船舶扭轉原理的模擬裝置及模擬方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船舶扭轉原理的模擬裝置模擬裝置及模擬方法，屬于教學實驗儀器領域。
【背景技術】
[0002]伴隨著全球經濟一體化的發(fā)展，海洋運輸業(yè)發(fā)展迅猛，以集裝箱船為代表的大開口船舶由于其艙室的大開口能夠有效提高裝卸效率，而被廣泛使用。普通船舶在水面上航行受到的扭轉力矩與總縱彎矩相比小得多，因此人們對船舶扭轉強度的研究尚不夠重視，在學習中學生也缺少對船舶扭轉強度的認識，然而大開口船舶由于其大開口的結構特點導致了船體扭轉強度被削弱，因此也造成了眾多事故，故扭轉強度對于大開口船舶來說，其重要性比總縱強度更加值得重視，對大開口船舶的扭轉進行研究也具有越來越重要的意義。
[0003]目前針對大開口船舶扭轉的研究主要集中在計算與軟件分析方面，在教學中只能進行船舶發(fā)生扭轉的外力探討，不能讓學生直觀的看到船舶因受扭矩而發(fā)生的扭轉變形，從而影響學生認知扭轉對大開口船舶造成的危害。目前的研究表明，造成大開口船舶發(fā)生扭轉的原因主要有以下兩類:1)船舶在波浪中航行時受到扭矩；2)船舶由于貨物裝載不平衡受到扭矩。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的技術目的是針對【背景技術】中第I)種情況，提供一種船舶扭轉原理的模擬裝置及模擬方法，方便學生掌握相應的技術知識，提高教學效果。
[0005]本發(fā)明公開的技術方案為:
[0006]船舶扭轉原理的模擬裝置，包括水槽、船模、傳感器系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、信號調理及采樣系統(tǒng)和帶有顯示單元的終端:
[0007]所述船模通過縱向貫穿船模扭轉中心的軸與水槽兩端的槽壁連接，船?？梢栽撦S為中心扭轉，船模到水槽槽壁和水槽底面之間的空間設有若干隔板，所述隔板一端固定在水槽上，另一端通過柔性薄膜與船模連接，所述空間被隔板與柔性薄膜分割為多個環(huán)繞在船模周側的單元水密腔室，柔性薄膜與隔板、船模的連接處密封；
[0008]所述傳感器系統(tǒng)包括布置在船模上的應變傳感器和采集船模扭轉信息的角位移傳感器，所述應力傳感器、角位移傳感器分別與所述信號調理及采樣系統(tǒng)連接，信號調理及采樣系統(tǒng)與所述終端連接；
[0009]所述供水系統(tǒng)包含總進水管、與總進水管連接的若干個單元進水管和控制器，每一個單元水密腔室與一個單元進水管連接，單元進水管上設有流量計和閥門，閥門與控制閥門開度的控制器連接
[0010]在上述方案的基礎上，進一步改進或優(yōu)選的技術方案還包括:
[0011]所述應變傳感器的設置點包括船舶艙室大開口角隅處、船模舷側外板，所述角位移傳感器布置在所述軸上。
[0012]各單元水密腔室在與其對應的隔板上設有讀取水深的刻度，方便觀察船模的吃水深度。
[0013]所述柔性薄膜優(yōu)選采用橡膠柔性薄膜。
[0014]所述船模優(yōu)選采用聚氨酯泡沫塑料制成。
[0015]所述隔板包括一片位于所述軸正下方的縱向隔板和若干片垂直于縱向隔板的橫向隔板。
[0016]所述信號調理及采樣系統(tǒng)包括電荷放大器和多通道數(shù)據采集儀，電荷放大器的輸入端與各傳感器連接，其輸出端與所述多通道數(shù)據采樣儀連接，多通道數(shù)據采集儀與所述終端連接，通過終端顯示采集數(shù)據。
[0017]—種用于如上所述船舶扭轉原理的模擬裝置的模擬方法，包括模擬波形的步驟:
