CN110579335A - 超大型集装箱船abs船模波浪载荷测量梁及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁及测量方法，其结构包括横贯船身的U型梁，于U型梁两侧内壁上对称设置若干组上下相对的抗扭箱和舷侧附加板，各组抗扭箱均固接于U型梁的顶端，各组舷侧附加板均固接于U型梁中部的侧壁内侧，于各组抗扭箱的上方设置固接于船身内腔上部的若干根木横梁，并通过螺栓连接，于U型梁上设置若干个应变片。本发明将船模所受载荷以应变形式反映，通过解耦算法将试验测得的应变值转化为船舶的垂向弯矩、水平弯矩、扭矩及剪力，克服了传统技术难以同时模拟垂向、水平、扭转刚度及剪心，从而无法准确检测水平弯矩和扭矩的缺陷，可广泛用于各类大开口型船舶、特别是集装箱船的船模波浪载荷试验。

Description

超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁及测量方法

技术领域

本发明涉及ABS船模波浪载荷试验与测试技术领域，尤其是一种超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁及测量方法。

背景技术

为保障船体结构的安全性，往往需要开展水池模型试验测量船体剖面上的弯矩和剪力。目前在水池中开展波浪载荷模型试验时，需先测得弹性测量梁连接的分段船模上的应力，再转化成船体剖面内的弯矩和剪力，此时就需要模拟船体剖面结构特性，而传统的波浪载荷模型试验受材料和剖面特性的影响，通常采用圆形或方形的钢质或铝质金属测量梁来进行波浪载荷测试。这种传统测量方法可以较为准确地模拟垂向弯曲刚度，部分方形测量梁还可同时模拟垂向和水平弯曲刚度，但均无法模拟扭转刚度及剪心等。但是对于集装箱船而言，其最大特点就是它所装的都是标准规格的集装箱，因此使得它的结构和一般的货船大不相同，舷侧采用直壁式结构，其货舱口宽度几乎和货舱宽度一样大，只在舷边留了很小宽度的甲板边板，而这样的开口明显对船的抗扭、抗弯和横向强度不利，尤其是大型化以后，对船体结构的安全性带来了更大挑战。因此在波浪载荷模型试验中，除了关注传统的垂向载荷外，水平和扭转载荷更应受到关注，而传统方法的金属测量梁方法还无法较好地解决此类问题。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁及测量方法，可以同时模拟实船垂向刚度、水平刚度、扭转刚度以及剪心，并给出了该测量梁的试验方法，解决了传统测试中水平和扭转载荷难以测量的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，包括横贯船身的U型梁，于U型梁的两侧内壁上对称设置若干组上下相对的抗扭箱和舷侧附加板，各组抗扭箱均固接于U型梁的顶端，各组舷侧附加板均固接于U型梁中部的侧壁内侧，于各组抗扭箱的上方、相对各组抗扭箱设置若干根木横梁，所述各组抗扭箱均通过螺栓连接木横梁，所述各木横梁均固接于船身内腔上部。

其进一步技术方案在于：

所述U型梁的一端沿船身头部形状向内侧收缩形成锥状结构；

所述各舷侧附加板的一端与U型梁的侧壁连接，另一端向船身内侧延伸形成细长的板状结构，各舷侧附加板均平行设置；

于所述U型梁的外周还设置若干个包裹U型梁的加强框架；

于各组抗扭箱的上表面分别设置第一测点和第二测点，于U型梁两侧壁与U型梁底面的连接处外侧分别设置第三测点和第四测点，于U型梁对称线的两侧、在U型梁底面的外侧分别设置第五测点和第六测点，于各组舷侧附加板与两侧壁的连接处外侧分别设置第七测点和第八测点；

于船身内部还等间隔设置若干面横舱壁；

本发明的测量方法所采用的技术方案如下：

第一步：安装U型梁和第一至第八测点；

第二步：记录各测点的应力值；

第三步：通过解耦算法将所测应力转换为船模载荷值。

本发明的有益效果如下：

本发明针对ABS船模的特性设计了一套波浪载荷测量梁，通过于船模分段切口对应的测量梁上粘贴应变片的方式，将船模在波浪中所受载荷以应变的形式反映，并通过解耦算法将试验中测得的应变值转化为船舶在波浪中所受的垂向、水平弯矩以及扭矩，能够同时模拟实船在波浪中的垂向刚度、水平刚度、扭转刚度以及剪心，克服了传统船模波浪载荷测量技术中难以准确检测水平弯矩和扭矩的缺陷，原理清晰且操作便捷，可广泛用于各类新型船舶、特别是超大型集装箱船船模的波浪载荷试验。

