一种分段式钢质框架船体模型及加工方法与流程

1.本发明涉及分段式船模波浪载荷试验与测试技术领域，尤其是一种分段式钢质框架船体模型及加工方法。


背景技术：

2.随着社会的发展及航运的需要，船舶逐渐趋于大型化，船体刚度降低，柔性增大，湿模态固有频率随之降低，船体发生线性波激振动的概率增大，对船体的疲劳寿命会构成极大的威胁。为了对船体线性波激振动现象开展试验研究，需要设计并加工大尺度分段式船体模型。
3.传统的分段式船体模型内部支撑框架为木质，设计方案和加工工艺适用于主尺度小于5m～6m的船模，当需要设计并加工长达8m甚至更大的大尺度分段式船体模型时，由于木质肋骨框架刚度较弱，波浪载荷难以有效传递至钢质测量梁，且木质肋骨框架会对船模的各项参数带来很大的不确定性，传统的设计方案与加工方法已不再适用，需要开发新型的分段式船体模型，以便对船舶线性波激振动现象开展精确的试验研究。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种分段式钢质框架船体模型及加工方法，从而使模型具有刚度足够大的肋骨框架、各构件连接稳固可靠，使得船模发生高频振动时配重惯性载荷与船模湿表面压力有效传递至测量梁上，保证了大尺度船模波浪载荷试验的测量精度。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种分段式钢质框架船体模型，包括由多个分段式船壳组成的分段式船体，分段式船壳由玻璃纤维制成，还包括材质均为钢质的主肋骨、次肋骨、舷侧纵梁、支撑横梁、支撑柱、测量梁和基座；
7.每个分段式船壳中部内表面设置主肋骨，每个分段式船壳前后端内表面设置次肋骨，每个分段式船壳左右舷内侧沿船体长度方向设置舷侧纵梁，舷侧纵梁同时与主肋骨和次肋骨上端焊接；
8.每个分段式船壳中部设置支撑横梁，支撑横梁的轴线方向与分段式船体长度方向垂直，支撑横梁的两端分别与主肋骨焊接，支撑横梁的下部通过支撑柱与主肋骨焊接；
9.支撑横梁上表面焊接基座，多个基座同时与沿分段式船体长度方向放置的测量梁焊接；
10.主肋骨、次肋骨与分段式船壳之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定；
11.舷侧纵梁与分段式船壳之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定。
12.其进一步技术方案在于：
13.分段式船壳的数量大于等于10。
14.支撑横梁刚度与测量梁刚度比值大于0.15。
15.相邻的分段式船壳之间采用胶皮连接。
16.主肋骨和次肋骨的截面为工字型，主肋骨、次肋骨与分段式船壳之间接触部位缝隙中填充原子灰，主肋骨和次肋骨下部的腹板、面板与两侧的分段式船壳表面同时覆盖玻璃纤维，通过在玻璃纤维的贴合面涂抹不饱和树脂以及层叠的玻璃纤维之间涂抹不饱和树脂，将主肋骨和次肋骨与分段式船壳连接固定。
17.舷侧纵梁为方钢，舷侧纵梁与分段式船壳之间接触部位缝隙中填充原子灰，舷侧纵梁的外部与两侧的分段式船壳表面同时覆盖玻璃纤维，通过在玻璃纤维的贴合面涂抹不饱和树脂以及层叠玻璃的纤维之间涂抹不饱和树脂，将舷侧纵梁与分段式船壳连接固定。
18.一种分段式钢质框架船体模型的加工方法，包括以下步骤：
19.第一步：加工阳模，阳模的线型与多个分段式船壳组成的分段式船体模型的线型相同；
20.第二步：加工模具：将阳模倒置于加工平台上，在阳模外表面涂上一层防水树脂，再在阳模表面覆盖若干层玻璃纤维，防水树脂将玻璃纤维牢牢地吸附在阳模的外表面，同时用不饱和树脂将各层玻璃纤维固定在一起；
21.待玻璃纤维凝固后，将阳模与玻璃纤维分离，成型后的玻璃纤维即为与分段式船体外表面匹配的模具；
22.第三步：加工分段式船壳：在模具内的分段式船体分段位置对应处安装木质分段隔板，隔板将模具内部空间划分为多个独立的单元，采用真空负压法在模具内相邻木质隔板间加工分段式船壳；
23.第四步：加工钢质肋骨框架：各段所需的钢质肋骨框架的外形结构与对应的分段式船壳内部匹配，钢质肋骨框架包括位于每个分段式船壳中部内表面的主肋骨以及每个分段式船壳前后端内表面的次肋骨；
