一种采用U型龙骨梁的水弹性试验船模及其设计方法与流程

本发明涉及船舶试验技术领域，特别涉及一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模及其设计方法。

背景技术：

船舶在其整个服役寿命期间都是在海上航行或停泊作业的，海面上70％以上时间都存在海浪，船舶大部分时间都处于波浪的作用之中。波浪不仅能诱导船舶的六自由度摇荡运动，还会诱导船体结构的载荷响应。波浪载荷是作用于船舶结构上所有外部环境载荷(包括风、浪、流、内波等环境载荷)中最为重要的外部载荷。船舶波浪载荷的准确预报是评估船体结构的屈服、屈曲和疲劳强度等安全性问题的首要任务。由于波浪载荷作用导致的船体结构失效而引起的海难事故时有发生，严重威胁着船员及设施安全，甚至还可能造成海洋生态环境污染。因此，合理预报船舶在波浪作用下的结构载荷与响应是十分必要的。

船舶波浪载荷的研究涉及流体力学与结构力学的交叉学科，是研究船体结构安全性的重要学科。对于大型船舶而言，波浪载荷作用下的船体结构变形不可忽略，船体结构变形又会进一步影响到船体周围的流场信息，进而反过来影响船体结构的外部载荷。船舶水弹性理论是研究流体和弹性船体之间相互耦合作用的一种流体弹性动力学理论。迄今，基于水弹性理论的船舶运动与波浪载荷的理论预报方法已较为成熟并得以广泛应用。然而，由于恶劣海况下高速船舶与流体相互作用的强非线性和数值算法的复杂性，理论方法仍存在很大的局限性并难以给出满意结果，试验方法始终是船舶波浪载荷研究中不可或缺的技术手段。

船舶水弹性试验一般采用分段的船舶模型，通过在壳体内部沿纵向安装柔性龙骨梁连接各分段，从而可有效计及船体结构的弹性变形对波浪载荷的影响。分段模型的船体外壳用于保证船模周围的流场分布与实际情况相似，各分段船壳之间保留一定间隙从而防止船体变形时的相互碰撞和影响。各分段船壳将所受到的流体外力完全传递给龙骨梁，龙骨梁用于模拟连续的船体梁结构在流体力、惯性力和弹性力联合作用下的变形与受力情况。通过在龙骨梁上布置应力传感器即可测得船模所承受的剖面载荷，一般包括剖面上的波浪弯矩、剪力和扭矩等。

现阶段的分段船模水弹性试验一般采用等截面方钢形式的龙骨梁，该类龙骨梁的剖面为矩形的实心截面或空心管状截面，其宽度和高度等截面参数自船首至船尾保持不变。此类矩形截面龙骨梁的优点是结构形式简单、设计加工方便。此外，在矩形截面龙骨梁上布置全桥应变片可以精确测量船体剖面的垂向弯矩，而垂向弯矩也是影响船体总纵强度最为重要的剖面载荷。船体剖面的总载荷包括沿三个坐标轴方向的力，即轴向力、垂向剪力、水平剪力，和绕三个坐标轴的力矩，即垂向弯矩、水平弯矩和扭矩。尽管垂向弯矩是船体结构强度评估中最为重要的载荷成分，然而其他五个载荷成分对于船体结构强度评估也是有一定影响的。另一方面，采用矩形截面龙骨梁通常只能保证船模的垂向弯曲振动的固有频率与实船相似，不能同时保证船模的水平弯曲振动和扭转振动的固有频率也与实船相似。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模，船模采用u型龙骨梁，不仅可以保证船模的垂向弯曲的刚度分布和振动固有频率与实船相似，还可同时保证水平弯曲和扭转的刚度分布和振动固有频率与实船相似。

