用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置及方法

1.本发明涉及船舶与海洋工程模型测试与试验技术领域，具体涉及一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置及方法。


背景技术：

2.由于船舶在航行时会与波浪产生相对运动，船舶在波浪中的升沉纵摇运动，船艏底部会出水并以较大的速度冲击水面，产生船艏砰击现象。砰击产生的冲击载荷使得船艏以及其他船体结构会产生一定的破坏现象。
3.由于船舶自身具有航速，在与波浪的相对运动下，会产生纵摇、横摇以及升沉运动，所以，船艏砰击水面是一个带有方向的运动入水形式。目前国内外的砰击实验均只考虑了船艏垂向入水的形式，即只考虑船艏与波浪之间垂向相对运动对波浪砰击船艏的影响，没有考虑船舶自身航速、船舶与波浪的水平相对运动对船艏砰击的影响。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有砰击实验只考虑船艏与波浪之间垂向相对运动对波浪砰击船艏的影响的不足，提供一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置及方法，该装置可以调节控制三维船艏与波浪的水平相对运动速度，以及船艏入水的纵倾或横倾角度，探究船舶与波浪的水平相对运动以及船艏纵倾或横倾角度对船艏砰击的影响。
5.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
6.一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，包括安装于实验水池上方的框架、安装于所述框架上的滑车轨道、安装于所述滑车轨道上的滑车；所述滑车轨道相对于框架的安装角度能够根据船艏入水速度方向进行调节；所述滑车包括滑车座、转动轴支座、转动轴、模型安装支座和角度调节构件，所述滑车座安装于所述滑车轨道上并能沿滑车轨道自由滑动，所述转动轴支座安装于滑车座下方，所述转动轴转动安装于所述转动轴支座上，所述模型安装支座固定安装于转动轴上并能与转动轴同步转动，模型安装支座底部用于安装三维船艏模型，所述角度调节构件安装于所述转动轴端部，用于调节转动轴的旋转角度，进而调节三维船艏模型的纵倾或横倾角度。
7.上述方案中，所述框架的上侧横梁与下侧横梁中的其中一侧横梁上设置一个开孔，另一侧横梁上并排设置多个开孔；所述滑车轨道的一端通过一侧横梁上的一个开孔与框架连接，滑车轨道的另一端通过另一侧横梁上的其中一个开孔与框架连接，其中一个开孔根据实验所需的船艏入水速度方向选择。
8.上述方案中，所述滑车轨道关于所述框架左右两侧对称设置，每侧滑车轨道包括一导管和分别设置于所述导管上、下两端的上铰支座和下铰支座，所述导管的上端通过所述上铰支座与上侧横梁上的开孔连接，导管的下端通过所述下铰支座与下侧横梁上的开孔连接。
9.上述方案中，所述上铰支座与下铰支座的结构相同，均包括铰支座座柱、铰支座座头和滚动轴承；所述铰支座座柱与横梁上的开孔适配以穿过开孔，铰支座座柱一端安装所述滚动轴承，铰支座座柱另一端与所述铰支座座头通过螺纹连接；所述铰支座座头上设有用于所述导管穿过的安装孔。
10.上述方案中，所述滑车座包括滑车座梁和安装于所述滑车座梁两端的套筒，两个套筒分别套装于所述导管上，并能沿所述导管自由滑动。
11.上述方案中，所述转动轴支座关于所述滑车座梁左右两侧对称设置，所述转动轴横穿两个转动轴支座而设置，转动轴两端对称设置两个所述角度调节构件。
12.上述方案中，所述角度调节构件包括一底板和一转板，所述底板与所述转动轴支座固定连接，底板上并排设置多个第一螺栓孔，所述转板转动安装于所述底板表面，转板上设置一个第二螺栓孔，所述第一螺栓孔与第二螺栓孔适配，对齐后可通过螺栓实现底板与转板的固定连接；所述转动轴端部依次穿过底板和转板，转动轴与底板转动连接，转动轴与转板固定连接，通过转动转板使第二螺栓孔与不同位置处的第一螺栓孔相连，实现转动轴的旋转角度调节。
13.上述方案中，所述模型安装支座套装于所述转动轴上，并与转动轴键连接，模型安装支座底部设有用于安装三维船艏模型的第三螺栓孔。
