CN101672707B - 一种船舶对闸墙碰擦力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶对闸墙碰擦力测试方法，包括如下步骤：试验前通过标定分别得到布置于弹性体上8个应变传感器组成桥路的电压变化量与弹性体所承担的水平向和法向碰擦力的关系系数；得到每个弹性体承担的水平向和法向碰擦力；精确获得碰擦力在水平向和法向的值；法向碰擦力从瞬时t₀开始增大，在瞬时t₁达到最大值后开始减小，在瞬时t₂减小到0，所经过的时间t＝t₂-t₀就是碰擦接触的时间历程；计算得到船舶碰擦闸墙前垂直闸墙方向的速度分量v₁＝L/t′；计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量

，船行方向与闸墙所成角度θ＝arctg(v₁/v₂)。优点：可全面反映船舶与闸墙碰擦过程中的动态力学过程，以及碰擦发生前船舶的运动速度和方向，为船闸结构设计和墙面混凝土强度指标设计提供可靠依据。

Description

一种船舶对闸墙碰擦力测试方法

技术领域

本发明涉及的是测量船舶对闸墙碰擦力的测试方法，属于测试仪器技术领域。

背景技术

船舶通过船闸时容易与闸墙发生碰擦，由于船舶吨位较大，即使碰擦速度很小，也会产生较大的冲击力，导致闸墙表面混凝土开裂、剥落，甚至发生安全事故，影响到船闸的运行安全和使用寿命。但是，碰擦力大小无法通过理论计算获得精确值，目前常用的计算方法大多基于动量定理，计算公式中涉及到碰擦前后船舶的速度、方向，以及船舶的质量和碰擦接触的时间历程，这些变量的取值往往是依据经验得到，特别是碰擦接触的时间历程取值误差很大，导致了计算结果未能准确反应船舶碰擦对闸墙的影响，无法为船闸结构设计和墙面混凝土强度指标设计提供可靠依据。

发明内容

本发明旨在克服上述现行技术的不足，提供一种船舶对闸墙碰擦力测试方法，能精确地测量并记录船舶与闸墙碰擦接触时间、碰擦过程中碰擦力的动态变化以及接触前船舶的法向速度，结合船载速度计可计算出碰擦发生前航行方向与闸墙所成的角度。

本发明的技术解决方案：其特征是该方法包括如下步骤：

一、船舶在测试过程中，以速度和角度撞击碰擦力测试装置中的撞击面板；设置于保护面板和撞击面板之间的弹性体受力后，布置于弹性体上的8个应变传感器感测到撞击信号；

二、通过动态信号采集仪测量每个弹性体内应变传感器组成的桥路的电压变化量；根据事先进行的各个桥路灵敏度的标定结果，分别得到电压变化量与弹性体所承担的水平向和法向碰擦力的关系系数；

三、将关系系数与电压变化量进行乘积，获得每个弹性体在各个时刻所承担的水平向和法向的荷载；将同一时刻所有弹性体在相同方向上的荷载分别进行叠加，就能精确获得碰擦力在水平向和法向的值；

F_zi＝k_ziΔU_zi

F_xi＝k_xiΔU_xi

$F_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{xi}}$

$F_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{zi}}$

式中，F_xi、F_zi分别是第i个弹性体8所承担的水平向和法向的荷载；k_xi和k_zi分别是第i个弹性体8在水平向和法向，其承担的荷载与电压改变量的关系系数；ΔU_xi和ΔU_zi分别是第i个弹性体8承受荷载后，在电桥构架W2和电桥构架W1上的电压改变量；F_x、F_z分别是碰擦力沿水平向和法向的分力；