本发明的另一个目的在于提供了一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模的设计方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模，包括船壳系统和u型龙骨梁，所述船壳系统包括分段船壳、基座以及压载块，所述分段船壳的外轮廓根据实船型线缩放得到，在载荷测量剖面处将船壳断开，形成多个分段船壳，相邻分段船壳的间隙处采用硅胶条密封连接；基座安装于各分段船壳的内部中间位置处；压载块放置于船壳内部；u型龙骨梁自艏至艉纵向连续布置，并与各分段船壳上的基座刚性固定连接；u型龙骨梁包括水平底板、垂直腹板和水平翼板，水平底板内壁宽度、垂直腹板高度以及水平翼板厚度沿船长方向保持不变，各分段船壳内的u型龙骨梁的垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度和扭转刚度与实船相似。

作为优选的技术方案，在各分段船壳基座上方两侧的船壳内部舷侧位置处设置有加强肋骨。加强肋骨可保证各分段船壳具有足够的刚度，防止各船壳的局部结构变形。

作为优选的技术方案，u型龙骨梁截面尺寸在相邻分段船壳间隙以外的靠近船艉方向的一小段范围内完成渐变，使相邻分段船壳间隙范围内的龙骨梁剖面尺寸和刚度为固定值，便于应变片的粘贴和剖面载荷的精确测量。

作为优选的技术方案，所述u型龙骨梁的水平底板与垂直腹板的内壁过度连接处以及垂直腹板与水平翼板的过度连接处设置圆弧倒角，从而避免局部结构的应力集中。

作为优选的技术方案，所述u型龙骨梁与基座通过夹具固定连接，所述夹具包括上夹具和下夹具，上夹具设置于u型龙骨梁水平底板的上表面，下夹具嵌于基座内部。所述上夹具、u型龙骨梁的相应位置处设有多个开孔，下夹具的相应位置处设有内螺纹孔，螺栓依次穿过上夹具、u型龙骨梁以及下夹具进行螺纹连接。

本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：选取并确定船模的几何缩尺比；根据实船的参数信息和相似换算关系，确定船模的相应参数；根据船模的刚度纵向分布情况，确定u型龙骨梁的水平底板内壁宽度、垂直腹板高度和水平翼板厚度，使三个参数沿船长方向保持不变；设计水平底板厚度、垂直腹板厚度和水平翼板宽度，使各分段船壳范围内剖面的垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度和扭转刚度与实船相似；设计压载块的配重和压载方案，使船模的重量分布、重心位置和转动惯量都尽可能接近目标值；计算船模的振动固有频率，并比较船模的振动固有频率设计值与目标值的关系，如存在差异则需要对u型龙骨梁的结构尺寸以及配重压载方案进行合理调整，直至船模的振动固有频率等于目标值。

作为优选的技术方案，u型龙骨梁在各分段船壳范围内的剖面刚度为定值，等于实船在该范围内的平均值的模型换算结果，从而使设计工作得以简化。

作为优选的技术方案，将船模的振动固有频率调整至等于目标值后，确定u型龙骨梁上应变片的布置方案和标定试验方案。在u型龙骨梁的载荷测量剖面处粘贴10个应变片，包括4个单向应变片和6个剪切型应变片，通过求解线性方程组得到船体剖面的六分量波浪载荷。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明的船模采用u型龙骨梁，保证龙骨梁在各测量剖面处的垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度和扭转刚度的纵向分布都与实船相似，同时保证船模的垂向弯曲振动、水平弯曲振动和扭转振动的固有频率都与实船相似，从而可以研究复杂载荷作用下的船体梁弯扭耦合响应。

2.本发明u型龙骨梁上应变片的布置方案可以测量船体剖面载荷的六分量成分(包括沿三个坐标轴方向的力，即轴向力、垂向剪力、水平剪力，和绕三个坐标轴的力矩，即垂向弯矩、水平弯矩和扭矩)，从而为后续的船体结构强度评估提供更加详实的数据。