14.上述方案中，所述装置还包括高度调节装置，所述高度调节装置包括电磁铁、吊机、吊绳，所述电磁铁与吊机之间通过吊绳相连，所述电磁铁用于吸附或释放所述滑车座；所述吊机用于吊起电磁铁与三维船艏模型至设计高度。
15.相应的，本发明还提出一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的方法，采用上述装置进行，所述方法包括以下步骤：
16.s1、根据船艏入水速度方向调节滑车轨道的安装角度，将滑车轨道安装于框架上；
17.s2、将滑车座安装于滑车轨道上，将转动轴支座安装于滑车座上，将转动轴穿过角度调节构件与转动轴支座，并将模型安装支座装配到转动轴上；
18.s3、通过角度调节构件将转动轴调节至设定位置后固定转动轴；
19.s4、通过高度调节装置将滑车升到预计高度后释放，三维船艏模型沿着滑车轨道下落至实验水池中。
20.本发明的有益效果在于：
21.1、本发明依据实际船艏砰击形式，在考虑了垂向相对运动的情况下，加入水平方向相对运动的条件，通过控制滑车轨道的安装角度，即可控制船艏入水速度的方向。控制释放高度相同，在其垂向运动速度相同的条件下，不同的入水角度即对应不同的水平相对运动速度，因此本发明可以有效考虑船艏与波浪水平相对运动对波浪砰击船艏的影响。此外，依据实际砰击情况，船艏会以不同的纵倾或横倾角度入水，所以通过控制转动轴的转动角度，即可调节船艏的纵倾或横倾角度，使模型实验更加符合实际。
22.2、当研究不同的水平相对运动速度大小对船艏砰击的影响时，以入水角度为变量，控制船艏释放高度不变以及船艏的纵倾或横倾角度不变；若需要研究船艏入水时的纵倾或横倾角度对砰击的影响时，以船艏的纵倾或横倾入水角度为变量，控制释放高度不变，入水角度不变即水平相对运动速度不变。
23.3、本发明的滑车轨道角度的调节方式与转动轴旋转角度的调节方式均采用并排
设置的螺栓孔实现，结构简单、实验中易于操作。
附图说明
24.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
25.图1是本发明用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置的整体结构示意图；
26.图2是图1所示装置的安装示意图；
27.图3是图1所示装置的框架的结构示意图；
28.图4是图1所示装置的滑车轨道的结构示意图；
29.图5是图4所示滑车轨道的铰支座的结构示意图；
30.图6是图1所示装置的滑车的结构示意图；
31.图7是图6所示滑车的转动轴的结构示意图；
32.图8是图6所示滑车的模型安装支座的结构示意图；
33.图9是图6所示滑车的角度调节构件的结构示意图；
34.图10是图9所示角度调节构件的底板的结构示意图。
35.图中：10、框架；11、上侧横梁；111、上横梁开孔；12、下侧横梁；121、下横梁开孔；
36.20、滑车轨道；21、导管；22、上铰支座；221、铰支座座柱；222、铰支座座头；223、滚动轴承；23、下铰支座；
37.30、滑车；31、滑车座；311、滑车座梁；312、套筒；32、转动轴支座；33、转动轴；34、模型安装支座；341、第三螺栓孔；35、角度调节构件；351、底板；352、第一螺栓孔；353、转板；354、第二螺栓孔；355、螺栓；356、正多边形孔；
38.40、三维船艏模型；
39.50、高度调节装置；51、电磁铁；52、吊机；53、吊绳；
40.60、实验水池；
41.70、实验平台。
具体实施方式
42.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
43.如图1-2所示，为本发明实施例提供的一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，包括安装于实验水池60上方的框架10、安装于框架10上的滑车轨道20、安装于滑车轨道20上的滑车30。滑车轨道20相对于框架10的安装角度能够根据船艏入水速度方向进行调节。滑车30能整体沿滑车轨道20自由滑动，三维船艏模型40安装于滑车30上，并能通过滑车30调节三维船艏模型40的纵倾或横倾角度。
