模加速达到的速度值，重复进行上述实验步骤，完成船舶与碰撞结构物的碰撞实验研究。
[0059]在某一次船舶碰撞实验中，实验船模的总质量为66kg，共测试了 16种不同速度下实验船模与试件碰撞过程中碰撞力的大小，如图5、图6、图7所示。
[0060]尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
【权利要求】
1.一种水池船舶碰撞实验系统，包括正向牵引导向装置，牵引钩(8)，航向稳定机构和反向牵引装置(15)，其特征在于: 正向牵引导向装置安装在导轨(7)首端，其包括岸上固定架(2)、牵引钢丝绳(3)、卷扬机(4)和移动架(5);其中，岸上固定架(2)固定在水池的两边，岸上固定架(2)上设有卷扬机(4)，移动架(5)的两端设有导缆孔(6)，钢丝绳(3)穿过导缆孔(6)将卷扬机(4)和移动架(5)连接在一起； 牵引钩(8)设置在移动架(5)的中点处，牵引钩(8)保持水平状态，船模(9)的前端导向架(22)卡在牵引钩(8)中，正向牵引装置牵引船模(9)向前运动时，牵引钩(8)将船模(9)与移动架(5)连接成整体，船模(9)能随着移动架(5) —起向前加速；关闭正向牵引装置并开启反向牵引装置使移动架(5)时，船模的导向架(22)水平向前运动并与牵引钩(8)分离； 航向稳定机构设置在船模的尾部，航向稳定机构包括叉形结构(16)，船模尾部设置一根竖直向上的直杆(17)，在船模加速航行过程中，船模尾部直杆(17)插在“L”型杆的叉形结构中(16)； 反向牵引装置(15)设置在水池导轨的尾端，用于在实验中船模加速完成之后对移动架(5)进行减速。
2.根据权利要求1所 述的水池船舶碰撞实验系统，其特征在于:船模(9)在牵引装置作用下通过直线加速达到预定速度值后，移动架(5)减速，船模(9)与移动架(5)脱离并与前方的碰撞结构物相撞。
3.根据权利要求1所述的水池船舶碰撞实验系统，其特征在于:移动架(5)安装在水池两边的导轨(7)之上，通过卷扬机(4)的运转使移动架(5)沿着导轨(7)进行加速运动；移动架(5)两端与导轨(7)连接处安装有滚轮，移动架(5)在牵引力的作用下可以沿着导轨(7)方向运动；卷扬机(4)与移动架(7)之间的钢丝绳(3)与导轨线平行。
4.根据权利要求1所述的水池船舶碰撞实验系统，其特征在于:尾部直杆(17)比牵引钩(8)的位置高度低，在移动架(5)与船模(9)脱离时，尾部直杆(17)不影响船模(9)继续向前运动。
5.根据权利要求1所述的水池船舶碰撞实验系统，其特征在于:在导轨(7)首端距离岸上固定架一定距离处，安装有探测移动架的光电开关(14)，光电开关(14)连接在正向牵引装置的电路回路中，当移动架在卷扬机的牵引下到达光电开关(14)的位置处时，正向牵引装置电路回路会立刻断电，同时反向牵引装置开始工作，此时移动架减速直至停止。
6.一种应用权利要求1所述水池船舶碰撞实验系统进行碰撞实验的方法:其特征在于包括如下步骤: 步骤1、将实验船模的船首与船身装配连接，并在船首与船身之间安装测量碰撞力的压力传感器； 步骤2、实验时，首先将实验船模与移动架的牵引钩和航向稳定装置连接，将实验碰撞板固定安装在夹钳机构之间； 步骤3、安装实验碰撞板后的动态响应数据采集传感器，并且在水池两边架设高速摄影仪捕捉碰撞实验过程； 步骤4、启动正向牵引装置将船模加速至预定速度；步骤5、当船模速度达到预定值后，正向牵引装置停止工作，同时反向牵引装置开始工作使移动架减速直至停止，此时船模在惯性的作用下与牵引钩和航向稳定机构分离； 步骤6、船模以一定的速度值向前运动并与实验碰撞板完成碰撞过程，GPS速度测量仪获得碰撞开始瞬间的船模速度值； 步骤7、实验碰撞板背面的各类数据采集传感器记录下整个碰撞过程中的实验数据，同时高速摄影仪捕捉记录整个碰撞实验过程，实验船模的船首与船身之间的压力传感器测量记录下当前的碰撞力时间历程数据。
【文档编号】G01M7/08GK104006943SQ201410260352
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】庄元 , 郑元洲 申请人:武汉理工大学