一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型

摘要

本发明公开了一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，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，龙骨梁系统包括龙骨梁以及夹具，推进系统包括电机、桨轴、螺旋桨、万向节以及舵机。本发明的桨轴在分段船壳间的分段处断开，并通过万向节连接。万向节可以实现由于船壳发生变形而导致的相邻桨轴之间存在位移和转角变形时桨轴的正常转动。从而实现自航模型既可以采用螺旋桨提供动力，又可以将船体自艏至艉连续分段并安装龙骨梁，从而能够测量船体自艏至艉的任何剖面处的波浪载荷。本发明涉及船舶试验技术领域。

权利要求

1.一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；

所述船壳系统包括分段船壳、分段甲板以及基座，船壳按照实船的几何外形缩放后，在波浪载荷测量剖面处将船壳断开，形成多个分段船壳，相邻分段船壳之间采用硅胶密封条连接，每个分段船壳上方都安装有分段甲板，每个分段船壳底部的中间位置处都固定有基座；

所述龙骨梁系统包括龙骨梁以及夹具，龙骨梁自艏至艉纵向连续布置，并通过夹具固定在基座上；

所述推进系统包括电机、桨轴、螺旋桨、万向节以及舵机，电机安装于船体艉部；桨轴一端与电机连接，另一端与螺旋桨连接，桨轴在分段船壳间的分段处断开，并通过万向节连接；位于船体内部的部分桨轴，穿过基座上的基座通轴孔；舵机安装于船艉并位于螺旋桨正后方。

2.根据权利要求1所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，在相邻分段船壳上的分段缝隙两边安装有加强肋板。

3.根据权利要求2所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，所述加强肋板呈U型，设置在船壳的两舷侧板和底板上，设置于底板上的加强肋板略低于龙骨梁的下表面。

4.根据权利要求1所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，相邻分段船壳在分段缝隙附近的舷侧和底部的外表面上对称设有凹状条痕，用于粘贴硅胶密封条。

5.根据权利要求1所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，所述夹具包括上夹具和下夹具，所述下夹具固定在基座上，所述上夹具固定在龙骨梁上方，上夹具和下夹具对称开有与龙骨梁宽度相等的凹槽。

6.根据权利要求5所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，所述上夹具和下夹具上对称开有圆孔，圆孔与基座上的内螺纹孔对应，螺栓穿过夹具的圆孔并与基座的内螺纹孔连接。

7.根据权利要求1所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，在桨轴穿过船壳位置处安装有轴包套，在轴包套内部的两端嵌入铜环，延伸出船壳外部的桨轴通过轴支架支撑，轴支架的上端固定于船壳内部。

8.根据权利要求7所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，所述轴包套上开有黄油孔。

9.根据权利要求1所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，所述自航模型还包括测量系统，所述测量系统包括应变片以及数据采集仪；所述应变片粘贴在龙骨梁的外表面上，其纵向位置位于分段船壳间分段处的横剖面；应变片通过数据传输线与数据采集仪连接。

10.根据权利要求9所述的一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，其特征在于，所述测量系统还包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪安装在自航模型的重心位置处，所述加速度计安装在自航模型的甲板上。

说明书

一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型

技术领域

[0001] 本发明涉及船舶试验技术领域，特别涉及一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型。

背景技术

[0002] 波浪载荷是作用于船体结构上所有外部环境载荷(包括风、浪、流等环境载荷)中最为重要的流体载荷。由于波浪载荷作用导致的船体结构失效与破坏等海难事故时有发生。因此，合理预报船舶在波浪作用下的载荷响应是十分必要的，也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。由于真实的船体是弹性体，漂浮在海面上的船体结构在波浪外力的作用下会发生运动和变形，船体结构的运动和变形又会进一步影响流场及波浪力。因此，在船舶波浪载荷的研究当中，还需要考虑船体结构的水弹性效应。