44.框架10整体安装于实验平台70上，如图3所示，框架10是一个由若干矩形方钢管焊接而成的左右对称的结构，框架10的上侧横梁11上并排设置多个上横梁开孔111，框架10的下侧横梁12上设置一个下横梁开孔121。具体的，本实施例中，框架10由120
×
80
×
5mm的矩形方钢管焊接而成，上侧横梁11开有6个直径为30mm的上横梁开孔111，每个上横梁开孔111的中心间距为95mm；下侧横梁12开有1个直径为30mm的下横梁开孔121。
45.如图4所示，滑车轨道20关于框架10左右两侧对称设置，每侧滑车轨道20包括一导
管21和分别设置于导管21上、下两端的上铰支座22和下铰支座23。导管21的下端通过下铰支座23与下侧横梁12上的开孔连接，导管21的上端通过上铰支座22与上侧横梁11上的其中一个开孔连接，其中一个开孔根据实验所需的船艏入水速度方向选择。
46.上铰支座22和下铰支座23的结构相同，如图5所示，均包括铰支座座柱221、铰支座座头222和滚动轴承223；铰支座座柱221与横梁上的开孔适配以穿过开孔，铰支座座柱221一端安装滚动轴承223，铰支座座柱221另一端与铰支座座头222通过螺纹连接；铰支座座头222上设有用于导管21穿过的安装孔。具体的，本实施例中，铰支座座柱221直径为30mm，将铰支座座柱221穿过横梁上的开孔后与铰支座座头222旋紧固定。由于设置滚动轴承223，铰支座座柱221可以转动以适应导管21不同的安装方向。铰支座座头222上安装孔的内径与光滑导管21外径相等均为60mm，导管21穿过铰支座座头222并在下铰支座23下方焊接下封口，防止导管21滑落。
47.如图6所示，滑车30包括滑车座31、转动轴支座32、转动轴33、模型安装支座34和角度调节构件35。滑车座31安装于滑车轨道20上并能沿滑车轨道20自由滑动；转动轴支座32安装于滑车座31下方；转动轴33转动安装于转动轴支座32上；模型安装支座34固定安装于转动轴33上并能与转动轴33同步转动，模型安装支座34底部用于安装三维船艏模型40；角度调节构件35安装于转动轴33端部，用于调节转动轴33的旋转角度，进而调节三维船艏模型40的纵倾或横倾角度。
48.滑车座31包括滑车座梁311和安装于滑车座梁311两端的套筒312，两个套筒312分别套装于导管21上，并能沿导管21自由滑动。本实施例中，滑车座梁311两端的套筒312内径与光滑导管21外径相等均为60mm。
49.继续参见图7-10，转动轴支座32关于滑车座梁311左右两侧对称设置，每侧的转动轴支座32均包括一翼板和平行安装于翼板下方的两块腹板，其中翼板通过垫片与螺栓与滑车座梁311固定连接。转动轴33横穿两个转动轴支座32的腹板而设置，模型安装支座34套装于转动轴33上，并与转动轴33键连接，模型安装支座34底部设有用于安装三维船艏模型40的第三螺栓孔341。转动轴33两端对称设置两个角度调节构件35，角度调节构件35包括一底板351和一转板353，底板351与转动轴支座32的腹板固定连接，底板351上并排设置多个第一螺栓孔352，转板353转动安装于底板351表面，转板353上设置一个第二螺栓孔354，第一螺栓孔352与第二螺栓孔354适配，对齐后可通过螺栓355实现底板351与转板353的固定连接；转动轴33端部依次穿过底板351和转板353，转动轴33与底板351转动连接，转动轴33与转板353固定连接，通过转动转板353使第二螺栓孔354与不同位置处的第一螺栓孔352相连，实现转动轴33的旋转角度调节。具体的，转动轴33端部的横截面设计为正多边形，转板353上设有与正多边形端部适配的正多边形孔356，转动转板353，正多边形孔356将会带动转动轴33进行转动，然后通过螺栓355将转板353与底板351进行固定，从而到达船艏纵倾或横倾角度的调节。
50.用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置还包括高度调节装置50，高度调节装置50包括电磁铁51、吊机52、吊绳53，电磁铁51与吊机52之间通过吊绳53相连，电磁铁51用于吸附或释放滑车座31；吊机52用于吊起电磁铁51与三维船艏模型40至设计高度。通过电磁铁51和吊机52吊起三维船艏模型40到设计高度后，断电释放滑车座31进行实验。