24.第五步：安装钢质肋骨框架：将加工好的钢质肋骨框架依次内置于相应的分段式船壳内，钢质肋骨框架与船壳接触部位会有小缝隙，首先在钢质肋骨框与分段式船壳接触的一面涂上原子灰，使得在安装钢质肋骨框架时，原子灰填充在肋骨框架与船壳之间的缝隙中，同时原子灰凝固后，起到固定肋骨框的作用，在钢质肋骨框架下部与钢质肋骨框架两侧的分段式船壳上同时层层覆盖玻璃纤维与不饱和树脂，将钢质肋骨框架与分段式船壳紧紧固定在一起；
25.第六步：安装支撑横梁与舷侧纵梁：用激光水平仪在各主肋骨上标记出支撑横梁的安装位置，然后在各主肋骨标记高度处安装支撑横梁，将支撑横梁的两端与主肋骨焊接，在分段式船壳的支撑横梁与主肋骨之间安装支撑柱，支撑柱位于分段式船壳的中纵剖面处，支撑柱的两端分别与支撑横梁与主肋骨焊接，主肋骨与次肋骨上端配合安装舷侧纵梁，在舷侧纵梁与分段式船壳之间接触部位缝隙中填充原子灰，舷侧纵梁的外部与两侧的分段式船壳表面同时层层覆盖玻璃纤维与不饱和树脂，将舷侧纵梁与分段式船壳紧紧固定在一起，舷侧纵梁与主肋骨与次肋骨通过焊接的方式连接；
26.第七步：分段船模称重：分段式船壳内安装主肋骨、次肋骨、舷侧纵梁和支撑横梁、支撑柱组装后整体为分段船模，将分段船模从模具中取出称重，然后重新放置于模具内；
27.第八步：分段船模与测量梁装配：通过与测量梁配合的基座将测量梁安装于支撑
横梁上，基座与支撑横梁通过焊接连接在一起，基座与测量梁通过焊接连接在一起；
28.第九步：船模密封：将分段船模从模具中取出，用橡胶薄膜将船模在分段处进行密封，橡胶薄膜在分段处需呈内凹状态。
29.其进一步技术方案在于：
30.第一步中加工阳模的过程如下：
31.加工木质肋骨框：根据对应肋位处的分段式船体模型横剖面线型加工木质肋骨框，并将木质肋骨框从船艏至船艉依次编号，木质肋骨框的外形尺寸小于需要制作阳模的凸出外表面的尺寸；
32.木质肋骨框定位：将木质肋骨框按照顺序从船艏到船艉依次倒置且固定于加工平台上；
33.加工玻璃钢外壳：在木质肋骨框周围覆盖若干层玻璃纤维，用不饱和树脂将玻璃纤维与肋骨框紧紧地包裹在一起，玻璃纤维逐层覆盖逐层粘贴；
34.玻璃钢外壳成型：待玻璃纤维与不饱和树脂凝固，在船体外壳涂上原子灰，用与分段式船体外形对应的船体卡板对玻璃钢外壳外部线型进行测量，在型值凸出处去除掉多余的原子灰，在型值不足处补充原子灰，直至型线满足要求；
35.加固肋骨框：将玻璃钢外壳翻转，在玻璃钢外壳内的木质肋骨框周围覆盖玻璃纤维，用不饱和树脂将玻璃纤维与木质肋骨框、玻璃钢外壳紧紧包裹在一起，完成阳模的加工。
36.第九步完成后进行加载配重：给每个分段船模加载配重，调整配重的位置使船体模型的重心位置与转动惯量满足要求。
37.本发明的有益效果如下：
38.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过使用钢质框架及焊接组装工艺使该船模内部各构件的刚度得到了保证，船模波浪载荷及惯性载荷得以有效传递至测量梁，确保了波浪载荷的有效测量；通过原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂将玻璃纤维制成的船壳与钢制框架固定连接，保证了波浪载荷的有效传递。
39.同时，本发明还存在如下优势：
40.(1)确定分段段数大于等于10，支撑横梁的数量为1时以及支撑横梁的刚度与测量梁刚度比值大于0.15即可满足模型的性能参数满足船模在波浪载荷试验时的试验精度，对于科学有效的进行船模的设计提供了合理参考，也在合理的设计基础上提高船模的制作效率和降低制作成本。
41.(2)通过模具进行船壳加工，可使船壳厚度保持一致，内部比较平整，便于与钢质肋骨的固定连接。
42.(3)该模型涉及到的船壳加工工艺和方法、船壳与钢制框架的组装步骤和方法尽可能地降低了大尺度分段式船体模型自身的不确定性，保证了船体各构件之间的刚性连接及船模的振动模态特性。
附图说明
43.图1为本发明的结构示意图。
44.图2为图1中a处放大图。