附图说明

图1是本发明实施例中船模总布置方案的俯视图；

图2是本发明实施例中船模总布置方案的中纵剖面透视图；

图3是本发明实施例中某分段船壳及分段处的局部放大俯视图；

图4是本发明实施例中龙骨梁截面变化形式的局部放大俯视图；

图5是本发明实施例中某分段船壳的中部横剖面视图；

图6是本发明实施例中u型龙骨梁的横截面示意图；

图7是本发明实施例中u型龙骨梁载荷测量剖面的应变片布置方案。

其中：1：分段船壳，2：基座，3：加强肋骨，4：切口间隙，5：u型龙骨梁，6：水平底板，7：垂直腹板，8：水平翼板，9：圆弧倒角，10：渐变段，11：上夹具，12：下夹具，13：螺栓。l：内壁宽度，h：垂直腹板高度，t：水平翼板厚度，t：水平底板厚度，d：垂直腹板厚度，b：水平翼板宽度，r：水平底板与垂直腹板的内壁过度连接处的圆弧倒角半径，r：垂直腹板与水平翼板的过度连接处的圆弧倒角半径，g1-g10：应变片编号。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2所示，一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模，包括船壳系统和u型龙骨梁。船壳系统包括分段船壳、基座以及压载块。分段船壳的外轮廓根据实船型线缩放得到，用于保证船模周围的流场分布与实际情况相似。在载荷测量剖面处将船壳断开并切除相应的船壳宽度从而形成一定的间隙，目的是防止各段船壳发生运动变形时的相互碰撞和影响。采用硅胶条对相邻分段船壳之间的缝隙进行密封连接，能够防止水从缝隙处进入到船体内部。硅胶条具有良好的弹性，不会影响相邻两分段船壳发生自由变形时的受力情况。在各分段船壳的内部中间位置处安装基座，基座上表面作为龙骨梁的安装平台，并使得龙骨梁的中和轴高度与实船中和轴高度一致。压载块放置于船壳内部，对船体外壳进行配重，使船模的排水量和吃水等于目标值，船模的重量分布、重心位置和转动惯量等于目标值。本实施例中，船模长度为4m，船体外壳自艏至艉分成等间距的10段，从而可以测量9个分段切口剖面处的龙骨梁上的波浪载荷，相邻两分段船壳之间保留10mm的缝隙。

u型龙骨梁自艏至艉纵向连续布置，包括水平底板、垂直腹板和水平翼板。其中水平底板用于模拟船底板，垂直腹板用于模拟船体舷侧外板，水平翼板用于模拟船体甲板。u型龙骨梁为变截面形式，内壁宽度、垂直腹板高度和水平翼板厚度沿船长方向保持不变，而水平底板的厚度、垂直腹板的厚度、水平翼板的宽度在不同分段船壳范围内是变化的，从而保证各分段船壳范围内的u型龙骨梁的垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度和扭转刚度与实际值一致。龙骨梁剖面尺寸并非沿纵向连续变化，而是将实船结构离散为有限段，取该段实际值的平均值进行简化设计。

图3是分段船壳及分段处的局部放大俯视图，图4给出了龙骨梁截面尺寸变化形式的局部放大俯视图。u型龙骨梁截面尺寸在相邻分段船壳间隙以外的靠近船艉方向的一小段范围(10mm)内完成渐变，使相邻分段船壳间隙范围内的龙骨梁剖面刚度为固定值。这是因为试验中需要测量分段切口范围处(10mm)的龙骨梁上的载荷，因此需要保证此范围内的龙骨梁刚度是不变的，即截面尺寸是不变的，这样便于应变片的粘贴和剖面载荷的精确测量。

为了保证各分段船壳具有足够的刚度，防止各船壳的局部结构变形，在各分段船壳基座上方两侧的船壳内部舷侧位置处设置有加强肋骨。

u型龙骨梁的水平底板与垂直腹板的内壁过度连接处以及垂直腹板与水平翼板的过度连接处设置圆弧倒角，从而避免局部结构的应力集中。水平底板与垂直腹板的内壁过度连接处的圆弧倒角半径为r，垂直腹板与水平翼板的过度连接处的圆弧倒角半径为r。

