一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置及模拟方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，包括水箱，水箱内设有可升降的支撑架，支撑架上放置冰体模型，水箱内放置有船模，在水箱上设有导轨，导轨上设有拖带装置，拖带装置通过拖带桁架与船模连接，在船舶的顶端设有压力传感器，压力传感器依次与电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机连接；通过拖带装置的移动带动船舶碰撞冰体模型，从而通过压力传感器采集碰撞数据。本发明专利技术在不使用冰材料的前提下，能够开展不同冰体形状、冰体质量、撞击速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的高压力载荷，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。

【技术实现步骤摘要】
一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置及模拟方法
本专利技术涉及水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置及模拟方法，属于船舶领域。
技术介绍
随着我国经济建设的高速发展，海洋经济已经成为国民经济的新增长点，北极开发及北极航道的开辟不仅为我国新的战略提供新的保障，而且缩短了航运时间，但是随着海洋开发的大规模开展，影响海上结构物安全和操作的海冰灾害问题、海冰与结构物相互作用问题日益突出。在极地区域行驶的船舶不可避免的与冰体发生碰撞，船冰碰撞本身是一个复杂的非线性过程，在水介质中研究船冰碰撞又增加一层难度。目前的研究通常是将水介质作为附加质量施加于船体上来考虑水的作用，而忽略掉水介质在船-冰碰撞过程中水压变化的影响。在船冰接触碰撞过程中产生的瞬间的强冲击力，固然是研究船-冰碰撞最为值得关注的载荷，事实上，在船冰接触之前的船-冰近场逼近过程中，船冰之间的水由于受到船冰之间的挤压而预先产生一个高压力场也是不可忽略的重要因素，该压力场在船体结构上产生了一个瞬时高压力载荷，当以船-冰接触时的速度为计算原点，忽略该压力场对船体是偏于危险的。也有一部分学者通过流固耦合来考虑水的作用，虽然现代计算机软硬件不断升级，流固耦合法由于采用有限体积法处理流体单元，需要花费大量的计算时间，其计算时间约为非流固合法的几倍。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种替代船冰碰撞过程中水影响的压力测试装置，实时监测船与冰碰撞之前全过程船体碰撞区域的水压力载荷，并对数值仿真进行验证，实现由船-水-冰三者全耦合而产生的水介质对船冰碰撞载荷的影响转化为对船体碰撞面预加载荷，达到解耦目的，同时能够在不使用冰材料的前提下，能够开展不同冰体形状、冰体质量、撞击速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的高压力载荷，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，包括水箱，水箱内设有可升降的支撑架，支撑架上放置冰体模型，水箱内放置有船模，在水箱上设有导轨，导轨上设有拖带装置，拖带装置通过拖带桁架与船模连接，在船舶的顶端设有压力传感器，压力传感器依次与电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机连接；通过拖带装置的移动带动船舶碰撞冰体模型，从而通过压力传感器采集碰撞数据。作为优选，所述船模上设有保护装置，保护装置为L型件，一端固定在拖带桁架上，另一端位于船首前侧。作为优选，所述水箱内还设有打捞装置，打捞装置包含泡沫和细绳，泡沫通过细绳与冰块模型连接。作为优选，所述压力传感器安装在船模的外板撞击周围的预留小孔中，并用玻璃胶固定密封。作为优选，所述冰体模型的非撞击面都设有开孔。作为优选，所述支撑架由固定框架、支撑平台和升降杆组成，固定框架宽度大于船模宽度，高度低于拖车，框架两侧配有螺母，升降杆为带有螺纹的钢棒。一种上述的水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：1)将支撑架放于水池中间位置，然后将冰体模型放置到支撑架上，调整支撑架承载面距水池底壁的距离，确保冰体80％淹没在水面以下，最后在支撑架承载面上调整冰体模型，确定撞击角度与撞击位置；2)将船模放入预装位置，调整其吃水，拖带桁架将船模固定和拖车固定；3)启动拖车，船模将以设定碰撞速度撞击冰体，拖车刹车停止，采集数据。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)实现由船-水-冰三者全耦合而产生的水介质对船冰碰撞载荷的影响转化为对船体碰撞面预加载荷，达到解耦目的，为进行全过程的船-冰碰撞数值模拟提供准确的载荷输入。2)在不使用冰材料的前提下，能够开展不同冰体形状、冰体质量、撞击速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的模型试验，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。