[发明专利]测量大型集装箱船扭转强度的实验装置及实验方法

说明书

本发明公开了一种测量大型集装箱船扭转强度的实验装置，包括加载水箱，所述加载水箱内放置有船模，船模与加载水箱之间通过隔板连接，隔板将加载水箱分隔为若干个独立的空间，在船模上安装有若干个T型材和若干个配重砝码，在船模上还安装有若干个应变片，应变片与电荷放大器连接，电荷放大器依次与多通道信息采集仪、计算机连接。本发明可以使学生了解船体产生最大扭矩的基本成因及最大扭矩形成的基本原理，在实验中船模产生扭矩，可以使学生对集装箱船的扭矩问题有一个直观认识与理解。

技术领域

本发明涉及测量大型集装箱船扭转强度的实验装置及实验方法，属于教学实验仪器的领域。

背景技术

步入21世纪以来，由于经济全球化的快速发展，世界各国之间的经贸往来也越来越频繁。伴随着世界航运市场的不断扩大，集装箱船的出现是船型的一次革命性的突破，能够大大缩短货物的装卸时间，提高其作业效率。集装箱船作为海上货物运输的一种主要船型，航速高、装卸快、停靠码头时间短，以其独有的优势越来越受到航运界和造船界的重视，集装箱船的拥有数量和总吨位己成为一个国家海上运输能力的重要标志之一。集装箱船的发展仍在朝着大型化、多箱位前进。但是，随着船舶的大型化、高速化的发展，船体结构及其可能遭遇的外力都变得越来越复杂，结构破损事故时有发生，导致后果也愈加严重。对于大型集装箱船而言，由于船体甲板有大型的开口，其扭转强度问题不容忽视。大型集装箱船由于其船体的扭转刚度相对较低，其扭转强度问题已上升到与总纵强度同等重要的地位。在外部载荷的作用下，集装箱船体可能发生较为显著的纽转变形，在船体结构中产生相当的翘曲应力，因此有必要对船体进行扭转计算。

目前对于大型集装箱船扭转强度的研究主要集中在外载荷计算、有限元数值仿真或拖曳水池中开展船模波浪载荷实验。前两种基本基于理论计算，授课过程中不能让学生进行直观的观察和实际的动手操作，对于加深学习印象方面存在一定的缺陷；后一种由于需要具备一定的试验条件，目前高校中建造的拖曳水池并不多，加之其试验成本比较大，在教学过程中存在一定的局限性，因此不适合在授课过程中对学生进行演示。由于以上客观因素，目前在教学过程中只是列出了大型集装箱船在斜浪45°状态下的外力的探讨，缺乏经济、直观的教学实验器材让学生亲自动手操作从而获得深刻的理解。

开展一种测量大型集装箱船扭转强度的教学实验装置在授课过程中主要由以下三方面优点：

(1)由于集装箱船朝着大型化发展，甲板上的开口越来越大，从而造成船体所受到的扭转变形成为船体结构强度中必须考虑的因素。目前在高校的教学中一般是基于理论的讲解其受力原理而缺乏实际操作，从而使同学们对其认识不够。本实验装置验证了扭矩对大型集装箱船体的危害，从而引起学生对扭转强度的重视。

(2)本实验装置的设计可以让学生对大型集装箱船的扭转强度有一个直观的认识，以及加深老师在课堂对所讲的理论知识的理解，从而更加深刻的掌握有关大型集装箱船扭转强度的知识。在此基础上培养了学生的实际动手能力，有利于学生在操作期间形成合作意识。

(3)本实验装置可以直接读取船舶产生扭矩时的力矩。在本实验装置的船模根据相似性理论设计与制作的前提下，本实验的实验数据可映射至实际船舶，用于评估实际船舶的扭转强度。对于工程上具有一定的指导意义。

根据已有的研究，集装箱船舶的斜浪航行、船体倾斜和摇摆运动，都会不同程度的引起船体的扭转变形。船舶倾斜引起的扭矩或摇摆运动引起的扭矩通常比斜浪航行引起的波浪扭矩小。因此，一般不予计算。波浪扭矩是导致集装箱船舶扭转变形的主要组成部分。在分析集装箱船扭转变形中，货物扭矩也是处于较为重要的研究地位。通常，波浪扭矩和货物扭矩的叠加构成外部载荷作用于集装箱船体的扭转力矩。

(1)斜浪航行引起扭矩的机理