u型龙骨梁通过夹具与各分段船壳上的基座刚性固定连接。夹具包括上下两片夹具，上夹具置于u型梁水平底板的上表面，它垫在龙骨梁水平底板上方防止螺栓头部直接作用于龙骨梁而产生的局部应力集中。下夹具嵌于基座内部，通过在基座上开设条形槽孔使下夹具能够水平插入其中。通过螺栓连接u型龙骨梁和基座。为此，上夹具设有4个直径12mm的圆孔，下夹具的相应位置处也设有4个m10的内螺纹孔，龙骨梁的相应位置处也设有4个直径11mm的圆孔。螺栓穿过上夹具和龙骨梁上的开孔以及基座，与基座内部镶嵌的下夹具的内螺纹紧密连接，从而将u型龙骨梁与分段船壳上的基座进行刚性固定。

一种采用u型龙骨梁的水弹性试验船模的设计方法，包括如下步骤：

(1)选取并确定船模的几何缩尺比。船模缩尺比的确定需要综合考虑水池试验条件、模型加工的可行性和成本预算等多方面因素。

(2)根据实船的参数信息和相似换算关系，确定船模的相应参数。实船的参数信息包括主尺度、型线信息、排水量、航速、质量分布、重心位置、转动惯量、刚度分布、振动固有频率等。相似换算中需要考虑几何相似、运动相似、动力相似以及结构刚度相似，并保证船模与实船的傅汝德(froude)数和斯特罗哈尔(strouhal)数相等。

(3)根据船模的刚度纵向分布情况，如图6所示，首先确定u型龙骨梁的水平底板内壁宽度l、垂直腹板高度h和水平翼板厚度t，使这三个参数沿船长方向保持不变。然后通过合理设计水平底板厚度t、垂直腹板厚度d和水平翼板宽度b，使各分段船壳范围内剖面的垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度和扭转刚度与实船相似。

(4)设计压载块的配重和压载方案，使船模的重量分布、重心位置和转动惯量都尽可能接近目标值。重心位置包括重心的纵向、垂向和横向位置。转动惯量包括横摇转动惯量和纵摇转动惯量。

(5)计算船模的振动固有频率，并比较船模的振动固有频率设计值与目标值的关系，如存在差异则需要对u型龙骨梁的结构尺寸以及配重压载方案进行合理调整，直至船模的振动固有频率等于目标值。

振动固有频率包括垂向弯曲振动、水平弯曲振动和扭转振动的固有频率。垂向弯曲振动固有频率、水平弯曲振动固有频率、扭转振动固有频率都选取相应的首阶振动模态的固有频率。

(6)确定u型龙骨梁上应变片的布置方案和标定试验方案。如图7所示，为了测量船体剖面上的所有六分量波浪载荷(包括沿三个轴方向的力，即纵向轴向力fx、水平剪力fy、垂向剪力fz，和绕三个轴的力矩，即扭矩mx、垂向弯矩my和水平弯矩mz)，在每个测量剖面处共采用10个应变片(g1-g10)，其中g1、g4、g7、g10为单向应变片，g2、g3、g5、g6、g8、g9为剪切型应变片。各应变片需要以其靠近龙骨梁的边线为旋转轴转动90度并粘贴至龙骨梁的表面上。实验过程中某时刻各应变片测量的应力值用s1-s10表示，则整个剖面的六分量波浪载荷可通过求解以下线性方程组得到：

其中线性函数表达式f1-f6中的自变量si(i＝1-10)的系数kij(i＝1-10,j＝1-6)可在试验前通过标定试验获得。例如，对于第1个线性方程，总共有4个未知数ki1(i＝1,4,7,10)，那么只要列出4个已知方程即可求解。可以通过4次不同方式的加载和标定实验测得，每次加载都可预先计算出整根梁在测量剖面处的轴向力fx，方程中4个si(i＝1,4,7,10)的读数也可直接测量得到，进而求解4个线性方程组即可得到ki1(i＝1,4,7,10)。同理，其他5个方程中的参数kij(i＝1-10,j＝2-6)也可用该方法进行标定逐一求解得到。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。