[0003] 船舶模型的水弹性试验不仅可以验证水弹性理论方法的正确性，还可用于外推预报实船在海上航行时的运动与波浪载荷。船模水弹性试验一般采用分段船模在水池实验室模拟生成的波浪环境中开展。通过将船模分段并在在壳体内部加装弹性龙骨梁连接各分段，龙骨梁的剖面刚度及振动模态的设计值与实船满足相似关系，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间隙防止船体变形时船壳的相互碰撞。各分段船壳将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结构在流体力、惯性力和弹性力耦合作用下的振动变形与受力情况。通过在龙骨梁上布置应力传感器可以测得船模所承受的剖面载荷(例如弯矩、剪力和扭矩等)。

[0004] 船模水弹性试验一般可分为拖曳模型试验和自航模型试验。拖曳模型在波浪中的航行动力由水池实验室的拖车提供，拖车上安装的适航仪在船模重心位置处施加水平方向的拖曳力。拖曳模型的艉部不需要安装螺旋桨和轴系等推进系统。因此，可将拖曳船模自艏至艉进行分段并用龙骨梁连接，从而可以测量船体任意剖面处龙骨梁上的波浪载荷。另一方面，自航模型试验需要安装船舶推进系统，在船模艉部安装电机、轴系和螺旋桨等推进设备。自航船模在波浪中航行的动力由自身的推进系统提供，螺旋桨旋转过程中会引起艉部流场的剧烈变化，自航模型试验能够合理地考虑艉部螺旋桨伴流场对于船体流场的影响和干扰，因此能够更加准确模拟和反映实船海上航行时的物理现象和受力情况。然而，由于高速旋转的桨轴无法满足变形的要求，且桨轴的长度一般较长，无法对布置桨轴区域的船壳进行分段。因此，通常采用的自航船模仅在船体轴系的前方进行分段并进行波浪载荷测量，而艉部仍采用整段的刚体船壳，无法测量剖面载荷。仅模拟船体轴系前方部分的船体结构弹性变形效应，不能够充分反映全船的水弹性振动响应。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，船模所受到的航行动力由艉部的螺旋桨提供，且可以测量自艏至艉的船体任何剖面处的波浪载荷。

[0006] 本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，包括船壳系统、龙骨梁系统以及推进系统；所述船壳系统包括分段船壳、分段甲板以及基座，船壳按照实船的几何外形缩放后，在波浪载荷测量剖面处将船壳断开，形成多个分段船壳，相邻分段船壳之间采用硅胶密封条连接，每个分段船壳上方都安装有分段甲板，每个分段船壳底部的中间位置处固定有基座；所述龙骨梁系统包括龙骨梁以及夹具，龙骨梁自艏至艉纵向连续布置，并通过夹具固定在基座上；所述推进系统包括电机、桨轴、螺旋桨、万向节以及舵机，电机安装于船体艉部；桨轴一端与电机连接，另一端与螺旋桨连接，桨轴在分段船壳间的分段处断开，并通过万向节连接；位于船体内部的部分桨轴，穿过基座上的基座通轴孔；舵机安装于船艉并位于螺旋桨正后方。

[0007] 作为优选的技术方案，在相邻分段船壳之间的分段缝隙的两边安装有加强肋板。加强肋板用于加强各分段船壳的强度并防止分段船壳变形。

[0008] 作为优选的技术方案，所述加强肋板呈U型，设置在船壳的两舷侧板和底板上，设置于底板上的加强肋板略低于龙骨梁的下表面。船底板上方连接的加强肋板具有较大高度，但要低于龙骨梁的下表面高度。较高的加强肋板不仅能够进一步增强分段船壳的强度，还可以起到水密横舱壁的作用。防止某切口硅胶密封条或船壳破损后浸水的纵向扩散蔓延，可将浸水限制在某段船壳区域内，从而提高船舶的抗沉性和安全性。

[0009] 作为优选的技术方案，相邻分段船壳在分段缝隙附近的舷侧及底部的外表面上对称设有凹状条痕，用于粘贴硅胶密封条。设置凹状条痕，不仅可方便粘贴硅胶密封条，还能够保证船壳外表面光顺。