45.图3为本发明分段船模结构示意图(包括局部测量梁)。
46.图4为本发明船体模型的分段示意图(侧视图)。
47.图5为本发明船体模型的分段示意图(俯视图)。
48.图6为本发明船体模型主肋骨、次肋骨与分段式船壳的组装示意图。
49.图7为本发明测量梁和基座的结构示意图。
50.图8为本发明基座的侧视图。
51.其中：a、分段式船壳；b、主肋骨；c次肋骨、；d、舷侧纵梁；e、支撑横梁；f、支撑柱；g、测量梁；h、基座；m、位于面板和分段式船壳之间的原子灰；n、包裹肋骨和分段式船壳的玻璃纤维。
具体实施方式
52.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
53.如图1-图8所示，本实施例一的分段式钢质框架船体模型，包括由多个分段式船壳a组成的分段式船体，分段式船壳a由玻璃纤维制成，还包括材质均为钢质的主肋骨b、次肋骨c、舷侧纵梁d、支撑横梁e、支撑柱f、测量梁g和基座h；
54.每个分段式船壳a中部内表面设置主肋骨b，每个分段式船壳a前后端内表面设置次肋骨c，每个分段式船壳a左右舷内侧沿船体长度方向设置舷侧纵梁d，舷侧纵梁d同时与主肋骨b和次肋骨c上端焊接；
55.每个分段式船壳a中部设置支撑横梁e，支撑横梁e的轴线方向与分段式船体长度方向垂直，支撑横梁e的两端分别与主肋骨b焊接，支撑横梁e的下部通过支撑柱f与主肋骨b焊接；
56.支撑横梁e上表面焊接基座h，多个基座h同时与沿分段式船体长度方向放置的测量梁g焊接；
57.主肋骨b、次肋骨c与分段式船壳a之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定；
58.舷侧纵梁d与分段式船壳a之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定。
59.相邻的分段式船壳a之间采用胶皮连接，使分段式船壳a组成的船壳整体具有防水效果。
60.主肋骨b、次肋骨c、舷侧纵梁d、支撑横梁e、支撑柱f、测量梁g和基座h焊接形成了钢制框架。支撑柱f的截面为工字型等其它一体型钢结构件。
61.通过使用钢质框架及焊接组装工艺使该船模内部各构件的刚度得到了保证，船模波浪载荷及惯性载荷得以有效传递至测量梁g，确保了波浪载荷的有效测量；通过原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂将玻璃纤维制成的船壳a与钢制框架固定连接，保证了波浪载荷的有效传递。
62.传统的模型设计加工只考虑了几何相似与测量梁g的刚度相似，但船体分段段数、支撑横梁e刚度、支撑横梁e数量等重要参数都可能会对船体模态、试验结果产生一定的影响。为了避免模型加工的盲目性，在改进型船模设计加工之前，通过有限元数值计算，研究了船模分段段数、支撑横梁e刚度、支撑横梁e数量等参数对船体振动模态的影响，确定了合理设计参数，具体分析过程如下及部分。
63.一、研究分段段数对振动模态的影响：
64.基于有限元的方法，建立船模分为4、5、6、7、8、10、12、14、19段的有限元模型，且这些有限元模型保持质量分布的一致性，计算具有不同分段段数的有限元模型的振动模态。表1为具有不同段数的模型的前三阶垂向振动频率。由计算结果可以看出，随着分段段数的增大，前3阶垂向振动频率均逐渐减小，但当分段段数大于10段时，频率逐渐趋于收敛，即当船体分段段数大于10段时，分段段数对船模振动频率的影响几乎可忽略不计，船体模型分为10段及以上是合理的。
65.表1不同段数的模型的前三阶垂向振动频率
[0066][0067]
基于有限元的方法，通过建立不同分段数量的模型，进行分段段数对船模振动频率的影响分析，确定分段式船壳a的数量大于等于10。
[0068]
二、研究测量梁支撑横梁刚度对振动模态的影响：
[0069]
支撑横梁e刚度可表达ei，其中e为杨氏模量，i为横剖面的惯性矩，在研究过程中，为了便于操作，保持测量梁g刚度不变，通过调整支撑横梁e的杨氏模量改变支撑横梁e的刚度，研究支撑横梁e的刚度对模型振动模态的影响。
