本发明公开了一种船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法及装置，该试验装置包括屈曲铰和船体模型；所述船体模型从中部分为两个船体分段，两个船体分段铰接相连，使二者可在竖直方向上相对旋转；所述屈曲铰包括上铰片、下铰片和两个船体连接盘；所述上铰片、下铰片为长条形金属薄片，所述上铰片的厚度和宽度均小于下铰片；所述上铰片、下铰片与船体模型的水线面平行，二者的两端分别固定连接在一个船体连接盘上；两个所述船体连接盘分别与一个船体分段固定相连。该试验方法，采用前述结构崩溃响应试验装置进行试验，通过两个无线倾角仪实时记录各船体分段的纵向倾角运动，得到不同波高下试验模型中部屈曲铰的转角变形。
1.一种船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，其特征在于：包括屈曲铰(1)和船体模型(2)；
所述船体模型(2)从中部分为两个船体分段，两个船体分段铰接相连，使二者可在竖直方向上相对旋转；
所述屈曲铰(1)包括上铰片(1.2)、下铰片(1.3)和两个船体连接盘(1.1)；所述上铰片(1.2)、下铰片(1.3)均为长条形金属薄片，所述上铰片(1.2)的厚度和宽度均小于下铰片(1.3)；所述上铰片(1.2)、下铰片(1.3)一上一下地设置在两个船体连接盘(1.1)之间，且二者均与船体模型(2)的水线面平行；所述上铰片(1.2)的两端、下铰片(1.3)的两端分别固定连接在两个船体连接盘(1.1)上；
所述屈曲铰(1)设置在两个所述船体分段之间，两个所述船体连接盘(1.1)分别与一个船体分段固定相连。
2.根据权利要求1所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，其特征在于：两个所述船体分段上均搭载有传感器装置，所述传感器装置包括可实时测量倾角的无线倾角仪(2.2)和可实时测量波高的波高仪。
3.根据权利要求2所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，其特征在于：所述传感器装置还包括压力传感器(2.3)和/或加速度传感器(2.4)。
4.根据权利要求2所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，其特征在于：两个所述船体分段的上部均设置有隔舱，所述传感器装置设置在隔舱内。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，其特征在于：所述船体模型(2)采用弹性材料制成，所述屈曲铰(1)采用小屈服强度的金属材料制成。
6.一种船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法，其特征在于：
该方法采用如权利要求2所述的结构崩溃响应试验装置进行试验，包括如下试验步骤：
3)两个无线倾角仪(2.2)实时记录各船体分段的纵向倾角运动，而两个船体分段之间的倾角之差便是船体模型(2)中部屈曲铰(1)的转角变形；
4)以步骤3)中得到的转角变形为纵轴，以时间为横轴，绘制屈曲铰(1)的转角变形曲线；对转角变形曲线进行低通滤波处理得到屈曲铰(1)的遭遇变形曲线。
7.根据权利要求6所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法，其特征在于：步骤
4)中，由所述遭遇变形曲线减去转角变形曲线得到屈曲铰(1)的鞭击变形曲线。
8.根据权利要求6所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法，其特征在于：步骤
4)中，低通滤波的临界频率为1.2～1.5倍的水池造波频率。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法，其特征在于：试验中选取的波高范围为18.6mm～142.7mm，每隔15～25mm的波高定义一个工况，重复步骤1)～4)，获得在不同波高下屈曲铰(1)的变形曲线。
10.根据权利要求6～8中任一项所述的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法，其特征在于：在展开结构崩溃响应试验之前，先进行结构崩溃响应试验装置的湿模态敲击试验，获得其在水下的湿模态固有频率。
船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种船体梁结构试验，特别是指一种船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法及装置。