3)本专利技术不需要实现船体接触冰体模型，保护装置避免船模撞击冰体模型，只需打捞后调整冰体模型姿态就可进行下一工况实验。4)冰体非撞击面开孔让冰体模型快速沉入水中。5)支撑架可根据冰体模型调节高度，满足实验所需要求。附图说明图1是本专利技术船冰水池实验装置侧视图；图2是本专利技术船冰水池实验装置A-A剖视图；图3是信息采集装置的示意图；图中：1船模、2拖带装置、3保护装置、4冰体模型、5支撑架、打捞装置6和7数据采集系统、2-1拖车、2-2拖带桁架、5-1固定框架、5-2支撑平台、5-3升降杆、6-1尼龙绳、6-2泡沫、7-1压力传感器、7-2电荷放大器、7-3多通道信号采集仪、7-4计算机。具体实施方式如附图1至图3所示，本专利技术的一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置采用的实验装置为船模1、拖带装置2、保护装置3、冰体模型4、支撑架5、打捞装置6和数据采集系统7。在本专利技术中，水介质中船冰发生碰撞的部位主要是船艏和船体的肩部，船模采用玻璃钢(FRP)搭配雪弗板根据实船缩尺加工的船艏模型，拖带装置包括拖车2-1、拖带桁架2-2，所述的拖带桁架将船模和拖车固定，所述保护装置为以L型的板材，一端固定在拖带桁架上，另一端位于船首前侧，所述冰体模型为钢板加工成的空心铁盒，所述支撑架为可伸缩支撑架，所述打捞装置为尼龙绳6-1和泡沫6-2，尼龙绳一端系在冰体模型上，一端系在泡沫上。所述数据采集装置为压力传感器7-1、电荷放大器7-2、多通道信号采集仪7-3、计算机7-4，所述压力传感器通过玻璃胶固定于船模表面测点位置，收集压力传感器信号的电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机在拖车上。支撑架由固定框架、支撑平台和升降杆组成，固定框架宽度大于船模宽度，高度低于拖车，框架两侧配有螺母，升降杆为带有螺纹的钢棒，支撑平台上设有升降螺母，支撑平台的两侧设有凸台，在固定框架上设有导向凹槽，升降杆与升降螺母配合，通过升降杆的转动从而带动支撑平台的上下移动。一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置的模拟方法的具体步骤：1)将伸缩支撑架放于水池中间位置，然后将冰体模型放置到伸缩支撑架上，调整伸缩架承载面距水池底壁的距离，从而确保冰体80％淹没在水面以下。最后在支撑架承载面上调整冰体模型确定撞击角度与撞击位置；2)将船模放入预装位置，调整其吃水，拖带桁架将船模固定和拖车固定；3)启动拖车，船模将以碰撞速度撞击冰体，此时，冰体模型被保护装置先一步触到沉入水下，拖车刹车停止，采集数据。4)打捞冰体模型，更换冰体形状，冰体大小，调整撞击速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度，再次按照实验步骤进行撞击实验。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，其特征在于：包括水箱，水箱内设有可升降的支撑架，支撑架上放置冰体模型，水箱内放置有船模，在水箱上设有导轨，导轨上设有拖带装置，拖带装置通过拖带桁架与船模连接，在船舶的顶端设有压力传感器，压力传感器依次与电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机连接；通过拖带装置的移动带动船舶碰撞冰体模型，从而通过压力传感器采集碰撞数据。

【技术特征摘要】
1.一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，其特征在于：包括水箱，水箱内设有可升降的支撑架，支撑架上放置冰体模型，水箱内放置有船模，在水箱上设有导轨，导轨上设有拖带装置，拖带装置通过拖带桁架与船模连接，在船舶的顶端设有压力传感器，压力传感器依次与电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机连接；通过拖带装置的移动带动船舶碰撞冰体模型，从而通过压力传感器采集碰撞数据。2.根据权利要求1所述的水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，其特征在于：所述船模上设有保护装置，保护装置为L型件，一端固定在拖带桁架上，另一端位于船首前侧。3.根据权利要求1所述的水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，其特征在于：所述支撑架由固定框架、支撑平台和升降杆组成，固定框架宽度大于船模宽度，高度低于拖车，框架两侧配有螺母，升降杆为带有螺纹的钢棒。4.根据权利要求1所述的水介质中船冰碰撞简化计算模拟装...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，王甫超，陈可鑫，韩文栋，姚鋆凡，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32