[0070]
表2为不同的支撑横梁e刚度与测量梁g刚度比值条件下船体模型各阶振动频率。从计算结果可以看出，当支撑横梁e刚度与测量梁g刚度比值大于0.15时，支撑横梁e刚度对前两阶振动频率的影响可忽略不计，船模振动模态是收敛的。工况2中当二者的比值为0.075时，船体模型只有明显的1阶和2阶垂向振动模态，工况1中二者的比值为0.015时，船体模型只有明显的1阶垂向振动模态，且有相当多的高阶模态的振型表现为船体分段绕支撑横梁e的扭转，虽然工况1的1阶振动频率和工况2的1阶、2阶振动频率与其余工况同阶振动频率的误差均很小，但船体在波浪中航行时往往会发生高频振动，当船模自身高频振动特性表现为船体分段自身的扭转振动时，是无法保证船体湿表面压力与惯性载荷的有效传递的。
[0071]
表2支撑横梁e不同的刚度条件下船体模型各阶振动频率
[0072][0073]
支撑横梁不同的刚度条件下船体模型各阶振动频率计算分析得到，支撑横梁e刚度与测量梁g刚度比值大于0.15时，撑横梁刚度不会影响模型振动模态，保证模型波浪载荷试验的测量精度。
[0074]
三、研究船模分段中测量梁支撑横梁数量对振动模态的影响：
[0075]
单根支撑横梁e情况：一根位于分段中间位置的支撑横梁e和支撑柱f；
[0076]
两根支撑横梁e情况：分段两端设置两根支撑梁e和支撑柱f；
[0077]
两种情况的其余构件尺寸、质量分布保持不变，建立有限元模型，计算该模型的振动模态。
[0078]
表3为单根支撑横梁与双根支撑横梁模型的前3阶振动频率，由计算结果可知，双支撑横梁的各阶振动频率均大于单支撑横梁的振动频率，前2阶振动频率的误差均小于5％，第3阶振动频率误差约15％，这主要是因为单支撑横梁船模船体纵向刚度为测量梁g的刚度，对于双支撑横梁模型，在测量剖面位置，船体纵向刚度为测量梁g的刚度，但受分段式船壳a的影响，两根支撑横梁e之间的船模实际刚度是大于测量梁g的刚度的。无论是单支撑横梁e还是双支撑横梁e都能够满足波浪载荷试验的需要。当试验结果要用于验证数值计算时，往往需要精确的船体纵向刚度作为输入条件，单支撑横梁船模无疑更能满足这一需求。
[0079]
表3单根支撑横梁与双根支撑横梁模型的前3阶振动频率
[0080][0081]
因此，每个分段式船壳a中部设置支撑横梁e，支撑横梁e的数量为一件，支撑横梁e的轴线方向与分段式船体长度方向垂直，支撑横梁e的两端分别与主肋骨b焊接，支撑横梁e的下部通过一根支撑柱f与主肋骨b焊接。
[0082]
主肋骨b和次肋骨c的截面为工字型，主肋骨b、次肋骨c与分段式船壳a之间接触部位缝隙中填充原子灰，主肋骨b和次肋骨c下部的腹板、面板与两侧的分段式船壳a表面同时覆盖玻璃纤维，通过在玻璃纤维的贴合面涂抹不饱和树脂以及层叠的玻璃纤维之间涂抹不
饱和树脂，将主肋骨b和次肋骨c与分段式船壳a连接固定。
[0083]
舷侧纵梁d为方钢，舷侧纵梁d与分段式船壳a之间接触部位缝隙中填充原子灰，舷侧纵梁d的外部与两侧的分段式船壳a表面同时覆盖玻璃纤维，通过在玻璃纤维的贴合面涂抹不饱和树脂以及层叠玻璃的纤维之间涂抹不饱和树脂，将舷侧纵梁d与分段式船壳a连接固定。
[0084]
原子灰可以将肋骨与分段式船壳a之间的间隙填充起来，同时起到连接作用；不饱和树脂为一种防水胶水，用于将玻璃纤维之间粘贴于一体，也使涂抹过不饱和树脂的片状玻璃纤维具有粘贴固定作用，将肋骨于分段式船壳a粘贴连接。
[0085]
如图1-图8所示，本实施例二的分段式钢质框架船体模型的加工方法，包括以下步骤：
[0086]
第一步：加工阳模，阳模的线型与多个分段式船壳a组成的分段式船体模型的线型相同；
[0087]
第二步：加工模具：将阳模倒置于加工平台上，在阳模外表面涂上一层防水树脂，再在阳模表面覆盖若干层玻璃纤维，防水树脂将玻璃纤维牢牢地吸附在阳模的外表面，同时用不饱和树脂将各层玻璃纤维固定在一起；该方法可使阳模外表面与玻璃纤维材质的模具之间无缝接触；
[0088]
待玻璃纤维凝固后，将阳模与玻璃纤维分离，成型后的玻璃纤维即为与分段式船体外表面匹配的模具；
