一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置及其方法。其裝置包括箱體，其內(nèi)設置有軌道、彈簧系統(tǒng)和上下水平布置并相互平行的固定板和拉力板，拉力板可沿軌道上下滑動；彈簧系統(tǒng)由多根不同長度的彈簧和連接拉桿組成。根據(jù)待模擬纜繩的受力變形特性，計算確定各彈簧和拉桿的長度，組成彈簧系統(tǒng)與拉力板保持連接，分級施加拉力，并測定相應的拉力板伸長量，通過不同長度彈簧系統(tǒng)模擬纜繩的非線性拉力-伸長量關系，繪制拉力-伸長量關系曲線，與模擬纜繩受力變形理論曲線進行對比并檢驗試驗結果誤差。本發(fā)明解決了船舶系泊物理模型試驗中纜繩非線性荷載變形關系模擬的技術問題，可操作性好、精確性和效率高、試驗效果佳。
【專利說明】一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置及其方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于水運工程【技術領域】，涉及一種適用于海岸、近海和內(nèi)陸水域的船舶系 泊物理模型試驗裝置及其方法，特別是一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置及其方 法。

【背景技術】
[0002] 隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，海運以經(jīng)濟、高效、安全以及環(huán)保的獨特優(yōu)勢占據(jù)了遠程 運輸市場的支撐地位，航運事業(yè)蒸蒸日上的發(fā)展給船舶大型化和碼頭深水化帶來了前所未 有的契機，同時也對港口建設的要求也提出了新的挑戰(zhàn)。伴隨著大型泊位的迅猛發(fā)展，常會 發(fā)生在風、波浪、潮流等作用下大型船舶發(fā)生系船纜繩斷裂的現(xiàn)象，由此引起嚴重的事故。 碼頭前系泊船舶纜繩的受力與船舶運動具有非常復雜的關系，它不僅涉及到護舷、系纜力 等對船舶的非線性約束，同時還涉及風、水流動以及波浪的作用，而且不同的碼頭泊位布置 方案如碼頭長度、結構布置等也會直接影響到船舶的系纜力的分布。其中，系泊纜繩的布置 方式、使用數(shù)量、初張拉力以及材料種類都會對船舶和碼頭結構的安全與正常運行產(chǎn)生重 要的影響。如上所述，由于船舶所受外荷載的多樣性，纜繩受力十分復雜，因此常需要通過 船舶系泊物理模型試驗的方法對碼頭泊位和系泊船舶纜力設計等進行驗證和優(yōu)化。纜繩的 受力變形特性與其長度、直徑以及材料等因素有關，表現(xiàn)為明顯的非線性特點。
[0003] 目前常用的船舶系泊物理模型試驗中，無法進行纜繩的拉力與變形的非線性關系 的模擬，主要考慮纜繩彈性模量的模擬，一般是尋找變形相似的材料，如以縮小的鋼絲繩、 尼龍線等性能接近的材料來進行試驗，在實驗中要分開考慮纜繩的拉力和變形，需進行多 次實驗?？刹僮餍院途_性較差，試驗效率低，而且試驗效果差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提出一種可進行纜 繩的非線性拉力變形模擬試驗、可操作性好、精確性和效率高、試驗效果佳的船舶系泊物理 模型試驗中纜繩模擬裝置及其方法。
[0005] 本發(fā)明的技術目的是這樣實現(xiàn)的：一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置， 包括有箱體，其特征在于：
[0006] 在箱體內(nèi)設置有軌道、彈簧系統(tǒng)和上下水平布置并相互平行的固定板、拉力板，所 述的拉力板可沿軌道上下滑動；
[0007] 所述的固定板上設有數(shù)個上板孔，所述的拉力板上設有數(shù)個下板孔，所述的上板 孔和下板孔的數(shù)量相等，各孔上下對應，且上下對應孔的圓心的堅直投影相重合；
[0008] 所述的彈簧系統(tǒng)由與下板孔的數(shù)量相等的數(shù)根彈簧所組成，所述的彈簧的上端剛 性連接有拉桿；所述的拉桿可滑動地穿過固定板的上板孔內(nèi)；彈簧的下端穿過拉力板的下 板孔保持自由；
[0009] 所述的固定板上表面中心處設置有一堅直向上的固定桿；所述的拉力板下表面中 心處設置有一向下延伸的柔性件。
[0010] 所述固定板剛性連接到箱體內(nèi)壁上；固定板的下表面與軌道的上端部相接觸。
[0011] 所述的彈簧的剛性系數(shù)相同；彈簧的直徑至少不大于拉力板的下板孔的直徑。
[0012] 所述的拉桿上標有長度刻度；拉桿的直徑至少不大于固定板的上板孔的直徑；拉 桿的遠離彈簧的一自由段上設有限位螺母。
[0013] 所述的軌道上標有與拉桿相同標準的長度刻度；軌道上設有限位器。
[0014] 所述的拉力板的下板孔內(nèi)設有定位螺絲。
[0015] 所述的固定桿的遠離固定板圓心的一端固定于試驗點；固定桿至少是鋼、銅、或橡 膠等材質(zhì)的一種高抗拉和壓強度的剛性桿件。
[0016] 所述的柔性件的遠離拉力板圓心處的一端施加有拉力荷載；柔性件至少是鋼絲繩 或高分子尼龍繩等材質(zhì)的一種高抗拉強度的柔性繩索。
[0017] 所述箱體的水平剖面為圓形、正方形或矩形的一種。
[0018] 本發(fā)明的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬方法，其特征在于，使用上述的 裝置，包括以下步驟：
[0019] (1)根據(jù)原型纜繩的荷載變形特性和物理模型試驗設計，確定模型試驗中待模擬 纜繩荷載變形特性曲線，并選取若干點作為模擬控制點（Pi，Pi為各控制點對應 的拉力荷載，Si為各控制點對應的伸長量，η為模擬控制點數(shù)目。
[0020] (2)采用公式

【權利要求】