[0010] 作为优选的技术方案，所述夹具包括上夹具和下夹具，所述下夹具固定在基座上，所述上夹具固定在龙骨梁上方，上夹具和下夹具对称开有与龙骨梁宽度相等的凹槽。龙骨梁放置于上夹具和下夹具组成的凹槽内，可实现水平方向的横向移动受到限制。

[0011] 作为优选的技术方案，所述上夹具和下夹具上对称开有圆孔，圆孔与基座上的内螺纹孔对应，螺栓穿过夹具的圆孔并与基座的内螺纹孔连接。

[0012] 作为优选的技术方案，在桨轴穿过船壳位置处安装有轴包套，在轴包套内部的两端嵌入铜环，延伸出船壳外部的桨轴通过轴支架支撑，轴支架的上端固定于船壳内部。铜环与轴包套过盈配合，能减小桨轴转动时与轴包套的接触面积从而减小摩擦。

[0013] 作为优选的技术方案，所述轴包套上开有黄油孔。在黄油孔内注射黄油不仅可以起到润滑作用，进一步减小桨轴转动时的摩擦力，还可以起到水密作用，防止海水通过轴包套及铜环与桨轴的缝隙浸入船体内部。

[0014] 作为优选的技术方案，所述自航模型还包括测量系统，所述测量系统包括应变片以及数据采集仪；所述应变片粘贴在龙骨梁的外表面上，其纵向位置位于分段船壳间分段处的横剖面；应变片通过数据传输线与数据采集仪连接。

[0015] 作为优选的技术方案，所述测量系统还包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪安装在自航模型的重心位置处，所述加速度计安装在自航模型的甲板上。

[0016] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0017] 1.本发明在分段船壳分段处采用万向节连接断开的桨轴，从而实现自航模型既能够采用螺旋桨提供动力，又能够将船体自艏至艉连续分段并安装龙骨梁，可以测量自艏至艉的船体任何剖面处的波浪载荷。

[0018] 2.本发明自航模型所受到的航行动力由艉部的螺旋桨提供，并非拖曳模型试验中的在船舶重心处施加水平方向拖曳力，可以更加真实地模拟实船海上航行时的运动和受力情况。本发明可将船体自艏至艉连续分段并安装龙骨梁，使船模的振动模态(固有频率和固有振型)更加接近实际情况。

附图说明

[0019] 图1是本发明实施例中自航模型的中纵剖面透视图；

[0020] 图2是本发明实施例中自航模型的内部结构俯视透视图；

[0021] 图3是本发明实施例中自航模型的艉部局部结构俯视图；

[0022] 图4是本发明实施例中自航模型的艉部局部结构仰视图；

[0023] 图5是本发明实施例中相邻分段船壳间分段处的局部视图；

[0024] 图6是本发明实施例中自航模型的艉部局部结构鸟瞰图；

[0025] 图7是本发明实施例中基座与夹具的装配图；

[0026] 图8是本发明实施例中自航模型的艉部局部中纵剖面透视图；

[0027] 图9是本发明实施例中推进系统结构图；

[0028] 图10是本发明实施例中桨轴与万向节的连接装配图；

[0029] 图11是本发明实施例中桨轴与万向节的变形传动示意图；

[0030] 图12是本发明实施例中桨轴穿过轴包套的局部结构图；

[0031] 图13是本发明实施例中龙骨梁横剖面上应变片的布置方案；

[0032] 图14是本发明实施例中全桥式测量电路。

[0033] 其中：1：分段船壳，2：分段甲板，3：基座，4：基座内螺纹孔，5：切口缝隙，6：加强肋板，7：凹状条痕，8：硅胶密封条，9：龙骨梁，10：夹具，11：夹具开孔，12：螺栓，13：电机，14：桨轴，15：螺旋桨，16：轴包套，17：铜环，18：黄油孔，19：轴支架，20：万向节，21：键槽，22：键，23：内螺纹孔，24：顶丝，25：舵机，26：基座通轴孔，27：肋板通轴孔，28：应变片，29：陀螺仪，
30：加速度计，#1-#20：站位，R1-R4：应变片。

