一种测量船舶砰击力的局部分段切片模型

1.本发明属于落体砰击试验领域，具体涉及一种测量船舶砰击力的局部分段切片模型。


背景技术：

2.船舶在波浪中的砰击是造成船舶破坏和影响船舶安全的重要因素。船舶在波浪中运动时，容易发生砰击颤振现象的是艏部和艉部，目前局部模型落体砰击试验技术是船舶砰击载荷研究的主要手段，因此现有的落体砰击试验模型普遍采用截取艏部、艉部等局部型线制作一个三维的船舶局部模型或者二维的剖面模型作为砰击试验对象，针对完整的艏部或艉部模型进行砰击力测量，并与数值计算结果对比，分析船舶结构是否足够安全。
3.但是现有的砰击力计算和快速预报方法大多是基于势流的二维砰击计算方法，该方法选择将船体受到砰击的艏部和艉部沿船长方向进行切片处理，通过足够多的切片分割将船舶切成一个个近似二维的扁平分段。此时整船入水砰击由许多个切片入水的过程等效替代，而每个切片的入水砰击又可以视为一个二维砰击过程，通过二维的势流理论计算方法分别计算每个切片横剖面受到的砰击力再将各个切片的砰击力计算结果沿船长方向积分得到整船砰击力。这种计算方法用大量理想的二维切片替代真实的三维船舶时忽略了模型流场的三维效应，造成艏部和艉部某些曲率变化较大区域的砰击力计算结果有偏差。
4.在落体砰击试验中模型的砰击力是分析船体模型结构响应的重要输入参数之一，要求试验模型和测量方法能够精确地反映出砰击过程中所受砰击力的大小。目前的落体砰击试验技术只能基于整个艏部或艉部模型进行砰击力的测量，不能单独精确测量船舶艏部和艉部的砰击关心区域和型线曲率变化较大区域的砰击力，对二维切片法预报砰击压力的修正指导意义有限，针对性和精确程度不足。
5.对于现有的分段模型，已经存在一些公开发表的专利，但与本模型的主要结构、主要功能和对应原理上并不一致。专利号为cn110877670b的专利是一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于包括船壳系统、龙骨梁系统以及推进系统；船壳系统包括分段船壳、分段甲板以及基座。
6.该模型的分段为水弹性试验的整船模型的分段且该分段模型为弹性体，与本文的刚体、局部分段模型不一致，分段模型的连接方式与本模型不一致，龙骨梁的结构及刚度相似要求与本模型不一致，测量的物理量与本模型不一致，发明目的与本模型不一致。。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种测量船舶砰击力的局部分段切片模型。
8.本发明的目的通过如下技术方案来实现：
9.一种测量船舶砰击力的局部分段切片模型，包括切片分段艏部模型、龙骨梁、扭矩传感器、龙骨梁夹具、传感器夹具、砰击力传感器、工字梁、龙骨梁传感器轴向固定装置、分段间隔断肋板、中部传感器夹具、龙骨梁砰击力传感器；
10.切片分段艏部模型的各切片分段底部中间位置固定工字梁，工字梁上设置螺栓孔用于连接砰击力传感器和传感器夹具；
11.矩传感器插入传感器夹具中固定，并将龙骨梁穿过各分段的扭矩传感器；将龙骨梁夹具插入相邻的两个传感器夹具之间夹住龙骨梁，并对龙骨梁夹具与相邻的传感器夹具进行轴向固定；在龙骨梁夹具轴向固定完成后将龙骨梁夹具上下两片龙骨梁固定螺栓固定，用于夹紧龙骨梁；
12.将位于中部的龙骨梁夹具和中部传感器夹具采用螺栓固定，再将龙骨梁砰击力传感器固定在中部传感器夹具上面；
13.分段间隔肋板插入相邻的切片分段中间，并用防水胶进行固定。