1. 一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，包括箱體（1)，其特征在于： 在箱體（1)內(nèi)設置有軌道（3)、彈簧系統(tǒng)（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)可沿軌道（3)上下滑動； 所述的固定板（2)上設有數(shù)個上板孔（21)，所述的拉力板（4)上設有數(shù)個下板孔 (41)，所述的上板孔（21)和下板孔（41)的數(shù)量相等，各孔上下對應，且上下對應孔的圓心 的堅直投影相重合； 所述的彈簧系統(tǒng)（8)由與下板孔（41)的數(shù)量相等的數(shù)根彈簧（81)所組成，所述的彈 簧（81)的上端剛性連接有拉桿（6);所述的拉桿（6)可滑動地穿過固定板（2)的上板孔 (21)內(nèi)；彈簧（81)的下端穿過拉力板（4)的下板孔（41)保持自由； 所述的固定板（2)上表面中心處設置有一堅直向上的固定桿（11);所述的拉力板（4) 下表面中心處設置有一向下延伸的柔性件（9)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述固定板（2)剛性連接到箱體（1)內(nèi)壁上；固定板（2)的下表面與軌道（3)的上端部相 接觸。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述的彈簧（81)的剛性系數(shù)相同；彈簧（81)的直徑至少不大于拉力板（4)的下板孔（41) 的直徑。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述的拉桿（6)上標有長度刻度；拉桿（6)的直徑至少不大于固定板（2)的上板孔（21)的 直徑；拉桿（6)的遠離彈簧（81)的一自由段上設有限位螺母（5)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述的軌道（3)上標有與拉桿（6)相同標準的長度刻度；軌道（3)上設有限位器（12)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 在所述的拉力板（4)的下板孔（41)內(nèi)設有定位螺絲（7)。
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述的固定桿（11)的遠離固定板（2)圓心的一端固定于試驗點（13);固定桿（11)至少是 鋼、銅、或橡膠等材質(zhì)的一種高抗拉和壓強度的剛性桿件。
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述的柔性件（9)的遠離拉力板（4)圓心處的一端施加有拉力荷載（14);柔性件（9)至少 是鋼絲繩或高分子尼龍繩等材質(zhì)的一種高抗拉強度的柔性繩索。
9. 根據(jù)權利要求1所述的一種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬裝置，其特征在于： 所述箱體（1)的水平剖面為圓形、正方形或矩形的一種。
10. -種船舶系泊物理模型試驗中纜繩模擬方法，其特征在于，使用權利要求1至9所 述的裝置，包括以下步驟： (1)根據(jù)原型纜繩的荷載變形特性和物理模型試驗設計，確定模型試驗中待模擬纜繩 荷載變形特性曲線，并選取若干點作為模擬控制點（Pi, $)? = 1，...，η, Pi為各控制點對應的拉 力荷載（14)，Si為各控制點對應的伸長量，η為模擬控制點數(shù)目； (2) 采用公式
計算確定每根彈簧（81)的長 度LyK為彈簧剛度系數(shù)，彈簧（81)的數(shù)量為n，與模擬控制點數(shù)一一對應； (3) 根據(jù)計算所得第一根彈簧（81)長度U，關閉軌道（3)上的限位器（12)，限定拉力 板（4)位置，放松與第一根彈簧（81)相對應的拉桿（6)上的限位螺母（5)，通過調(diào)節(jié)拉桿 (6)使得固定板（2)和拉力板（4)之間的第一根彈簧（81)長度為U，擰緊拉力板（4)上相 應定位螺絲（7)固定第一根彈簧（81)的一端，調(diào)節(jié)與該彈簧（81)相連的拉桿（6)上相應 限位螺母（5)的位置，確保限位螺母（5)與固定板（2)之間的距離為零，然后擰緊限位螺母 (5)； (4) 根據(jù)計算所得第i根彈簧（81)長度Q，放松與第i根彈簧（81)相對應的拉桿（6) 上的限位螺母（5)，通過調(diào)節(jié)拉桿（6)使得固定板（2)和拉力板（4)之間的第i根彈簧（81) 長度為Q，擰緊拉力板（4)上相應定位螺絲（7)固定第i根彈簧（81)的一端，擰緊與該彈 簧（81)相連的拉桿（6)上相應限位螺母（5)，調(diào)節(jié)與該彈簧（81)相連的拉桿（6)上相應限 位螺母（5)的位置，確保限位螺母（5)與固定板（2)之間的距離為Sh，然后擰緊限位螺母 (5);重復上述步驟，直至完成設置所有η根彈簧（81)后，打開各軌道（3)上的限位器（12)， 使得拉力板（4)能沿軌道（3)滑動。 (5) 將模擬裝置的一端通過固定桿（11)與試驗點（13)相連，在柔性件（9)的遠離拉力 板（4)圓心處的一端分級施加拉力荷載（14)，拉力荷載（14)作用方向應與拉力板（4)保持 垂直，并記錄各級拉力荷載（14)作用下拉力板（4)的位移值； (6) 根據(jù)各級拉力值和相應的位移值，繪制拉力-伸長量曲線，與待模擬纜繩受力變形 理論曲線進行對比，并檢驗模擬結果誤差。
【文檔編號】G01M99/00GK104155131SQ201410374789
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權日:2014年7月31日
【發(fā)明者】譚慧明, 陳佳, 陳國平, 杜陸旸, 王李吉 申請人:河海大學