具体实施方式

[0034] 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。

[0035] 如图1、2所示，一种船舶水弹性试验的断轴式分段自航模型，包括船壳系统、龙骨梁系统、推进系统、测量系统。模型总长12.50m、型宽1.70m、型深1.10m、吃水0.40m，排水量4.60t。将模型自艏至艉分为等站距的20个站位，标号为#1至#20。

[0036] 船壳系统包括分段船壳、分段甲板、基座。分段船壳按照实船的几何外形缩放后加工得到。在第#2、#4、#6、#8、#10、#12、#14、#16、#18站位处将船模切开分为10段，并测量这9个横剖面位置处的波浪载荷。切口宽度为30mm，将切口宽度范围内的船壳去掉。切口缝隙的目的是防止龙骨梁发生弹性变形时导致固连于龙骨梁上相邻两段船壳发生碰撞。采用硅胶密封条连接相邻的分段船壳，从而对分段切口缝隙进行密封。共采用10块分段甲板安装在各分段船壳的上方，分段甲板之间也保留30mm宽的缝隙避免相互碰撞。分段甲板的作用是防止试验过程中发生甲板上浪时波浪进入到船体内部。在第#1、#3、#5、#7、#9、#11、#13、#15、#17、#19站位处的分段船壳底部中间位置安装基座，用于提供龙骨梁的安装平台。基座宽度为140mm，最大高度距离底部基线530mm。各基座的内部上方预埋有3行2列共6个M20的内螺纹孔，用于龙骨梁系统的安装固定。

[0037] 如图3、4所示，在各分段船壳的两端部(艏艉段船壳的一端部)靠近切口缝隙位置处安装加强肋板，用于加强各分段船壳的强度并防止分段船壳变形。加强肋板采用8mm厚的横框架式薄板，设置在船体的两舷侧板和底板上。船底板上方连接的加强肋板具有较大高度，但要低于龙骨梁的下表面高度，本实施例中的高度为400mm。较高的加强肋板不仅能够进一步增强分段船壳的强度，还可以起到水密横舱壁的作用。防止某切口硅胶密封条或船壳破损后浸水的纵向扩散蔓延，可将浸水限制在某段船壳区域内，从而提高船舶的抗沉性和安全性

[0038] 如图5所示，分段船壳的外表面在靠近切口缝隙处的边缘设有宽度为30mm、深度为2mm的凹状条痕，用于布置和粘贴硅胶密封条。硅胶密封条的厚度等于船壳上设置的凹状条痕深度，为2mm；宽度等于两个船壳凹状条痕宽度与分段切口宽度之和，为90mm；长度等于船体外壳和甲板的横剖面周长之和。硅胶密封条具有良好的弹性，不影响由于龙骨梁变形导致的相邻两分段船壳之间发生变形时的受力情况。硅胶密封条可以起到水密作用，防止水从切口缝隙处进入到船体内部。硅胶密封条粘贴后可保证船壳外表面的曲面光顺，从而保证船体周围流场与实际情况一致。

[0039] 如图6、7所示，龙骨梁系统包括龙骨梁、夹具、螺栓。龙骨梁自艏至艉纵向连续布置，其中心线高度位于船体中和轴高度。分段船壳将所受到的流体动力传递给龙骨梁，龙骨梁用于模拟和反映连续的船体结构在流体力、惯性力和弹性力联合作用下的振动变形与受力情况。龙骨梁自艏部#1站位至艉部#19站位纵向连续布置，并在艏部#1站位和艉部#19站位的基座外缘各向外延伸40mm。龙骨梁采用矩形剖面的管状结构，宽度为284mm、高度为170mm、壁厚为20mm。

[0040] 夹具用于将龙骨梁与基座进行连接和固定，包括上下对称的上夹具和下夹具。下夹具布置在基座上，上夹具布置在龙骨梁上方相应位置。夹具长度为180mm，前后两端均伸出基座20mm；宽度为484mm，左右两端均伸出龙骨梁100mm；厚度为40mm。在龙骨梁宽度范围内，上夹具和下夹具对称设置深度为20mm的凹槽，用于夹紧龙骨梁限制其在水平方向的横向移动。上夹具和下夹具上分别对称开有3行2列共6个直径为22mm的圆孔用于穿过M20的螺栓，开孔位置与基座内螺纹孔保持在同一垂线内，螺栓穿过夹具并与基座内部预埋的内螺纹孔连接。