[0018]根據船舶航行水域的波浪狀況，選取某一瞬時波形作分析，借助模擬裝置的各單元水密腔室，將該瞬時波形劃分為對應的若干個階段，對每個階段的波幅擇定一平均值，計算出向單元水密腔室需要注水的量，然后計算出各個單元水密腔室之間的水量之比，通過控制器設定各個閥門的開度，閥門的開度之比與水量之比相同，啟動水栗，向總進水管中注水，形成與所述平均值比例對應的水深。
[0019]有益效果:
[0020](I)此扭轉模擬裝置是模擬大開口船舶發(fā)生扭轉的原理而制成的模擬裝置，作為教學使用的模擬裝置，不是直接加載扭矩，而是模擬船舶航行海況，使實驗真實，易觀察，更具有說服力；
[0021](2)現(xiàn)有的扭轉計算方法及軟件只是用來計算船舶扭轉的翹曲應力，而本模擬裝置可以使學生了解船舶發(fā)生扭轉的基本成因及扭轉發(fā)生的基本原理，船模發(fā)生的扭轉變形，可以使學生對船舶扭轉有一個直觀認識，強化學生對船舶發(fā)生扭轉的機理的理解；
[0022](3)船模由特定材料制成的，與水槽之間柔性連接，受到扭矩作用后會發(fā)生扭轉變形，產生的視覺效果，在教學過程中讓學生的印象深刻；
[0023](4)在船模變形的同時，測量儀器采集到相應的數(shù)據，這樣可以用來說明船模是因為受到扭矩作用而產生扭轉變形的，結合測量數(shù)據，證明扭矩導致船舶發(fā)生扭轉；
[0024](5)在船模根據相似性理論設計與制作的前提下，本扭轉實驗的實驗數(shù)據可映射至實際船舶，用于評估實際船舶的扭轉強度；
[0025](6)供水系統(tǒng)可以按照試驗要求連續(xù)的供水，實時的通過應變傳感器和角度傳感器監(jiān)測船模的位置和應力的變化，更好的理解扭轉實驗變化，達到更好的效果。
【附圖說明】
[0026]圖1為一實施例中前后對稱的船舶與波浪成α角度前進的示意圖；
[0027]圖2為圖1中船舶前半部分吃水情況的示意圖；
[0028]圖3為圖1中船舶后半部分吃水情況的示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明一實施例的整體結構示意圖；
[0030]圖5為船模與水槽的結構示意圖；
[0031]圖6為圖5Α-Α縱向截面的示意圖；
[0032]圖7為圖5Β-Β橫向截面的示意圖。
[0033]上圖中，1-水槽，2-隔板，3-船模，4-柔性薄膜，5-軸，6_角位移傳感器，7_應變傳感器，8-船模大開口，9-電荷放大器，10-多通道信息采樣儀，11-計算機。
【具體實施方式】
[0034]為了闡明本發(fā)明的技術方案及技術目的，下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的介紹。
[0035]—種船舶扭轉原理的模擬裝置，主要由扭轉實驗主體與測量儀器組成。所述扭轉實驗主體由水槽1、具有大開口 8的船模3、連接水槽I與船模3的隔板2和柔性薄膜4等組成。所述測量儀器由刻度尺、傳感器系統(tǒng)、信號調理及采樣系統(tǒng)和帶有顯示單元的終端等組成，所述傳感器系統(tǒng)包括角位移傳感器6、應變傳感器7等，所述信號調理機采樣系統(tǒng)由電荷放大器9和多通道數(shù)據采集儀10構成，所述帶有顯示單元的終端采用計算機11。
[0036](一 )模擬裝置的制作:
[0037]扭轉實驗中的制作大開口船模3選擇具有一定硬度和回彈性的材料，保證船模常態(tài)下能夠維持平衡，受到扭矩時會發(fā)生扭轉變形，在扭矩消失后仍能回復原來的狀態(tài)，如聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫板等。水槽I和隔板2選用具有一定剛度的材料制作。連接船模I與隔板2的柔性薄膜4優(yōu)選采用橡膠薄膜。
[0038]如圖4至圖7所示的一實施例中，所述隔板2包括一片位于船模3縱向中線下方的縱向隔板和三片垂直于縱向隔板的橫向隔板，所述橫向隔板呈“凹”型，其中間留有寬度大于船模3寬度的凹槽，船模3與縱向隔板、橫向隔板之