四、法向碰擦力从瞬时t₀开始增大，在瞬时t₁达到最大值后开始减小，在瞬时t₂减小到0，所经过的时间t＝t₂-t₀就是碰擦接触的时间历程；

五、用船行法向速度测量杆测量船舶碰擦闸墙前垂直闸墙方向的速度分量，船舶在与撞击面板碰擦之前，先接触到船行法向速度测量杆的碰撞杆芯，此时连接于动态信号采集仪的压力传感器开始检测到内置压簧上的压力，该压力值在船舶与撞击面板接触前不断增大；当船舶与撞击面板接触时，船舶无法继续前进，因而不再压缩内置压簧，此时内置压簧的压力达到最大；当船舶碰撞弹回时，内置压簧开始伸张，直至恢复初始状态，该过程中压力传感器检测到的压力值不断减小直至0；动态信号采集仪将采集到的内置压簧的压力变化过程输入到计算机；压力开始增大瞬时t₀′与压力达到最大值瞬时t₁′之间所经过的时间t′＝t₁′-t₀′；碰撞杆芯外缘与撞击面板在垂直闸墙方向的距离一定，因而碰撞杆芯的压缩距离L一定，即可得到船舶碰擦撞击面板前垂直闸墙方向的速度分量v₁＝L/t′；由船载速度计可得到船舶碰擦撞击面板前的合速度v，即可计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量 $v_2=\sqrt{v^2-v_1^2},$ 船行方向与闸墙所成角度θ＝arctg(v₁/v₂)。

本发明的优点：能实时、精确地测量并记录碰擦接触过程中碰擦力随时间的动态变化；可测量船舶与闸墙碰擦发生过程中的接触时间；可测量船舶碰擦闸墙前航行速度沿垂直闸墙方向的分量，结合船载速度计可计算出沿与闸墙平行方向的速度分量，以及碰擦发生前船舶的航行方向与闸墙所成角度；以上通过测量获得的数据可全面反映船舶与闸墙碰擦过程中的动态力学过程，为船闸结构设计和墙面混凝土强度指标设计提供可靠依据。

附图说明

附图1是本发明***结构示意图。

附图2是动态信号采集仪的结构示意图。

附图3是本发明碰擦力测试装置的三视图。其中，图3-1是碰擦力测试装置正视图，图3-2是碰擦力测试装置侧视图，图3-3是碰擦力测试装置俯视图。附图4是船行法向速度测量杆的结构示意图。

附图5是弹性体上应变传感器的布置图。其中，图5-1是弹性体圆柱面展开图，图5-2是测量垂直墙面方向碰擦力的桥路连线图，图5-3是测量水平方向碰擦力的桥路连线图。

附图6是某一次碰擦试验的实测结果曲线。其中，图6-1是垂直墙面方向的碰擦力随时间的变化曲线图，图6-2是水平方向的碰擦力随时间的变化曲线图，图6-3是船行法向速度测量杆的压力传感器记录的压力值随时间的变化曲线图。

图中1是计算机，2是动态信号采集仪，3是碰擦力测试装置，4是船行法向速度测量杆，5是电流信号输出模块，6是计算模块，7是计算机控制软件，8是弹性体，9是撞击面板，10是保护面板，11是压条，12～19是应变传感器，20是压力传感器，21是内置压簧，22是碰撞杆芯，23是环形导轨，24是保护垫板，25是杆套，26是定滑轮。

具体实施方式

船舶对闸墙碰擦力测试***的工作原理是，位于弹性体8表面上的应变传感器的电阻变化可以反映弹性体8的应变，利用电桥输出模拟应变传感器微小电阻变化的电信号，从而确定弹性体8在一定荷载下的应变，然后通过在软件***中设置弹性体8的应变与荷载的关系系数，可以自动计算出弹性体8承受的荷载。将同一时刻所有弹性体承受的荷载进行叠加，就能获得整个撞机面板9上所承受的总荷载。

如图1所示，船舶对闸墙碰擦力测试***的结构包括计算机1、动态信号采集仪2、设置于测试区域的碰擦力测试装置3和船行法向速度测量杆4，其中碰擦力测试装置3的信号输出端接入动态信号采集仪2的第一信号输入端，船行法向速度测量杆4的信号输出端接入动态信号采集仪2的第二信号输入端，接收动态信号采集仪2的信号输出端接入计算机1的信号输入端。

如图2所示，动态信号采集仪是以计算机为基础、智能化的动态信号测试分析***，包括电流信号输出模块5、计算模块6、计算机控制软件7，其中弹性体表面上的8个应变传感器和船行法向速度测量杆中的压力传感器的输出/输入端分别与电流信号输出模块5的输入/输出端对应相接，电流信号输出模块5的输出端与计算模块6输入端相接，计算模块6输出端连接计算机控制软件7。