背景技术
[0002] 近年来海洋运输类船舶大型化趋势非常明显，特别是集装箱船越来越大，开口巨大，刚度相对较小，因此船舶的巨型化给船舶结构设计提出了更高的要求。众多研究者投身于发展和改善准确的极限强度计算方法及确定引起船舶结构极限强度的外部波浪条件，研究引起船舶极限强度的海洋波浪条件可以指导船舶结构设计，明确船舶可航行的海况，引导船舶避开较大波高的海况。
[0003] 船舶在海上航行时有时会遭遇大波高的波浪，导致船体结构的断裂失效，研究船舶结构在大波浪下的失效机理一直是船舶力学研究者们梦寐以求的事。试验方法是目前研究波浪作用下的船体结构崩溃响应唯一可行方法。一方面实船的崩溃需要遭遇真实的海洋极端波，实船试验成本巨大且海上大波浪可遇不可求；另一方面由于水池造波的波高过小，普通的缩尺比模型难以在水池波浪下产生崩溃响应。而通常的力学仿真将波浪载荷与结构强度单独计算，未考虑船体在波浪下的运动和流固耦合的影响，难以真实地揭示船舶结构在大波浪下的失效机理。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够在造波水池中产生崩溃响应的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法及装置。
[0005] 为实现上述目的，本发明所设计的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，包括屈曲铰和船体模型；所述船体模型从中部分为两个船体分段，两个船体分段铰接相连，使二者可在竖直方向上相对旋转；所述屈曲铰包括上铰片、下铰片和两个船体连接盘；所述上铰片、下铰片为长条形金属薄片，所述上铰片的厚度和宽度均小于下铰片，以符合船舶上部结构要比下部结构更容易产生屈曲破坏的结构特点；所述上铰片、下铰片一上一下地设置在两个船体连接盘之间，且二者均与船体模型的水线面平行；所述上铰片的两端、下铰片的两端分别固定连接在两个船体连接盘上；所述屈曲铰设置在两个所述船体分段之间，两个所述船体连接盘分别与一个船体分段固定相连。
[0006] 优选地，两个船体分段上均搭载有传感器装置，所述传感器装置包括无线倾角仪和波高仪。无线倾角仪可实时测量倾角，波高仪可获得试验实时的波面时间曲线[0007] 优选地，所述传感器装置还包括压力传感器和/或加速度传感器。压力传感器、加速度传感器分别用于研究船底压力和加速度与结构大变形之间的关系。
[0008] 优选地，两个所述船体分段的上部均设置有隔舱，所述传感器装置设置在隔舱内。
[0009] 优选地，所述船体模型采用弹性材料制成，所述屈曲铰采用小屈服强度的金属材料制成。船体模型采用弹性材料便于在水池波浪下可以产生弹性变形，屈曲铰采用小屈服强度的金属材料便于在水池波浪条件下产生大转角的屈曲变形。更优选地，所述船体模型由聚酯乙烯材料制作，所述屈曲铰由铝合金材料制作。
[0010] 本发明同时提供了一种船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验方法，采用前述结构崩溃响应试验装置进行试验，包括如下步骤：
[0011] 1)将所述结构崩溃响应试验装置置入造波水池内；
[0012] 2)在造波水池内进行造波；
[0013] 3)两个无线倾角仪实时记录各船体分段的纵向倾角运动，而两个船体分段之间的倾角之差便是船体模型中部屈曲铰的转角变形；
[0014] 4)以步骤3)中得到的转角变形为纵轴，以时间为横轴，绘制屈曲铰的转角变形曲线；对转角变形曲线进行低通滤波处理得到屈曲铰的遭遇变形曲线。
[0015] 优选地，步骤4)中，由所述遭遇变形曲线减去转角变形曲线得到屈曲铰的鞭击变形曲线。
[0016] 优选地，步骤4)中，低通滤波的临界频率为1.2～1.5倍的水池造波频率。
[0017] 优选地，上述试验中，波高的范围为18.6mm～142.7mm，每隔15～25mm的波高定义一个工况(即进行一次试验)，重复步骤1)～4)，获得在不同波高下屈曲铰的变形曲线。
[0018] 优选地，在展开结构崩溃响应试验之前，先进行结构崩溃响应试验装置的湿模态敲击试验，获得其在水下的湿模态固有频率，便于分析测试结果的转角曲线是否由于结构共振的原因导致。
