CN104407170A - 船体与波浪相对运动测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船体与波浪相对运动测量装置及测量方法。测量装置包括完全贴合船体被测剖面的紫铜带、联通至船体底部接触水体的导线、以及布置在船体甲板上的接线支架和测试仪表；紫铜带和导线在船体各个被测剖面处通过接线支架连接在测试仪表上。本发明的测量方法可对船模在波浪中运动时船体外壳和波浪之间的相对位移进行测量，利用运动和时间的微分关系得到对应的相对速度。本发明可以提高模型试验中相对运动的测试精度。

Description

船体与波浪相对运动测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及船体在波浪中的运动和载荷试验与测试技术领域，尤其涉及一种船体与波面之间相对运动的测量装置及测量方法。

背景技术

船舶在进行波浪中运动和载荷模型试验时，有时需要将船体的某些剖面与波面之间的相对运动测量出来，从而为研究船体剖面遭受的波浪砰击压力提供与之对应的相对速度，它们之间的关系对砰击压力载荷的设计值的确定非常重要，往往是船体结构局部设计载荷的依据。

传统的相对运动的测量方法采用钽丝来测量。这种钽丝通过一系列固定在被测船体剖面上的支架所固定，沿着船体被测剖面进行布置到船体甲板以上，另一根由直通船体底部的带绝缘层的金属丝沿船体外表面布置到甲板面以上，金属丝在船体的一端与水体联通，这样钽丝和金属丝在甲板上分别组成一个电容的正负极，波面高度的变化会使得这个回路中电容的大小产生变化，这种变化可通过正负极之间电压或电流的变化反映出来。这种测量装置的缺点如下：(1)钽丝的安装非常麻烦，需要事先在船体表面安装若干个支架来固定钽丝，尤其是在剖面弧度变化较大的地方需要更多的支架，而这些支架的存在或多或少会对船舶在水中运动时的水流产生干扰，从而影响试验测试的精度；(2)钽丝表面的镀膜非常容易被破坏，即使偶尔被硬物轻刮一下，钽丝的灵敏度系数就会产生较大的变化，严重影响测试的精度；(3)这种钽丝的成本昂贵，性价比不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船体与波浪相对运动测量装置及测量方法，提高模型试验中相对运动的测试精度。

本发明的技术方案如下：

一种船体与波浪相对运动测量装置，包括完全贴合船体被测剖面的紫铜带、联通至船体底部接触水体的导线、以及布置在船体甲板上的接线支架和测试仪表；所述紫铜带和导线在船体各个被测剖面处通过接线支架连接在测试仪表上。

其进一步的技术方案为：所述紫铜带从船体底部沿着船体各个被测剖面的外部形状单侧粘贴布置，一直布置到船体甲板面上。

其进一步的技术方案为：所述紫铜带的厚度为0.5mm，宽度为2mm，其外表面没有绝缘层。

其进一步的技术方案为：所述导线布置在船体内部，沿着船体甲板面下缘布置到船体的各个被测剖面，并在船体底部和水体接触。

其进一步的技术方案为：所述接线支架和测试仪表分别布置在船首、船中和船尾的被测剖面的右侧。

一种基于上述装置实现的船体与波浪相对运动测量方法，包括如下步骤：

1)将波面高度分成多个等分，分别记为h₀、h₁、h₂，…，h_n，依次测得每个波面高度为v₀、v₁、v₂，…，v_n，获得反应被测剖面上的波面高度与每个相对运动测量装置输出电压之间的变化关系的灵敏度系数曲线；

2)记测点的数量为m个，记每个测点与静水面的高度差为H_i,i＝1,2,...,m；

3)试验时，设每个时刻t上第i个测点的输出电压值为v_i(t)；根据该电压值v_i(t)寻找在对应的相对运动测量装置的灵敏度系数曲线中的位置，当v_i(t)在v_j和v_j+1之间，即v_j≤v_i(t)≤v_j+1时，通过插值方法得到与之对应的绝对液面高度h_i(t)＝h_j+(h_j+1-h_j)(v_j+1-v_j)/(v_i-v_j)，则第i个测点的相对液面高度为h_i(t)-H_i；该液面高度即为第i个测点的相对位移，根据位移和时间的微分关系，得到第i个测点的相对速度为(h_i(t+1)-h_i(t))/△t，其中△t为数据采样的时间间隔，即采样频率的倒数；