附图说明

图1为本发明的U型梁结构示意图。

图2为本发明的安装示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为图2的侧视图(不含加强框架)。

其中：1、电机；2、横舱壁；3、U型梁；301、第一测点；302、第二测点；303、第三测点；304、第四测点；305、第五测点；306、第六测点；307、第七测点；308、第八测点；309、抗扭箱；310、舷侧附加板；4、船身；5、木横梁；6、螺栓；7、加强框架。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1～4所示，本发明包括横贯船身4的U型梁3，于U型梁3的两侧内壁上对称设置若干组上下相对的抗扭箱309和舷侧附加板310，各组抗扭箱309均固接于U型梁3的顶端，各组舷侧附加板310均固接于U型梁3中部的侧壁内侧，于各组抗扭箱309的上方、相对各组抗扭箱309设置若干根木横梁5，各组抗扭箱309均通过螺栓6连接木横梁5，各木横梁5均固接于船身4内腔上部。U型梁3的一端沿船身4头部形状向内侧收缩形成锥状结构，各舷侧附加板310的一端与U型梁3的侧壁连接，另一端向船身4内侧延伸形成细长的板状结构，各舷侧附加板310均平行设置，于U型梁3的外周还设置若干个包裹U型梁3的加强框架7，于各组抗扭箱309的上表面分别设置第一测点301和第二测点302，于U型梁3两侧壁与U型梁3底面的连接处外侧分别设置第三测点303和第四测点304，于U型梁3对称线的两侧、在U型梁3底面的外侧分别设置第五测点305和第六测点306，于各组舷侧附加板310与两侧壁的连接处外侧分别设置第七测点307和第八测点308，于船身4内部还等间隔设置若干面横舱壁2。

本发明的测量方法包括以下步骤：

第一步：安装U型梁和第一至第八测点，在本实施例中，20000箱级超大型集装箱船船长400米，型深30.7米，型宽58.6米，空船重量约为6.5万吨，在进行船体波浪载荷模型试验时，考虑到波浪载荷试验水池的尺度，船体结构与船模的缩尺比λ(实船/模型)约为80。而考虑海水与水池密度的换算，重量的缩尺比为1.025λ³，刚度的缩尺比为λ⁵，实船刚度约为模型刚度的的3.28×10⁹，传统的波浪载荷模型试验，由于仅需模拟垂向刚度，一般采用钢质闭口圆管梁，而对集装箱船由于甲板开口几乎与船宽相当，模拟扭转及剪切特性尤为重要，因此需要采用弹性模量和剪切模量更小的材料，除了模拟剖面的几何特性及刚度以外，船体梁的结构应在船体波浪载荷作用下具备线弹性响应特性。考虑到上述制约因素的影响，本发明船体波浪载荷测量粱材料为弹性模量和剪切模量相对较小ABS材料，材料密度约为1.07g/cm³，弹性模量E约为2.41×10⁹Pa，剪切模量G约为8.622×10⁸Pa，泊松比0.39。将ABS材料制成的U型梁3整体安装在船模的内舱中，外周通过加强框架7进行加固和支撑，本实施例中加强框架7为分段式设计。U型梁3为左右对称的梁式结构，于U型梁上固接若干个抗扭箱309和若干块舷侧附加板310，各抗扭箱309的上端通过螺栓6紧固于若干条木横梁上。连接完成后船模结构与实船结构一致，电机1位于船模尾部，船身4整体采用平底和舷侧直壁结构，并在顶部开口设置与实船结构类似的抗扭箱309，舷侧中和轴位置设置舷侧附加板310以增强结构的抗剪能力和稳定性。

本实施例中还于U型梁上设置了若干个测点，每个测点处均安装有应变片。为测量沿船长分布的垂向弯矩、水平弯矩和扭矩，需要在U型梁3的剖面四周粘贴应变片，其中测点1、测点2安装于抗扭箱309上，位于甲板处、靠近舷侧的位置，设B₁为测点中心到舷侧的距离；测点3、测点4位于船底、靠近舷侧的位置；测点5、测点6位于船底靠近中心处，设B₂为测点中心到船舯的距离；测点7和测点8位于舷侧中和轴的位置。应变片S₁～S₈分别安装于第一至第八测点，各应变片沿梁轴向(长度方向)粘贴于U型梁3表面，以全桥连接方式进行标定。

第二步：记录各测点的载荷值，及应变片S₁～S₈所测的应力数据；

第三步：通过解耦算法将应变片S₁～S₈所测应力数据转换为船模载荷值，通过应变片S₅和S₆所测应力得到垂向弯矩M_V，通过应变片S₇和S₈所测应力得到水平弯矩M_H，通过应变片S₁和S₂或者应变片S₃和S₄所测应力得到扭距M_T，将所测得的应力通过解耦关系换算到船模实际所受到的载荷值的方法即为解耦算法。