51.相应的，本发明还提出一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的方法，采用上述装
置进行，所述方法包括以下步骤：
52.s1、根据船艏入水速度方向调节滑车轨道20的安装角度，将滑车轨道20安装于框架10上；
53.s2、将滑车座31安装于滑车轨道20上，将转动轴支座32安装于滑车座31上，将转动轴33穿过角度调节构件35与转动轴支座32，并将模型安装支座34装配到转动轴33上；
54.s3、通过角度调节构件35将转动轴33调节至设定位置后固定转动轴33；
55.s4、通过高度调节装置50将滑车30升到预计高度后释放，三维船艏模型40沿着滑车轨道20下落至实验水池中。
56.根据上述方法，本实施例中用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置的具体使用步骤如下：
57.步骤1：将下铰支座23的铰支座座柱221穿过下横梁开孔121后拧紧铰支座座头222，选择上铰支座22的安装位置，将上铰支座22的铰支座座柱221穿过选择的上横梁开孔111后拧紧铰支座座头222。
58.步骤2：由于滚动轴承223，上铰支座22与下铰支座23可以转动。所以，将上铰支座22与下铰支座23的导管21安装孔对齐穿入导管21，先将导管21穿过上铰支座22后，紧接着穿过滑车座31的套筒312，再穿过下铰支座23，最后对下铰支座23进行下封口防止导管21滑落。
59.步骤3：拧紧螺栓将垫片与转动轴支座32固定在滑车座梁311上。
60.步骤4：将转动轴33穿过角度调节构件35底板351与转动轴支座32，并将模型安装支座34装配到转动轴33上。
61.步骤5：将角度调节构件35的转板353套到转动轴33两侧，转板353上的正多边形孔356与转动轴33正多边形两端相贴合卡住，转动转板353调节角度后拧紧螺栓355将其固定。
62.步骤6：通过模型安装支座34底部的第三螺栓孔341与螺栓将三维船艏模型40固定在滑车30上。需要说明的是，当需要研究纵倾角度对砰击的影响时，将三维船艏模型40沿着实验水池60的纵向安装；当需要研究横倾角度对砰击的影响时，将三维船艏模型40沿着实验水池60的横向安装。
63.步骤7：将电磁铁51通电吸住滑车座梁311，上升吊机52吊起电磁铁51与三维船艏模型40，当升到预计高度时断开电磁铁51电源，三维船艏模型40沿着导管21下落至实验水池60中。
64.一个试验工况结束后，调节上铰支座22位置和/或三维船艏模型40的纵倾或横倾角度，然后重复步骤7。
65.基于上述方案，可实现研究船艏与波浪水平相对运动对波浪砰击船艏的影响。
66.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，包括安装于实验水池上方的框架、安装于所述框架上的滑车轨道、安装于所述滑车轨道上的滑车；所述滑车轨道相对于框架的安装角度能够根据船艏入水速度方向进行调节；所述滑车包括滑车座、转动轴支座、转动轴、模型安装支座和角度调节构件，所述滑车座安装于所述滑车轨道上并能沿滑车轨道自由滑动，所述转动轴支座安装于滑车座下方，所述转动轴转动安装于所述转动轴支座上，所述模型安装支座固定安装于转动轴上并能与转动轴同步转动，模型安装支座底部用于安装三维船艏模型，所述角度调节构件安装于所述转动轴端部，用于调节转动轴的旋转角度，进而调节三维船艏模型的纵倾或横倾角度。2.根据权利要求1所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述框架的上侧横梁与下侧横梁中的其中一侧横梁上设置一个开孔，另一侧横梁上并排设置多个开孔；所述滑车轨道的一端通过一侧横梁上的一个开孔与框架连接，滑车轨道的另一端通过另一侧横梁上的其中一个开孔与框架连接，其中一个开孔根据实验所需的船艏入水速度方向选择。3.