14.进一步地，所述切片分段艏部模型的切片分段方式是将船舶艏部模型沿模型的横剖面方向切割。
15.进一步地，所述砰击力传感器设置螺栓孔，与各切片分段底部的工字梁和传感器夹具对应布置，通过砰击力传感器固定螺栓固定。
16.进一步地，所述扭矩传感器设置螺栓孔，与传感器夹具对应布置，通过扭矩传感器固定螺栓固定。
17.进一步地，所述龙骨梁与龙骨梁夹具通过龙骨梁固定螺栓固定。
18.进一步地，所述龙骨梁夹具设有和传感器夹具对应的螺栓孔，龙骨梁夹具的宽度与两个传感器夹具之间的宽度一致，使龙骨梁夹具可以与相邻的传感器夹具采用龙骨梁传感器轴向固定装置固定。
19.本发明的有益效果在于：
20.本发明的目的是为了克服三维船体局部模型在落体砰击试验中无法精确测量砰击关心区域和型线曲率变化较大区域砰击力的问题而提供的一种通过对局部模型进行再次分段的落体砰击分段试验模型，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.(1)分段模型的每个分段拥有独立的砰击力传感器，可以精确测量艏部模型砰击关心区域和型线曲率变化较大区域砰击力；
22.(2)扭矩传感器与模型分段对应布置，可以测量分段艏部模型在砰击过程中的扭转力矩，有利于对不同分段进行中针对性分析；
23.(3)分段的三维型线可以帮助分析分段切片在砰击过程中的三维效应，对二维砰击计算方法的数值结果进行修正；
24.(4)分段间隔断肋板补强了模型分段处的刚度，可以防止分段模型在砰击发生过程中受到巨大的砰击力作用发生形变和颤振，维持分段模型的刚体性质。有利于减小砰击力测量误差。
附图说明
25.图1是本发明的整体结构俯视图；
26.图2是本发明模型内部结构的主视图；
27.图3是本发明模型内部结构的侧视图；
28.图4是本发明模型内部结构连接方式的局部放大图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明做进一步描述。
30.如图1-图4，本发明所述的一种测量船舶砰击力的局部分段切片模型，包括一个切片分段艏部模型1、龙骨梁2、测量装置、固定装置、分段间隔断肋板12和整体监测机构13-14；测量装置包括扭矩传感器3、龙骨梁夹具4、传感器夹具5、砰击力传感器6；固定装置包括工字梁7、龙骨梁固定螺栓8、砰击力传感器固定螺栓9、扭矩传感器固定螺栓10、龙骨梁传感器轴向固定装置11；整体监测机构包括中部传感器夹具13和龙骨梁砰击力传感器14；以上所述机构构成发明的基本结构。
31.更具体而言，如图1所示，分段艏部模型1采用玻璃钢(环氧树脂)材料制作，模型的的切片分段方式是将一个完整的船舶艏部模型(一般对应为船舶总长的20％-25％，缩尺比为1:30到1:60)沿模型的横剖面方向切割为15段，各个分段间的间距为5mm。
32.更具体而言，在模型的相邻切片分段中间插入5mm厚的分段隔断肋板12，分段隔断肋板12的横剖面型线与该切口处的模型横剖面型线保持一致，使分段隔断肋板12在插入后不改变模型的型线。分段隔断肋板12中部开方形槽，在不牺牲肋板刚度的前提下，用于布置龙骨梁2和传感器防止两者发生干涉。插入分段隔断肋板12后，需在模型肋板和相邻分段的接缝处涂入足够多的防水胶封闭所有缝隙，避免模型进水，并将模型外表面接缝处打磨光滑。