[0019] 本发明的有益效果是：本发明采用屈曲铰模拟船体梁中部，即使在小波浪下也可以产生失稳崩溃响应；屈曲铰两端采用船体连接盘承受弯矩作用，使上铰片、下铰片可产生大转角的屈曲变形，从而达到模拟船体梁中部在波浪下的结构崩溃响应，屈曲铰的转角-弯矩曲线符合船体梁的非线性极限强度特征。与传统的船体模型相比，本发明可以实现在造波水池的小波浪中产生结构大变形，便于研究船舶结构在波浪作用下的结构失效机理，解决研究该问题中的技术瓶颈，改变了无法展开船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验的现状。
附图说明
[0020] 图1、图2分别为本发明所设计的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置的主视、俯视结构示意图。
[0021] 图3为图1中屈曲铰的立体结构示意图。
[0022] 图4、图5分别为图3中屈曲铰的主视、俯视结构示意图。
[0023] 图6为波高84.3mm时的低通滤波后的船中遭遇变形曲线和低通滤波后的的鞭击变形曲线，图中，横坐标为时间，纵坐标为变形角度。
[0024] 其中：屈曲铰1、船体连接盘1.1、上铰片1.2、下铰片1.3、螺纹孔1.4、船体模型2、连接耳2.1、无线动态倾角仪2.2、压力传感器2.3、加速度传感器2.4
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0026] 如图1～5所示，本发明所设计的船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验装置，包括屈曲铰1和船体模型2。
[0027] 船体模型2从中部分为两个船体分段，两个船体分段均由聚酯乙烯材料制作，为方驳船状的理想形状，可较好地分析波浪载荷。两船体分段相邻端的两侧分别延伸出一段连接耳2.1，两船体分段的连接耳2.1通过螺丝串接，达到理想铰接方式以消去屈曲铰1的挤压变形和剪切变形，仅保留弯曲变形。
[0028] 屈曲铰1包括上铰片1.2、下铰片1.3和两个船体连接盘1.1，均采用铝合金材料制作。上铰片1.2的两端、下铰片1.3的两端与船体连接盘1.1之间为无焊缝的连续连接，两端船体连接盘1.1承受弯矩作用使铝片可产生大转角的屈曲变形。上铰片1.2、下铰片1.3均为长条形铝片，上铰片1.2的厚度和宽度均小于下铰片1.3。上铰片1.2、下铰片1.3一上一下的设置在两个船体连接盘1.1之间，且二者均与船体模型2的水线面平行。
[0029] 屈曲铰1设置在两个船体分段之间，各船体连接盘1.1上沿周向等角度设置有四个螺纹孔1.4，通过螺栓固定到两个船体分段上。
[0030] 两个船体分段的上部均设置有三个隔舱，中部隔舱内设置有无线倾角仪2.2；靠近屈曲铰1的隔舱的底部设置有压力传感器2.3，上部设置有加速度传感器2.4。此外，隔舱内还可按需增加配重，而船艏处(隔舱外)还布置一个波高仪。
[0031] 以下对采用前述装置进行船体梁在波浪下的结构崩溃响应试验的方法进行说明：
[0032] 在本试验中，通过测试两个船体分段之间的转角变形来反映船体模型在波浪下的大变形。
[0033] 在展开结构崩溃响应试验之前，先进行船体模型2(已安装屈曲铰1)在水里的湿模态敲击试验，获得船体模型2在水下的湿模态固有频率为fs＝1.269Hz。这里测试湿模态固有频率是为了分析数据，分析测试结果的转角曲线是否由于结构共振的原因导致的。
[0034] 本试验在造波水池内进行，该水池装备有能够造任意波浪的造波机。本试验中波高指的是波浪的最高点与最低点之间的高度，通过改变波高来定义不同的工况，而所有工况的波浪波长取一倍模型长度(1.6米)，考虑造波水池的造波能力，所选用工况的波高从18.6mm到142.7mm，约每隔20mm的波高定义一个工况。
[0035] 试验中在船艏处布置一个波高仪，可获得试验实时的波面时间曲线，分别在两个船体分段中间的隔舱中布置一个无线倾角仪2.2，该无线倾角仪2.2记录两个船体分段在极端波下的纵向倾角运动，而两个船体分段之间的倾角运动之差便是试验模型中部屈曲铰1的转角变形。
[0036] 如图6所示，为波高84.3mm时的低通滤波后的船中(屈曲铰)遭遇变形曲线和低通滤波的鞭击变形曲线。在图6(a)中的细线表示为由倾角仪直接测试得到的船中转角变形曲线，这些直接测试得到的转角变形曲线有着明显的震荡现象，特别是在一个变形峰值之后，便跟随着一个瞬态衰减的震荡变形。在图6(a)中的粗线即为低通滤波(低通滤波的临界频率为1.2～1.5倍的造波机造波频率)后的船中遭遇变形，比较船中遭遇变形与整体总变形，有着较好的吻合，表明滤波频率的正确性。图6(b)中的曲线为鞭击变形曲线，由遭遇变形曲线减去转角变形曲线得到，鞭击的转角变形在本试验中成为一种不可忽略的变形，并且能够产生显著的结构崩溃响应。