[0089]
第三步：加工分段式船壳a：在模具内的分段式船体分段位置对应处安装木质分段隔板，隔板将模具内部空间划分为多个独立的单元，采用真空负压法在模具内相邻木质隔板间加工分段式船壳a；
[0090]
真空负压法即在模具内部铺设若干层的玻璃纤维，然后在玻璃纤维表面铺设真空导流网与塑料薄膜，将模具、隔板、塑料薄膜组成的密闭空间抽成真空，同时将不饱和树脂输送至密闭空间内并使其均匀分布，待玻璃纤维与不饱和树脂凝固成型，取出真空导流网和塑料薄膜，分段式船壳a便加工成型。方法只要保证每个分段式船壳a的玻璃纤维的层数一致，就可保证分段式船壳a厚度的均匀性。
[0091]
第四步：加工钢质肋骨框架：各段所需的钢质肋骨框架的外形结构与对应的分段式船壳a内部匹配，钢质肋骨框架包括位于每个分段式船壳a中部内表面的主肋骨b以及每个分段式船壳a前后端内表面的次肋骨c；
[0092]
第五步：安装钢质肋骨框架：将加工好的钢质肋骨框架依次内置于相应的分段式船壳a内，钢质肋骨框架与船壳接触部位会有小缝隙，首先在钢质肋骨框与分段式船壳a接触的一面涂上原子灰，使得在安装钢质肋骨框架时，原子灰填充在肋骨框架与船壳之间的缝隙中，同时原子灰凝固后，起到固定肋骨框的作用，在钢质肋骨框架下部与钢质肋骨框架两侧的分段式船壳a上同时层层覆盖玻璃纤维与不饱和树脂，将钢质肋骨框架与分段式船壳a紧紧固定在一起；
[0093]
第六步：安装支撑横梁e与舷侧纵梁d：用激光水平仪在各主肋骨b上标记出支撑横梁e的安装位置，然后在各主肋骨b标记高度处安装支撑横梁e，将支撑横梁e的两端与主肋骨b焊接，在分段式船壳a的支撑横梁e与主肋骨b之间安装支撑柱f，支撑柱f位于分段式船壳a的中纵剖面处，支撑柱f的两端分别与支撑横梁e与主肋骨b焊接，主肋骨b与次肋骨c上
端配合安装舷侧纵梁d，在舷侧纵梁d与分段式船壳a之间接触部位缝隙中填充原子灰，舷侧纵梁d的外部与两侧的分段式船壳a表面同时层层覆盖玻璃纤维与不饱和树脂，将舷侧纵梁d与分段式船壳a紧紧固定在一起，舷侧纵梁d与主肋骨b与次肋骨c通过焊接的方式连接；
[0094]
第七步：分段船模称重：分段式船壳a内安装主肋骨b、次肋骨c、舷侧纵梁d和支撑横梁e、支撑柱f组装后整体为分段船模，将分段船模从模具中取出称重，然后重新放置于模具内；
[0095]
第八步：分段船模与测量梁g装配：通过与测量梁g配合的基座h将测量梁g安装于支撑横梁e上，基座h与支撑横梁e通过焊接连接在一起，基座h与测量梁g通过焊接连接在一起；
[0096]
第九步：船模密封：将分段船模从模具中取出，用橡胶薄膜将船模在分段处进行密封，橡胶薄膜在分段处需呈内凹状态。
[0097]
本实施例三的分段式钢质框架船体模型的加工方法，与实施例二的步骤相同，具体第一步中加工阳模的过程如下：
[0098]
加工木质肋骨框：根据对应肋位处的分段式船体模型横剖面线型加工木质肋骨框，并将木质肋骨框从船艏至船艉依次编号，木质肋骨框的外形尺寸小于需要制作阳模的凸出外表面的尺寸；
[0099]
木质肋骨框定位：将木质肋骨框按照顺序从船艏到船艉依次倒置且固定于加工平台上；
[0100]
加工玻璃钢外壳：在木质肋骨框周围覆盖若干层玻璃纤维，用不饱和树脂将玻璃纤维与肋骨框紧紧地包裹在一起，玻璃纤维逐层覆盖逐层粘贴；
[0101]
玻璃钢外壳成型：待玻璃纤维与不饱和树脂凝固，在船体外壳涂上原子灰，用与分段式船体外形对应的船体卡板对玻璃钢外壳外部线型进行测量，在型值凸出处去除掉多余的原子灰，在型值不足处补充原子灰，直至型线满足要求；
[0102]
加固肋骨框：将玻璃钢外壳翻转，在玻璃钢外壳内的木质肋骨框周围覆盖玻璃纤维，用不饱和树脂将玻璃纤维与木质肋骨框、玻璃钢外壳紧紧包裹在一起，完成阳模的加工。
[0103]
本实施例三的分段式钢质框架船体模型的加工方法，与实施例二的第九步完成后进行加载配重：给每个分段船模加载配重，调整配重的位置使船体模型的重心位置与转动惯量满足要求。
[0104]