如图3所示，碰擦力测试装置3的结构由用来测量应变值的多个弹性体8、撞击面板9、保护面板10、压条11和定滑轮26组成，其中压条11固定在闸墙上，保护面板10通过螺栓与压条11连接，每个弹性体8的两个端部都通过螺栓分别与撞击面板9和保护面板10连接，保护面板10通过定滑轮26调节设置高度。碰擦力测试装置3中的撞击面板9，其厚度≥1cm，并在其背面焊接多根窄钢条作为加强梁，以保证其具有足够的刚度；由于船舶操纵不灵活，撞击点不易控制，因而撞击面板9的平面尺寸≥100cm×100cm；为了使撞击面板9的高度满足船舷的高度要求，碰擦力测试装置3中除压条11和定滑轮26以外的部件，应综合考虑水位和各种船型尺度，设置于测试区域闸墙一定高度处，压条11长度≥150cm，其上每间隔10cm设置一个螺栓孔，保护面板10可通过定滑轮26调节设置高度，调节的范围≥50cm，当调节到合适位置时可通过螺栓与压条11连接并固定；可根据不同等级船闸和船型研究的需要，通过改变弹性体8的数量来改变装置的量程。

于此实施例中，撞击面板9和保护面板10之间设置有九个弹性体8，其布置形式如图3所示。弹性体8表面布置八个应变传感器12～19，其中应变传感器12～15沿轴向布置，应变传感器16～19沿环向布置，应变传感器12～19通过电桥构架W1和W2与动态信号采集仪2相连。图5-1是弹性体8圆柱面展开图，其上布置着应变传感器12～19。

如图4所示，船行法向速度测量杆4，其结构包括压力传感器20、内置压簧21、碰撞杆芯22、环形导轨23、保护垫板24及杆套25，其中压力传感器20的一端与保护垫板24的一端相接，压力传感器20的输出端与动态信号采集仪的输入端相连，保护垫板24的另一端与碰撞杆芯22相接，环形导轨23连接在杆套25上，保护垫板24的二端间是内置压簧21，碰撞杆芯22在杆套25内；图中A点是碰撞杆芯22的初始位置，在受到船舶撞击后，碰撞杆芯22开始向杆套25内收缩，当船舶碰到撞击面板9后，碰撞杆芯22停止收缩，此时碰撞杆芯22的外缘仍未到达B点，以保护压力传感器20和内置压簧21。

如图5-2所示，电桥构架W1中四个沿弹性体8轴向布置的应变传感器12～15和四个沿弹性体8环向布置的应变传感器16～19组成电桥电路，是用于测量碰擦力在垂直闸墙方向分力的电桥构架。应变传感器12与14串联，16与18串联，两条桥路分支相接于接点a；应变传感器13与15串联，17与19串联，两条桥路分支相接于接点c，接点a与接点c之间供给特定的电压，a为电压输入端，c为电压输出端；应变传感器12和14分支的另一端与17和19分支的另一端相接于接点b，16和18分支的另一端与13与15分支的另一端相接于接点d，接点b和接点d分别与接点c存在相对电位差。当船舶碰擦撞击面板9时，各应变传感器的电阻发生改变，使上述接点b与接点c、接点d与接点c的相对电位差均发生改变，从而在接点b与d之间形成可量测的电压变化，使电桥构架W1产生可以感测的电压变化量。

如图5-3所示，电桥构架W2中4个沿弹性体8环向布置的应变传感器16～19组成电桥电路，是用于测量碰擦力在平行闸墙方向分力的电桥构架。应变传感器16与18的一端相接于接点a，17与19相接于接点c，接点a与接点c之间供给特定的电压，a为电压输入端，c为电压输出端；应变传感器15与17相接于接点b，18与19相接于接点d，接点b和接点d分别与接点c存在相对电位差。当船舶碰擦撞击面板9时，各应变传感器的电阻发生改变，使上述接点b与接点c、接点d与接点c的相对电位差均发生改变，从而在接点b与d之间形成可量测的电压变化，使电桥构架W2产生可以感测的电压变化量。

船舶对闸墙碰擦力测试方法，其特征是在船舶与闸墙之间设置碰擦力测试装置3，碰擦力设置装置内部布置九个(根据研究船型的大小、速度来确定，如果船型较大，数量可增多，即增大装置的量程)弹性体8，当船舶通过撞击面板9撞击弹性体8时，通过动态信号采集仪2测量每个弹性体8表面应变传感器12～19组成的桥路的电压变化量；根据事先进行的各个桥路灵敏度的标定结果，分别得到电压变化量与弹性体8所承担的水平向和法向碰擦力的关系系数；将关系系数与电压变化量进行乘积，获得每个弹性体8在各个时刻所承担的水平向和法向的荷载；将同一时刻九个弹性体8在相同方向上的荷载分别进行叠加，就能精确获得碰擦力在水平向和法向的值。法向碰擦力从瞬时t₀开始增大，在瞬时t₁达到最大值后开始减小，在瞬时t₂减小到0，所经过的时间t＝t₂-t₀就是碰擦接触的时间历程。