4)对具有m个测点的相对运动测量装置，得到m条相对位移测量曲线h_i(t)-H_i(i＝1,2,...,m)和相对速度测量曲线(h_i(t+1)-h_i(t))/△t(i＝1,2,...,m)，实现对船模的波浪试验中不同剖面、不同位置船体表面和波面之间相对运动的测量。

本发明的有益技术效果是：

本发明涉及一种船体与波浪相对运动测量装置及测量方法，可对船体在波浪中运动时船体外壳和波浪之间的相对位移进行测量，利用运动和时间的微分关系得到对应的相对速度，提高模型试验中相对运动的测试精度。

本发明的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明装置在船模中安装后的主视图。

图2是本发明装置在船模中安装后的俯视图。

图3是本发明装置在船模中安装后在各个被测剖面的剖视图。

图4是灵敏度系数标定示意图。

图5是灵敏度系数曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一、测量装置：

本发明装置在船模中安装后的三视图分别见图1、图2和图3。图中的船体外壳上安装有接线支架3和相对运动测试仪表4，分别布置在船首、船中和船尾的三个横剖面的右侧。装置选用薄的紫铜带1替换传统采用的钽丝，紫铜带1的安装方式采用沿着船体被测剖面单侧粘贴的方法，大大减少了传统的安装支架对被测剖面周围流场产生的干扰。其抗碰刮的能力也较传统的钽丝大大增强，偶尔的碰刮不会对其灵敏度系数产生显著影响。另一方面，紫铜带1的市场价格要远远低于钽丝，大约是钽丝价格的1/10以下。图中的紫铜带1从船底沿着被测剖面外部形状粘贴布置，一直布置到甲板面上，作为各个被测剖面上简易电容器的阳极。紫铜带1的厚度为0.5mm，宽度为2mm，外表面没有绝缘层。图中的导线2联通至船体底部水体，其只在船体底部和水接触，其它部分布置在船体内部，并沿着甲板面下缘布置到各个被测剖面，作为各个被测剖面上简易电容器的阴极。由此，各个被测剖面的阴极导线2和阳极紫铜带1分别通过接线支架3连接在测试仪表4上形成测试电路，共形成三组相对运动测量装置S1、S2、S3。波面高度的变化会使得各个被测剖面的电容值产生变化，在测试电路上反映为电压的变化。如果在各个电路上串联一个电阻，则可以通过电流的变化来电容值的变化。电路上电压或电流的变化和船体与波面之间相对位置的变化是一一对应的。这种对应的关系即灵敏度系数，需要在正式试验之前通过标定来得到。

二、灵敏度系数标定：

开展模型试验之前，需要对相对运动测量装置进行标定，得到每个被测剖面上的水面(波面)高度与装置输出电压之间的变化关系，即灵敏度系数。由于各被测剖面通常为非直壁剖面，各被测剖面的灵敏度系数不是一个固定的数值，而是一条曲线。这样，就需要尽量多地把水面的高度细分成较多的数量，依次测量每个对应水面高度与输出电压值之间的关系。例如，如图4所示，把液面高度分成20等分(实际情况下，等分的数量可以根据测量剖面的变化情况进行调整)，分别记为h₀、h₁、h₂，…，h₂₀，依次测得每个液面高度为v₀、v₁、v₂，…，v₂₀，则灵敏度系数如图5所示的曲线。每个相对运动测量装置S1、S2，…，Sn通过标定分别得到不同的灵敏度系数曲线。