该分段式钢质框架船体模型的加工方法，通过钢质框架及焊接组装工艺使该船模内部各构件的刚度得到了保证，船模波浪载荷及惯性载荷得以有效传递至测量梁，确保了波浪载荷的有效测量；通过与分段式船壳a结构相同的阳模加工模具，然后通过模具加工分段式船壳a的方法，得到内外表面均匀且厚度均匀的分段式船壳a，使后续在分段式船壳a内部安装钢制框架时，分段式船壳a与钢制框架的贴合更紧密，增加了船体模型的精密度，进一步确保了波浪载荷的有效测量。
[0105]
下面通过将传统模型与改进型模型实测的振动模态进行综合对比，来说明改进型模型的优点(改进型模型即为本发明的分段式钢质框架船体模型)：
[0106]
传统模型结构与改进型模型相比，内部框架结构为木质，如测量梁的支撑横梁、肋骨框均为木质，各构件之间均采用玻璃纤维与不饱和树脂进行连接固定，同时分段式船壳a
直接在固定好的木质肋骨线型表面成型后通过原子灰填充将分段式船壳a表面调整到满足条件。
[0107]
传统模型和改进加工完成之后，给每个分段加载配重，调整配重的位置使船模重心位置与转动惯量满足要求，吊起后开展干模态测量。采用逐步逼近的方法，使得吊点与模型振动节点重合，在该悬吊状态下测量船体振动模态。表4为传统模型干模态和湿模态振动频率。表5为改进型模型干模态和湿模态振动频率。
[0108]
表4传统模型干模态和湿模态振动频率
[0109][0110]
表5改进型模型干模态和湿模态振动频率
[0111][0112]
以改进型船模测量结果为基准，将两个模型干模态和湿模态测量结果进行综合对比，如表6所示，二者误差较大，特别是对于二阶振动频率。这是由传统船模肋骨框架、支撑横梁及各构件连接刚度较弱导致的，船体振动过程中，肋骨框架及支撑横梁参与力的传递，当肋骨框架、支撑横梁、各构件连接刚度较弱时，船体模型实际的刚度降低，使得振动频率降低。
[0113]
表6传统船模与改进型船模振动频率比较
[0114][0115]
下面再通过将传统模型与改进型模型的拖航试验，来说明改进型模型的优点(改进型模型即为本发明的分段式钢质框架船体模型)：
[0116]
将传统船模和改进型船模进行拖曳水池中拖航试验，选取了典型工况进行对比分析，如表7、表8所示，其中a01与b01工况各项参数是相同的，a02、b02分别对应传统船模试验
与改进型船模试验的4阶非线性波激振动。表9为4个工况船中垂向弯矩试验结果。其中wvbm为垂向弯矩波频成分，hvbm_4为垂向弯矩4倍倍频成分，h为实测波高，rao_wvbm为wvbm与h的比值。从a01、b01工况的试验结果可以看出，在相同的条件下，两个试验的rao_wvbm非常接近，误差仅为0.16％，hvbm_4差别较大，与改进型船模试验结果相比，传统模型的hvbm_4/wvbm小了约14.5％。对于a02、b02工况，两条船模分别发生4阶非线性波激振动，但与改进型船模试验结果相比，传统船模的hvbm_4/wvbm小了约44.3％。如此大的差异就是由两条船模的设计与加工工艺造成的。传统模型加工时，测量梁的支撑横梁、肋骨框均为木质，各构件之间均采用玻璃纤维与不饱和树脂进行连接固定，对于总长达8.2m、型宽达1.2m的大尺度模型来讲，传统船模测量梁的整个支撑框架刚度较弱，导致船体发生高频振动时波浪载荷以及配重的一部分惯性载荷没有有效地传递至测量梁上。因此，加工船体模型，除了测量梁需满足刚度相似原理之外，船体支撑横梁刚度与各构件的连接部位的刚度应尽量的大，进而保证船舶在波浪中航行发生高频振动时，波浪载荷与惯性载荷能有效传递至测量梁的测量剖面处。
[0117]
表7传统模型试验工况
[0118]
工况波高(mm)波长(m)航速(m/s)浪向a011027.8161.69顶浪a021027.8281.69顶浪
[0119]
表8改进型模型试验工况
[0120]
工况波高(mm)波长(m)航速(m/s)浪向b011027.8161.69顶浪b021027.381.69顶浪
[0121]
表9船中剖面试验结果
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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。