F_zi＝k_ziΔU_zi

F_xi＝k_xiΔU_xi

$F_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{xi}}$

$F_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{zi}}$

式中，F_xi、F_zi分别是第i个弹性体8所承担的水平向和法向的荷载；k_xi和k_zi分别是第i个弹性体8在水平向和法向，其承担的荷载与电压改变量的关系系数；ΔU_xi和ΔU_zi分别是第i个弹性体8承受荷载后，在电桥构架W2和电桥构架W1上的电压改变量；F_x、F_z分别是碰擦力沿水平向和法向的分力。

本发明中，船行法向速度测量杆4用于测量船舶碰擦闸墙前垂直闸墙方向的速度分量。船舶在与撞击面板9碰擦之前，先接触到船行法向速度测量杆4的碰撞杆芯22，此时连接于动态信号采集仪2的压力传感器20开始检测到内置压簧21上的压力，该压力值在船舶与撞击面板接触前不断增大；当船舶与撞击面板9接触时，船舶无法继续前进，因而不再压缩内置压簧21，此时内置压簧21的压力达到最大；当船舶碰撞弹回时，内置压簧21开始伸张，直至恢复初始状态，该过程中压力传感器20检测到的压力值不断减小直至0；动态信号采集仪2将采集到的内置压簧21的压力变化过程输入到计算机1；计算机1计算压力开始增大瞬时t₀′与压力达到最大值瞬时t₁′之间所经过的时间t′＝t₁′-t₀′；碰撞杆芯22外缘与撞击面板9在垂直闸墙方向的距离一定，因而碰撞杆芯22的压缩距离L一定，即可得到船舶碰擦撞击面板9前垂直闸墙方向的速度分量v₁＝L/t′。由船载速度计可得到船舶碰擦撞击面板前的合速度v，即可计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量 $v_2=\sqrt{v^2-v_1^2},$ 船行方向与闸墙所成角度θ＝arctg(v₁/v₂)。

本发明的具体实施过程：2008年2月29日在邵伯船闸开展了现场测试。将碰擦力测试装置3固定于上游引航道第一个靠船墩正面，船行法向速度测量杆4固定于靠船墩的侧面，与撞击面板9垂直；将动态信号采集仪2分别与九个弹性体8的应变传感器12～19、压力传感器20、以及计算机1相连。其中，动态信号采集仪2的型号为LMS CADA-X、弹性体的型号为CL-YB-1/20T、应变传感器的型号为BF(BA)200-6AA、压力传感器20的型号为m153251。

船行法向速度测量杆4的碰撞杆芯22的压缩距离L取10cm。让船舶以一定角度和速度碰擦撞击面板9，计算机1输出并记录整个撞击接触过程中碰擦力的变化，以及压力传感器20检测到的压力值随时间的变化。

在某一次碰擦试验中，某船舶总吨位为600t，共使用了九个弹性体进行测量。在某一时刻(附图6中t＝1.50s)的法向和水平向的撞击力计算过程如下：

传感器编号I	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										kxi(mV/kN)	11.28668	15.625	15.19757	15.82278	15.15152	15.52795	15.15152	15.87302	15.47988
kzi(mV/kN)	81.76615	82.85004	84.03361	84.03361	81.96721	84.96177	82.30453	83.61204	82.78146
										ΔUxi(mV)	-0.32226	0.029299	-0.23071	0.008545	-9.77051	2.871094	-0.33024	0.059126	-0.38639
ΔUzi(mV)	0.12207	-0.04272	0.034179	1.760254	1.68457	2.015381	0.077161	-0.24203	0.277598
										Fxi＝kxiΔUxi(kN)	-3.6373	0.4578	-3.5063	0.1352	-148.038	44.5822	-5.0036	0.9385	-5.9812
Fzi＝kziΔUzi(kN)	9.9812	-3.5397	2.8722	147.9205	138.0795	171.2303	6.3507	-20.2368	22.98

由上表得， $F_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{xi}}=-120.053\mathrm{kN};$ $F_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{zi}}=475.6379\mathrm{KN}$

