一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置及其方法。其装置包括箱体，其内设置有轨道、弹簧系统和上下水平布置并相互平行的固定板和拉力板，拉力板可沿轨道上下滑动；弹簧系统由多根不同长度的弹簧和连接拉杆组成。根据待模拟缆绳的受力变形特性，计算确定各弹簧和拉杆的长度，组成弹簧系统与拉力板保持连接，分级施加拉力，并测定相应的拉力板伸长量，通过不同长度弹簧系统模拟缆绳的非线性拉力-伸长量关系，绘制拉力-伸长量关系曲线，与模拟缆绳受力变形理论曲线进行对比并检验试验结果误差。本发明解决了船舶系泊物理模型试验中缆绳非线性荷载变形关系模拟的技术问题，可操作性好、精确性和效率高、试验效果佳。
【专利说明】一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水运工程【技术领域】，涉及一种适用于海岸、近海和内陆水域的船舶系 泊物理模型试验装置及其方法，特别是一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置及其方 法。
【背景技术】
[0002] 随着经济全球化的发展，海运以经济、高效、安全以及环保的独特优势占据了远程 运输市场的支撑地位，航运事业蒸蒸日上的发展给船舶大型化和码头深水化带来了前所未 有的契机，同时也对港口建设的要求也提出了新的挑战。伴随着大型泊位的迅猛发展，常会 发生在风、波浪、潮流等作用下大型船舶发生系船缆绳断裂的现象，由此引起严重的事故。 码头前系泊船舶缆绳的受力与船舶运动具有非常复杂的关系，它不仅涉及到护舷、系缆力 等对船舶的非线性约束，同时还涉及风、水流动以及波浪的作用，而且不同的码头泊位布置 方案如码头长度、结构布置等也会直接影响到船舶的系缆力的分布。其中，系泊缆绳的布置 方式、使用数量、初张拉力以及材料种类都会对船舶和码头结构的安全与正常运行产生重 要的影响。如上所述，由于船舶所受外荷载的多样性，缆绳受力十分复杂，因此常需要通过 船舶系泊物理模型试验的方法对码头泊位和系泊船舶缆力设计等进行验证和优化。缆绳的 受力变形特性与其长度、直径以及材料等因素有关，表现为明显的非线性特点。
[0003] 目前常用的船舶系泊物理模型试验中，无法进行缆绳的拉力与变形的非线性关系 的模拟，主要考虑缆绳弹性模量的模拟，一般是寻找变形相似的材料，如以缩小的钢丝绳、 尼龙线等性能接近的材料来进行试验，在实验中要分开考虑缆绳的拉力和变形，需进行多 次实验。可操作性和精确性较差，试验效率低，而且试验效果差。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种可进行缆 绳的非线性拉力变形模拟试验、可操作性好、精确性和效率高、试验效果佳的船舶系泊物理 模型试验中缆绳模拟装置及其方法。
[0005] 本发明的技术目的是这样实现的：一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置， 包括有箱体，其特征在于：
[0006] 在箱体内设置有轨道、弹簧系统和上下水平布置并相互平行的固定板、拉力板，所 述的拉力板可沿轨道上下滑动；
[0007] 所述的固定板上设有数个上板孔，所述的拉力板上设有数个下板孔，所述的上板 孔和下板孔的数量相等，各孔上下对应，且上下对应孔的圆心的坚直投影相重合；
[0008] 所述的弹簧系统由与下板孔的数量相等的数根弹簧所组成，所述的弹簧的上端刚 性连接有拉杆；所述的拉杆可滑动地穿过固定板的上板孔内；弹簧的下端穿过拉力板的下 板孔保持自由；
[0009] 所述的固定板上表面中心处设置有一坚直向上的固定杆；所述的拉力板下表面中 心处设置有一向下延伸的柔性件。
[0010] 所述固定板刚性连接到箱体内壁上；固定板的下表面与轨道的上端部相接触。
[0011] 所述的弹簧的刚性系数相同；弹簧的直径至少不大于拉力板的下板孔的直径。
[0012] 所述的拉杆上标有长度刻度；拉杆的直径至少不大于固定板的上板孔的直径；拉 杆的远离弹簧的一自由段上设有限位螺母。
[0013] 所述的轨道上标有与拉杆相同标准的长度刻度；轨道上设有限位器。
[0014] 所述的拉力板的下板孔内设有定位螺丝。
[0015] 所述的固定杆的远离固定板圆心的一端固定于试验点；固定杆至少是钢、铜、或橡 胶等材质的一种高抗拉和压强度的刚性杆件。
[0016] 所述的柔性件的远离拉力板圆心处的一端施加有拉力荷载；柔性件至少是钢丝绳 或高分子尼龙绳等材质的一种高抗拉强度的柔性绳索。
[0017] 所述箱体的水平剖面为圆形、正方形或矩形的一种。
[0018] 本发明的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟方法，其特征在于，使用上述的 装置，包括以下步骤：
[0019] (1)根据原型缆绳的荷载变形特性和物理模型试验设计，确定模型试验中待模拟 缆绳荷载变形特性曲线，并选取若干点作为模拟控制点（Pi，Pi为各控制点对应 的拉力荷载，Si为各控制点对应的伸长量，η为模拟控制点数目。
[0020] (2)采用公式
【权利要求】