技术特征：
1.一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：包括由多个分段式船壳(a)组成的分段式船体，分段式船壳(a)由玻璃纤维制成，还包括材质均为钢质的主肋骨(b)、次肋骨(c)、舷侧纵梁(d)、支撑横梁(e)、支撑柱(f)、测量梁(g)和基座(h)；每个分段式船壳(a)中部内表面设置主肋骨(b)，每个分段式船壳(a)前后端内表面设置次肋骨(c)，每个分段式船壳(a)左右舷内侧沿船体长度方向设置舷侧纵梁(d)，舷侧纵梁(d)同时与主肋骨(b)和次肋骨(c)上端焊接；每个分段式船壳(a)中部设置支撑横梁(e)，支撑横梁(e)的轴线方向与分段式船体长度方向垂直，支撑横梁(e)的两端分别与主肋骨(b)焊接，支撑横梁(e)的下部通过支撑柱(f)与主肋骨(b)焊接；支撑横梁(e)上表面焊接基座(h)，多个基座(h)同时与沿分段式船体长度方向放置的测量梁(g)焊接；主肋骨(b)、次肋骨(c)与分段式船壳(a)之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定；舷侧纵梁(d)与分段式船壳(a)之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定。2.如权利要求1所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：分段式船壳(a)的数量大于等于10。3.如权利要求1所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：支撑横梁(e)的刚度与测量梁(g)刚度的比值大于0.15。4.如权利要求1所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：相邻的分段式船壳(a)之间采用胶皮连接。5.如权利要求1所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：主肋骨(b)和次肋骨(c)的截面为工字型，主肋骨(b)、次肋骨(c)与分段式船壳(a)之间接触部位缝隙中填充原子灰，主肋骨(b)和次肋骨(c)下部的腹板、面板与两侧的分段式船壳(a)表面同时覆盖玻璃纤维，通过在玻璃纤维的贴合面涂抹不饱和树脂以及层叠的玻璃纤维之间涂抹不饱和树脂，将主肋骨(b)和次肋骨(c)与分段式船壳(a)连接固定。6.如权利要求1所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：舷侧纵梁(d)为方钢，舷侧纵梁(d)与分段式船壳(a)之间接触部位缝隙中填充原子灰，舷侧纵梁(d)的外部与两侧的分段式船壳(a)表面同时覆盖玻璃纤维，通过在玻璃纤维的贴合面涂抹不饱和树脂以及层叠玻璃的纤维之间涂抹不饱和树脂，将舷侧纵梁(d)与分段式船壳(a)连接固定。7.一种分段式钢质框架船体模型的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：加工阳模，阳模的线型与多个分段式船壳(a)组成的分段式船体模型的线型相同；第二步：加工模具：将阳模倒置于加工平台上，在阳模外表面涂上一层防水树脂，再在阳模表面覆盖若干层玻璃纤维，防水树脂将玻璃纤维牢牢地吸附在阳模的外表面，同时用不饱和树脂将各层玻璃纤维固定在一起；待玻璃纤维凝固后，将阳模与玻璃纤维分离，成型后的玻璃纤维即为与分段式船体外表面匹配的模具；第三步：加工分段式船壳(a)：在模具内的分段式船体分段位置对应处安装木质分段隔板，隔板将模具内部空间划分为多个独立的单元，采用真空负压法在模具内相邻木质隔板