结合图6-1、6-2，可知在t₀＝1.096s时刻，碰擦接触开始，弹性体中应变传感器记录的撞击力绝对值从0开始增大；在t₁＝1.502s时撞击力达到峰值后开始减小；在t₂＝1.959s时，接触停止，撞击力减小到0。可计算得到碰擦接触总时间历程为t＝t₂-t₀＝1.959-1.096＝0.863s。

结合图6-3，可知在t₀′＝0.145s时刻，船舶开始接触到船行法向速度测量杆的碰撞杆芯，压力传感器记录的压力值从0开始增大；在t₁′＝1.096s时，船舶开始接触到撞击面板，此时碰撞杆芯几乎不再被压缩；在t′＝1.096～1.959s之间，船舶处于与撞击面板接触的过程中，该时段内由于碰擦力测试装置的微弱变形导致了压力传感器记录的压力值有细微变化；从t′＝1.959s开始，船舶从撞击面板反弹开来，此时碰撞杆芯开始恢复初始状态，压力传感器记录的压力值逐渐减小直到0。可计算得到碰撞杆芯完成压缩距离L所需的时间t′＝t₁′-t₀′＝1.096-0.145＝0.951s，船舶碰擦撞击面板前垂直闸墙方向的速度分量v₁＝L/t′＝10/0.951＝10.5cm/s。由船载速度计可得到船舶碰擦撞击面板前的合速度v＝10.9cm/s，可计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量 $v_2=\sqrt{v^2-v_1^2}=\sqrt{{10.9}^2-{10.5}^2}=2.9\mathrm{cm}/s,$ 船行方向与闸墙所成角度θ＝arctg(v₁/v₂)＝arctg(10.5/2.9)＝74.4°。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种船舶对闸墙碰擦力的测试方法，其特征是该方法包括如下步骤：

一、船舶在测试过程中，以速度和角度撞击碰擦力测试装置中的撞击面板；设置于保护面板和撞击面板之间的弹性体受力后，布置于弹性体上的8个应变传感器感测到撞击信号；

二、通过动态信号采集仪测量每个弹性体内应变传感器组成的桥路的电压变化量；根据事先进行的各个桥路灵敏度的标定结果，分别得到电压变化量与弹性体所承担的水平向和法向碰擦力的关系系数；

三、将关系系数与电压变化量进行乘积，获得每个弹性体在各个时刻所承担的水平向和法向的荷载；将同一时刻所有弹性体在相同方向上的荷载分别进行叠加，就能精确获得碰擦力在水平向和法向的值；

F_zi＝k_ziΔU_zi

F_xi＝k_xiΔU_xi

$F_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{xi}}$

$F_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{zi}}$

式中，F_xi、F_zi分别是第i个弹性体(8)所承担的水平向和法向的荷载；k_xi和k_zi分别是第i个弹性体8在水平向和法向，其承担的荷载与电压改变量的关系系数；ΔU_xi和ΔU_zi分别是第i个弹性体(8)承受荷载后，在电桥构架W2和电桥构架W1上的电压改变量；F_x、F_z分别是碰擦力沿水平向和法向的分力；

四、法向碰擦力从瞬时t₀开始增大，在瞬时t₁达到最大值后开始减小，在瞬时t₂减小到0，所经过的时间t＝t₂-t₀就是碰擦接触的时间历程；

五、用船行法向速度测量杆测量船舶碰擦闸墙前垂直闸墙方向的速度分量，船舶在与撞击面板碰擦之前，先接触到船行法向速度测量杆的碰撞杆芯，此时连接于动态信号采集仪的压力传感器开始检测到内置压簧上的压力，该压力值在船舶与撞击面板接触前不断增大；当船舶与撞击面板接触时，船舶无法继续前进，因而不再压缩内置压簧，此时内置压簧的压力达到最大；当船舶碰撞弹回时，内置压簧开始伸张，直至恢复初始状态，该过程中压力传感器检测到的压力值不断减小直至0；动态信号采集仪将采集到的内置压簧的压力变化过程输入到计算机；压力开始增大瞬时t′₀与压力达到最大值瞬时t′₁之间所经过的时间t′＝t′₁-t′₀；碰撞杆芯外缘与撞击面板在垂直闸墙方向的距离一定，因而碰撞杆芯的压缩距离L一定，即可得到船舶碰擦撞击面板前垂直闸墙方向的速度分量v₁＝L/t′；由船载速度计可得到船舶碰擦撞击面板前的合速度v，即可计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量

船行方向与闸墙所成角度θ＝arctg(v₁/v₂)。

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