33.更具体而言，如图1的分段隔断肋板12布置位置所示，模型的艏柱及艏柱后方对应船长2％的部分、艏柱前方的球鼻艏及模型外飘前伸段结构为一整段，不做切割，模型其余部分切分14段。分段切分的具体截面位置同数值模拟中的二维分段切分相对应。
34.更具体而言，如图2和图3所示，在每个切片分段底部的中间位置用环氧树脂(玻璃钢)固定一段足够长的工字梁7，工字梁7上设置螺栓孔用于连接固定砰击力传感器6和传感器夹具5。
35.更具体而言，砰击力传感器6设有螺栓孔，与各个分段底部固定的工字梁7和传感器夹具5对应布置，采用砰击力传感器固定螺栓9进行定位固定，进而实现对各个分段砰击力的针对性测量。
36.更具体而言，扭矩传感器3设有螺栓孔，与传感器夹具5对应布置，采用扭矩传感器固定螺栓10进行定位固定，进而实现对各个分段扭矩的针对性测量。
37.更具体而言，如图2所示，龙骨梁2穿过所有扭矩传感器3，与龙骨梁夹具4采用龙骨梁连接螺栓8进行固定，龙骨梁夹具4布置在龙骨梁2的适当位置用于固定龙骨梁2。
38.更具体而言，龙骨梁夹具4设有和传感器夹具5对应的螺栓孔，龙骨梁夹具4的宽度与两个传感器夹具5的宽度保持一致，确保龙骨梁夹具4可以与相邻的传感器夹具5采用螺杆和螺母组成的龙骨梁传感器轴向固定装置11进行固定。
39.更具体而言，中部传感器夹具13设有和中部的龙骨梁夹具4对应的螺栓孔，两者宽度一致，可采用螺栓固定，中部传感器夹具13在顶部与龙骨梁砰击力传感器14设有对应的螺栓孔。采用螺栓将龙骨梁砰击力传感器14固定在中部传感器夹具13上，进而监测整个模型受到的整体砰击力。
40.本发明通过对艏部进行分段切片将艏部模型的整体砰击力转化为各个分段砰击力的叠加，通过在各个分段布置砰击力和扭转力矩传感器对分段的砰击力和扭转力矩进行
测量。
41.本发明通过工字梁2和传感器夹具5下部分的法兰盘对砰击力传感器6采用专用螺栓固定，通过传感器夹具5上部分的弧形槽对扭矩传感器3采用专用螺栓固定。
42.本发明通过采用一根圆钢管作为龙骨梁2穿过所有的扭矩传感器3，通过圆管实现各个切片分段的串联固定，维持切片分段模型整体型线与完整艏部模型一致，并且在砰击发生时模型不发生颤振。
43.本发明通过通过龙骨梁夹具4采用螺栓将龙骨梁2和中部传感器夹具13固定在模型中。通过中部传感器夹具13采用螺栓固定龙骨梁砰击力传感器14，对模型整体的砰击力进行测量。
44.本发明通过各分段的接缝处插入分段间隔肋板12，采用有机防水胶连接并在模型外表面打磨光滑，确保型线的一致性和流畅性。
45.本发明的安装流程：
46.首先在切片分段艏部模型1各切片分段底部固定工字梁7，再将砰击力传感器6和传感器夹具5固定在工字梁7上。将扭矩传感器3插入传感器夹具5中进行固定，并将龙骨梁2穿过所有扭矩传感器3。将龙骨梁夹具4插入指定的传感器夹具5之间夹住龙骨梁2，并对龙骨梁夹具4进行轴向的固定。在龙骨梁夹具4轴向固定完成后将龙骨梁夹具4上下两片螺栓固定，夹紧龙骨梁2。在固定龙骨梁夹具4后，将中部的龙骨梁夹具4和中部传感器夹具13用螺栓连接固定，再将龙骨梁砰击力传感器14与中部传感器夹具13采用螺栓固定。
47.完成上述布置后，在分段间插入分段间隔肋板12并用防水胶进行固定，将船模外表面打磨光滑即完成了模型的安装。
48.模型安装完成后将模型起吊在砰击试验装置上即可进行试验。
49.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。