1. 一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，包括箱体（1)，其特征在于： 在箱体（1)内设置有轨道（3)、弹簧系统（8)和上下水平布置并相互平行的固定板 (2)、拉力板（4)，所述的拉力板（4)可沿轨道（3)上下滑动； 所述的固定板（2)上设有数个上板孔（21)，所述的拉力板（4)上设有数个下板孔 (41)，所述的上板孔（21)和下板孔（41)的数量相等，各孔上下对应，且上下对应孔的圆心 的坚直投影相重合； 所述的弹簧系统（8)由与下板孔（41)的数量相等的数根弹簧（81)所组成，所述的弹 簧（81)的上端刚性连接有拉杆（6);所述的拉杆（6)可滑动地穿过固定板（2)的上板孔 (21)内；弹簧（81)的下端穿过拉力板（4)的下板孔（41)保持自由； 所述的固定板（2)上表面中心处设置有一坚直向上的固定杆（11);所述的拉力板（4) 下表面中心处设置有一向下延伸的柔性件（9)。
2. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述固定板（2)刚性连接到箱体（1)内壁上；固定板（2)的下表面与轨道（3)的上端部相 接触。
3. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述的弹簧（81)的刚性系数相同；弹簧（81)的直径至少不大于拉力板（4)的下板孔（41) 的直径。
4. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述的拉杆（6)上标有长度刻度；拉杆（6)的直径至少不大于固定板（2)的上板孔（21)的 直径；拉杆（6)的远离弹簧（81)的一自由段上设有限位螺母（5)。
5. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述的轨道（3)上标有与拉杆（6)相同标准的长度刻度；轨道（3)上设有限位器（12)。
6. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 在所述的拉力板（4)的下板孔（41)内设有定位螺丝（7)。
7. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述的固定杆（11)的远离固定板（2)圆心的一端固定于试验点（13);固定杆（11)至少是 钢、铜、或橡胶等材质的一种高抗拉和压强度的刚性杆件。
8. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述的柔性件（9)的远离拉力板（4)圆心处的一端施加有拉力荷载（14);柔性件（9)至少 是钢丝绳或高分子尼龙绳等材质的一种高抗拉强度的柔性绳索。
9. 根据权利要求1所述的一种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟装置，其特征在于： 所述箱体（1)的水平剖面为圆形、正方形或矩形的一种。
10. -种船舶系泊物理模型试验中缆绳模拟方法，其特征在于，使用权利要求1至9所 述的装置，包括以下步骤： (1)根据原型缆绳的荷载变形特性和物理模型试验设计，确定模型试验中待模拟缆绳 荷载变形特性曲线，并选取若干点作为模拟控制点（Pi, $)? = 1，...，η, Pi为各控制点对应的拉 力荷载（14)，Si为各控制点对应的伸长量，η为模拟控制点数目； (2) 采用公式
计算确定每根弹簧（81)的长 度LyK为弹簧刚度系数，弹簧（81)的数量为n，与模拟控制点数一一对应； (3) 根据计算所得第一根弹簧（81)长度U，关闭轨道（3)上的限位器（12)，限定拉力 板（4)位置，放松与第一根弹簧（81)相对应的拉杆（6)上的限位螺母（5)，通过调节拉杆 (6)使得固定板（2)和拉力板（4)之间的第一根弹簧（81)长度为U，拧紧拉力板（4)上相 应定位螺丝（7)固定第一根弹簧（81)的一端，调节与该弹簧（81)相连的拉杆（6)上相应 限位螺母（5)的位置，确保限位螺母（5)与固定板（2)之间的距离为零，然后拧紧限位螺母 (5)； (4) 根据计算所得第i根弹簧（81)长度Q，放松与第i根弹簧（81)相对应的拉杆（6) 上的限位螺母（5)，通过调节拉杆（6)使得固定板（2)和拉力板（4)之间的第i根弹簧（81) 长度为Q，拧紧拉力板（4)上相应定位螺丝（7)固定第i根弹簧（81)的一端，拧紧与该弹 簧（81)相连的拉杆（6)上相应限位螺母（5)，调节与该弹簧（81)相连的拉杆（6)上相应限 位螺母（5)的位置，确保限位螺母（5)与固定板（2)之间的距离为Sh，然后拧紧限位螺母 (5);重复上述步骤，直至完成设置所有η根弹簧（81)后，打开各轨道（3)上的限位器（12)， 使得拉力板（4)能沿轨道（3)滑动。 (5) 将模拟装置的一端通过固定杆（11)与试验点（13)相连，在柔性件（9)的远离拉力 板（4)圆心处的一端分级施加拉力荷载（14)，拉力荷载（14)作用方向应与拉力板（4)保持 垂直，并记录各级拉力荷载（14)作用下拉力板（4)的位移值； (6) 根据各级拉力值和相应的位移值，绘制拉力-伸长量曲线，与待模拟缆绳受力变形 理论曲线进行对比，并检验模拟结果误差。
【文档编号】G01M99/00GK104155131SQ201410374789
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】谭慧明, 陈佳, 陈国平, 杜陆旸, 王李吉 申请人:河海大学