间加工分段式船壳(a)；第四步：加工钢质肋骨框架：各段所需的钢质肋骨框架的外形结构与对应的分段式船壳(a)内部匹配，钢质肋骨框架包括位于每个分段式船壳(a)中部内表面的主肋骨(b)以及每个分段式船壳(a)前后端内表面的次肋骨(c)；第五步：安装钢质肋骨框架：将加工好的钢质肋骨框架依次内置于相应的分段式船壳(a)内，钢质肋骨框架与船壳接触部位会有小缝隙，首先在钢质肋骨框与分段式船壳(a)接触的一面涂上原子灰，使得在安装钢质肋骨框架时，原子灰填充在肋骨框架与船壳之间的缝隙中，同时原子灰凝固后，起到固定肋骨框的作用，在钢质肋骨框架下部与钢质肋骨框架两侧的分段式船壳(a)上同时层层覆盖玻璃纤维与不饱和树脂，将钢质肋骨框架与分段式船壳(a)紧紧固定在一起；第六步：安装支撑横梁(e)与舷侧纵梁(d)：用激光水平仪在各主肋骨(b)上标记出支撑横梁(e)的安装位置，然后在各主肋骨(b)标记高度处安装支撑横梁(e)，将支撑横梁(e)的两端与主肋骨(b)焊接，在分段式船壳(a)的支撑横梁(e)与主肋骨(b)之间安装支撑柱(f)，支撑柱(f)位于分段式船壳(a)的中纵剖面处，支撑柱(f)的两端分别与支撑横梁(e)与主肋骨(b)焊接，主肋骨(b)与次肋骨(c)上端配合安装舷侧纵梁(d)，在舷侧纵梁(d)与分段式船壳(a)之间接触部位缝隙中填充原子灰，舷侧纵梁(d)的外部与两侧的分段式船壳(a)表面同时层层覆盖玻璃纤维与不饱和树脂，将舷侧纵梁(d)与分段式船壳(a)紧紧固定在一起，舷侧纵梁(d)与主肋骨(b)与次肋骨(c)通过焊接的方式连接；第七步：分段船模称重：分段式船壳(a)内安装主肋骨(b)、次肋骨(c)、舷侧纵梁(d)和支撑横梁(e)、支撑柱(f)组装后整体为分段船模，将分段船模从模具中取出称重，然后重新放置于模具内；第八步：分段船模与测量梁(g)装配：通过与测量梁(g)配合的基座(h)将测量梁(g)安装于支撑横梁(e)上，基座(h)与支撑横梁(e)通过焊接连接在一起，基座(h)与测量梁(g)通过焊接连接在一起；第九步：船模密封：将分段船模从模具中取出，用橡胶薄膜将船模在分段处进行密封，橡胶薄膜在分段处需呈内凹状态。8.如权利要求7所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：第一步中加工阳模的过程如下：加工木质肋骨框：根据对应肋位处的分段式船体模型横剖面线型加工木质肋骨框，并将木质肋骨框从船艏至船艉依次编号，木质肋骨框的外形尺寸小于需要制作阳模的凸出外表面的尺寸；木质肋骨框定位：将木质肋骨框按照顺序从船艏到船艉依次倒置且固定于加工平台上；加工玻璃钢外壳：在木质肋骨框周围覆盖若干层玻璃纤维，用不饱和树脂将玻璃纤维与肋骨框紧紧地包裹在一起，玻璃纤维逐层覆盖逐层粘贴；玻璃钢外壳成型：待玻璃纤维与不饱和树脂凝固，在船体外壳涂上原子灰，用与分段式船体外形对应的船体卡板对玻璃钢外壳外部线型进行测量，在型值凸出处去除掉多余的原子灰，在型值不足处补充原子灰，直至型线满足要求；加固肋骨框：将玻璃钢外壳翻转，在玻璃钢外壳内的木质肋骨框周围覆盖玻璃纤维，用
不饱和树脂将玻璃纤维与木质肋骨框、玻璃钢外壳紧紧包裹在一起，完成阳模的加工。9.如权利要求7所述的一种分段式钢质框架船体模型，其特征在于：第九步完成后进行加载配重：给每个分段船模加载配重，调整配重的位置使船体模型的重心位置与转动惯量满足要求。

技术总结
本发明涉及一种分段式钢质框架船体模型及加工方法，包括由玻璃纤维制成的分段式船壳，钢制舷侧纵梁同时与钢质的主肋骨和次肋骨上端焊接；支撑横梁的两端分别与主肋骨焊接，支撑横梁的下部通过支撑柱与主肋骨焊接；支撑横梁上表面焊接基座，多个基座同时与沿分段式船体长度方向放置的测量梁焊接；主肋骨、次肋骨与分段式船壳之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定；舷侧纵梁与分段式船壳之间用原子灰、玻璃纤维、不饱和树脂进行连接固定。从而使模型具有刚度足够大的肋骨框架、各构件连接稳固可靠，使得船模发生高频振动时配重惯性载荷与船模湿表面压力有效传递至测量梁上，保证了大尺度船模波浪载荷试验的测量精度。度。度。


技术研发人员：司海龙 赵南 耿彦超 朱云龙 蒋彩霞 杨骏 胡嘉骏 田超 丁军 陆晔
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/4/17