根据集装箱船波浪载荷模型测试需求，分别给出波浪载荷模型试验中的垂向载荷、水平载荷以及扭转载荷的测量方法。数据分离过程中，定义垂向弯矩为中垂时为正，水平弯矩为左舷受拉为正，扭矩为从艏向艉看为顺时针为正(即艏部M_T方向为指向x轴正向)。

式中：y_z为中和轴高度，I_y为垂向惯性矩，σ_i为测量得到的测点i的应力值(i＝1,2,5,6)；

式中：B为测量梁半宽，I_xx为水平惯性矩，σ_i为测量得到的测点i的应力值(i＝7,8)。

扭矩M_T通过解耦后的翘曲应力获得。

σ_Ti＝σ_i-σ_Vi-σ_Hi-σ_i'(i＝1,2,3,4)……………………………………(3)

式中：σ_i为测量得到的测点i的应力值；σ_Vi为垂向弯矩产生的应力值；σ_Hi为水平弯矩产生的应力值；σ_i'为由于结构的非完全对称时载荷垂向弯矩和水平弯矩耦合产生的应力；σ_Ti为翘曲应力。

σ_i'＝K_1iM_h-K_2iM_V-K_3iM_hM_V+K_4iM_T……………………………………(4)

式中：K_1i，K_2i为测量梁在水平和垂向纯弯曲状态下的标定系数，K_3i为水平和垂向弯矩联合作用下的标定系数，K_4i为扭矩作用下的标定系数。

沿船长方向刚度的变化，可以通过U型梁3沿船长方向连续过度的剖面变化来反映，因而U型梁3需要根据船头结构向内侧收缩形成锥形结构。

参数	实船	模型要求	模型实际	误差
					Iyy	1480.47m<sup>4</sup>	4.68×10<sup>-5</sup>m<sup>4</sup>	4.87×10<sup>-5</sup>m<sup>4</sup>	4.06％
Ixx	5330.49m<sup>4</sup>	1.68×10<sup>-4</sup>m<sup>4</sup>	1.62×10<sup>-4</sup>m<sup>4</sup>	-3.57％
					J	31.141m<sup>4</sup>	2.61×10<sup>-6</sup>m<sup>4</sup>	2.54×10<sup>-6</sup>m<sup>4</sup>	-2.68％
Ysr	-16.60m	-0.215m	-0.206m<sup>4</sup>	-4.19％

表1实船与模型的剖面特性对比

所述U型梁3可以同时满足垂向刚度、水平刚度以及扭转刚度和剪心的几何相似，如表1所示，考虑到模型缩尺及加工要求，典型集装船模型设计时，可以采用本实施例中所给要求将主要参数误差控制在5％之内。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，其特征在于：包括横贯船身(4)的U型梁(3)，于U型梁(3)的两侧内壁上对称设置若干组上下相对的抗扭箱(309)和舷侧附加板(310)，各组抗扭箱(309)均固接于U型梁(3)的顶端，各组舷侧附加板(310)均固接于U型梁(3)中部的侧壁内侧，于各组抗扭箱(309)的上方、相对各组抗扭箱(309)设置若干根木横梁(5)，所述各组抗扭箱(309)均通过螺栓(6)连接木横梁(5)，所述各木横梁(5)均固接于船身(4)内腔上部。

2.如权利要求1所述的超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，其特征在于：所述U型梁(3)的一端沿船身(4)头部形状向内侧收缩形成锥状结构。

3.如权利要求1所述的超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，其特征在于：所述各舷侧附加板(310)的一端与U型梁(3)的侧壁连接，另一端向船身(4)内侧延伸形成细长的板状结构，各舷侧附加板(310)均平行设置。

4.如权利要求1所述的超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，其特征在于：于所述U型梁(3)的外周还设置若干个包裹U型梁(3)的加强框架(7)。

5.如权利要求1所述的超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，其特征在于：于各组抗扭箱(309)的上表面分别设置第一测点(301)和第二测点(302)，于U型梁(3)两侧壁与U型梁(3)底面的连接处外侧分别设置第三测点(303)和第四测点(304)，于U型梁(3)对称线的两侧、在U型梁(3)底面的外侧分别设置第五测点(305)和第六测点(306)，于各组舷侧附加板(310)与两侧壁的连接处外侧分别设置第七测点(307)和第八测点(308)。

6.如权利要求1所述的超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁，其特征在于：于船身(4)内部还等间隔设置若干面横舱壁(2)。

7.利用权利要求1所述超大型集装箱船ABS船模波浪载荷测量梁进行测量的方法，其特征在于：

第一步：安装U型梁和第一至第八测点；

第二步：记录各测点的应力值；

第三步：通过解耦算法将所测应力转换为船模载荷值。