根据权利要求2所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述滑车轨道关于所述框架左右两侧对称设置，每侧滑车轨道包括一导管和分别设置于所述导管上、下两端的上铰支座和下铰支座，所述导管的上端通过所述上铰支座与上侧横梁上的开孔连接，导管的下端通过所述下铰支座与下侧横梁上的开孔连接。4.根据权利要求3所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述上铰支座与下铰支座的结构相同，均包括铰支座座柱、铰支座座头和滚动轴承；所述铰支座座柱与横梁上的开孔适配以穿过开孔，铰支座座柱一端安装所述滚动轴承，铰支座座柱另一端与所述铰支座座头通过螺纹连接；所述铰支座座头上设有用于所述导管穿过的安装孔。5.根据权利要求3所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述滑车座包括滑车座梁和安装于所述滑车座梁两端的套筒，两个套筒分别套装于所述导管上，并能沿所述导管自由滑动。6.根据权利要求5所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述转动轴支座关于所述滑车座梁左右两侧对称设置，所述转动轴横穿两个转动轴支座而设置，转动轴两端对称设置两个所述角度调节构件。7.根据权利要求1所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述角度调节构件包括一底板和一转板，所述底板与所述转动轴支座固定连接，底板上并排设置多个第一螺栓孔，所述转板转动安装于所述底板表面，转板上设置一个第二螺栓孔，所述第一螺栓孔与第二螺栓孔适配，对齐后可通过螺栓实现底板与转板的固定连接；所述转动轴端部依次穿过底板和转板，转动轴与底板转动连接，转动轴与转板固定连接，通过转动转板使第二螺栓孔与不同位置处的第一螺栓孔相连，实现转动轴的旋转角度调节。8.根据权利要求1所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述模型安装支座套装于所述转动轴上，并与转动轴键连接，模型安装支座底部设有用于安装三维船艏模型的第三螺栓孔。9.根据权利要求1所述的用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置，其特征在于，所述装置还包括高度调节装置，所述高度调节装置包括电磁铁、吊机、吊绳，所述电磁铁与吊机之间通过吊绳相连，所述电磁铁用于吸附或释放所述滑车座；所述吊机用于吊起电磁铁与三
维船艏模型至设计高度。10.一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的装置进行，所述方法包括以下步骤：s1、根据船艏入水速度方向调节滑车轨道的安装角度，将滑车轨道安装于框架上；s2、将滑车座安装于滑车轨道上，将转动轴支座安装于滑车座上，将转动轴穿过角度调节构件与转动轴支座，并将模型安装支座装配到转动轴上；s3、通过角度调节构件将转动轴调节至设定位置后固定转动轴；s4、通过高度调节装置将滑车升到预计高度后释放，三维船艏模型沿着滑车轨道下落至实验水池中。

技术总结
本发明涉及一种用于三维船艏斜向入水砰击实验的装置及方法，装置包括安装于实验水池上方的框架、安装于框架上的滑车轨道、安装于滑车轨道上的滑车；滑车轨道相对于框架的安装角度能够根据船艏入水速度方向进行调节；滑车包括滑车座、转动轴支座、转动轴、模型安装支座和角度调节构件，滑车座滑动安装于滑车轨道上，转动轴支座安装于滑车座下方，转动轴转动安装于转动轴支座上，模型安装支座固定安装于转动轴上，模型安装支座底部用于安装三维船艏模型，角度调节构件安装于转动轴端部，用于调节转动轴的旋转角度，进而调节三维船艏模型的纵倾或横倾角度。本发明可以探究船舶与波浪的水平相对运动以及船艏纵倾或横倾角度对船艏砰击的影响。砰击的影响。砰击的影响。


技术研发人员：郑成 曹宇航 王一雯 孔祥韶 黄文斗 王妙珠 杨龙
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/6/28