[0041] 如图8所示，推进系统包括电机、桨轴、螺旋桨、万向节、舵机。本实施例采用双桨双舵船型。两个电机固定安装于船体艉部的#14至#15站位之间，分别用于提供两个螺旋桨的动力。两个螺旋桨位于#19至#20站位之间。桨轴用于将船体内部电机的输出转矩传递给船体外部的螺旋桨，一端连接电机，另一端连接螺旋桨。桨轴直径为28mm。由于桨轴具有较小的1°纵向倾斜角度，电机轴距离底部船壳需要具有一定的高度，因此电机只有在距离螺旋桨一定纵向距离才可满足电机轴与桨轴的同等高度对接。如图9、10、11所示，电机轴线与桨轴的中心线保持一致，并采用万向节连接电机和桨轴，减少由于电机轴和桨轴安装误差引起的传动效率下降和能量损失，从而达到更好的传动效果。电机轴、桨轴、螺旋桨、万向节之间的连接位置都设置键槽和键，从而传递轴系的转矩。此外，万向节的连接处上还安装M6的顶丝，顶丝穿过内螺纹孔23后与万向节固定，防止高速旋转时各连接轴的纵向移动。

[0042] 如图12所示，在桨轴穿过船壳位置处(第#17站位附近)安装轴包套，在船模加工过程中轴包套即镶嵌固定于船体，用于为桨轴提供支撑和导向。轴包套为空心圆柱形套管，长度为650mm，外径50mm，内径40mm。在轴包套内部的两端嵌入外径40.2mm、内径29mm的铜环，铜环与轴包套过盈配合，嵌为一体。铜环能减小桨轴转动时与轴包套的接触面积从而减小摩擦。轴包套上开有黄油孔。在黄油孔内注射黄油不仅可以起到润滑作用，进一步减小桨轴转动时的摩擦力，还可以起到水密作用，防止海水通过轴包套及铜环与桨轴的缝隙浸入船体内部。在第#19站位船体外部安装轴支架用于支撑延伸出船体外部的桨轴，轴支架的上端镶嵌固定于船壳内部。电机与轴包套之间的桨轴位于船体内部，需要穿过基座和加强肋板，因此需要在#15站位的基座和#16站位的相邻两分段船壳上的加强肋板相应位置处分别开设直径120mm的基座通轴孔和肋板通轴孔。在第#16和#18站位的分段切口处将桨轴断开，并采用万向节连接断开的桨轴。万向节可以实现由于船壳发生变形而导致的相邻桨轴之间存在位移和转角变形时桨轴的正常转动。舵机用于控制船模的航向，位于#20站位处的螺旋桨正后方。

[0043] 测量系统包括应变片、陀螺仪、加速度计、数据采集仪。采用全桥式应变片测量剖面的垂向弯矩，即在龙骨梁的上下表面各粘贴2个单向应变片。如图13、14所示，R1-R4表示某测量剖面处的4个应变片，E代表输入的恒定电压，ΔUg为输出的电压变化信号，此信号与应力应变测量信号成线性关系。根据公式M＝σI/z可以将测量的应力转换为剖面的垂向弯矩，其中M为剖面弯矩，σ为测量应力，I为龙骨梁的剖面弯曲惯性矩，z为应变片距离中和轴的高度。9组应变片分别粘贴在9个分段切口处的龙骨梁测量剖面上。

[0044] 在船模重心位置安装陀螺仪测量船模在波浪中的横摇、纵摇和艏摇运动。在船艏部#0站、舯部#10站、艉部#20站的甲板上安装加速度计测量甲板处的垂向加速度。数据采集仪用于存储记录应变片、陀螺仪、加速度计等测量数据，通过数据传输线与各传感器连接。

[0045] 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。