二、相对运动测试和分析：

试验中，波面的变化会导致相对运动中测量装置的电容大小产生变化，从而导致测试电路中输出电压发生变化。

相对运动测量装置可以对与之对应的船模安装剖面上的具体测点的相对运动进行测量。测点的数量可以是m个，记每个测点与静水面的高度差为H_i,i＝1,2,...,m。

试验时每个时刻t上第i个测点的输出电压值为v_i(t)。数据分析时根据这个电压值v_i(t)寻找在对应的相对运动测量装置的灵敏度系数曲线中的位置，如图5所示在v_j和v_j+1之间，即v_j≤v_i(t)≤v_j+1时，通过插值的方法得到与之对应绝对液面高度h_i(t)＝h_j+(h_j+1-h_j)(v_j+1-v_j)/(v_i-v_j)，则第i个测点的相对液面高度为h_i(t)-H_i。这个液面高度即为第i个测点的相对位移，根据位移和时间的微分关系，得到第i个测点的相对速度为(h_i(t+1)-h_i(t))/△t，其中△t为数据采样的时间间隔，即采样频率的倒数。

至此，对任一个相对运动测量装置(假设该测量装置有m个测点)来说，可以得到m条相对位移测量曲线h_i(t)-H_i(i＝1,2,...,m)和相对速度测量曲线(h_i(t+1)-h_i(t))/△t(i＝1,2,...,m)，实现对船模的波浪试验中不同剖面、不同位置船体表面和波面之间相对运动的测量。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船体与波浪相对运动测量装置，其特征在于：包括完全贴合船体被测剖面的紫铜带、联通至船体底部接触水体的导线、以及布置在船体甲板上的接线支架和测试仪表；所述紫铜带和导线在船体各个被测剖面处通过接线支架连接在测试仪表上。

2.根据权利要求1所述的船体与波浪相对运动测量装置，其特征在于：所述紫铜带从船体底部沿着船体各个被测剖面的外部形状单侧粘贴布置，一直布置到船体甲板面上。

3.根据权利要求1所述的船体与波浪相对运动测量装置，其特征在于：所述紫铜带的厚度为0.5mm，宽度为2mm，其外表面没有绝缘层。

4.根据权利要求1所述的船体与波浪相对运动测量装置，其特征在于：所述导线布置在船体内部，沿着船体甲板面下缘布置到船体的各个被测剖面，并在船体底部和水体接触。

5.根据权利要求1所述的船体与波浪相对运动测量装置，其特征在于：所述接线支架和测试仪表分别布置在船首、船中和船尾的被测剖面的右侧。

6.一种基于权利要求1所述装置实现的船体与波浪相对运动测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将波面高度分成多个等分，分别记为h₀、h₁、h₂，…，h_n，依次测得每个波面高度为v₀、v₁、v₂，…，v_n，获得反应被测剖面上的波面高度与每个相对运动测量装置输出电压之间的变化关系的灵敏度系数曲线；

2)记测点的数量为m个，记每个测点与静水面的高度差为H_i,i＝1,2,...,m；

3)试验时，设每个时刻t上第i个测点的输出电压值为v_i(t)；根据该电压值v_i(t)寻找在对应的相对运动测量装置的灵敏度系数曲线中的位置，当v_i(t)在v_j和v_j+1之间，即v_j≤v_i(t)≤v_j+1时，通过插值方法得到与之对应的绝对液面高度h_i(t)＝h_j+(h_j+1-h_j)(v_j+1-v_j)/(v_i-v_j)，则第i个测点的相对液面高度为h_i(t)-H_i；该液面高度即为第i个测点的相对位移，根据位移和时间的微分关系，得到第i个测点的相对速度为(h_i(t+1)-h_i(t))/Δt，其中Δt为数据采样的时间间隔，即采样频率的倒数；

4)对具有m个测点的相对运动测量装置，得到m条相对位移测量曲线h_i(t)-H_i(i＝1,2,...,m)和相对速度测量曲线(h_i(t+1)-h_i(t))/Δt(i＝1,2,...,m)，实现对船体的波浪试验中不同剖面、不同位置船体表面和波面之间相对运动的测量。