一种沉船试验模型浮力浮心测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及海洋工程和机械工程领域，尤其涉及一种沉船试验模型浮力浮心测量装置及测量方法。


背景技术：

2.沉船打捞对于航道疏通、减少经济损失、避免海洋环境污染以及考古工作都具有重要意义。打捞工程同样具有高风险，往往需要开展水动力模型试验，对沉船浮力浮心的准确测量是保证沉船特性模拟准确性的前提，从而保证打捞工程模型试验的准确性。
3.中国专利cn201611181548.6提供了一种水下航行器浮心测量方法，该方法基于力矩平衡原理进行计算，通过倾斜测量浮心的z轴位置时，由于浮心与重心间的力矩变化较小，使得测量精度大打折扣，在垂向力测量过程由于测量方向不完全垂直、以及测力传感器的微小偏差都会导致浮心z轴位置测量的巨大偏差。
4.中国专利cn201711361510.1提供了一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法。该方法采用三点测量法，通过采集称重传感器的输出信号，根据静力平衡原理和静力矩平衡原理进行计算得出航行器的浮力和浮心参数。该方案中设备复杂、成本高。对于多数模型采用固定连接安装困难。此外，该方案中浮心z轴同样采用偏移的方式进行测量，偏移过程中偏移角度对测量结果影响较大，因此需要精确测量角度。
5.综上所述，现有的沉船试验模型浮力浮心测量装置均需要同时测量力和角度，因此现有的浮力浮心测量装置存在设备复杂、传感器精度要求高、成本高的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种沉船试验模型浮力浮心测量装置及测量方法，该方法采用竖直的吊绳吊挂沉船试验模型，测量过程中仅需测量吊绳承受的拉力，解决了现有的测量装置以及测量方法存在的问题。
7.本发明的上述技术目的通过以下技术方案得以实现：
8.为实现上述目的本发明提供了一种沉船试验模型浮力浮心测量方法，该方法在沉船试验模型上建立坐标系，沉船试验模型的浮心在所述坐标系的至少一个坐标轴上的坐标值的测量过程包括以下步骤：
9.(s1)在沉船试验模型上设置四个吊点，并将四根竖向设置的吊绳与各吊点连接，通过所述吊绳将沉船试验模型吊起；吊点的选取方式满足于待测坐标轴处于水平状态并使得各吊绳处于竖直张紧状态；
10.(s2)在沉船试验模型悬空时，测量各吊绳的拉力以及各吊绳与坐标轴原点之间的距离在待测坐标轴上的投影长度，采用力矩平衡原理计算沉船试验模型在待测坐标轴上的重心坐标；
11.(s3)将沉船试验模型在保持姿态的情况下完全浸入水中，测量各吊绳的拉力，并采用力矩平衡原理计算沉船试验模型在待测坐标轴上的浮心坐标。
12.本发明的进一步改进在于，步骤(s1)中，将吊绳的顶点固定在测力传感器上，测力传感器安装在升降吊机的下表面。
13.本发明的进一步改进在于，步骤(s3)中，升降吊机向下平移以便将沉船试验模型完全浸入水中，使得浸入过程中，各吊绳的相对位置以及所述沉船试验模型的姿态保持不变。
14.本发明的进一步改进在于，采用测距仪测量各吊绳与坐标轴原点之间的距离在待测坐标轴上的投影长度。
15.本发明还包括一种沉船试验模型浮力浮心测量装置，用于执行上述的沉船试验模型浮力浮心测量方法，其包括：
16.升降吊机，具有可竖向平移的框架结构；
17.多个测力传感器，分别固定安装在升降吊机的框架结构的底面；
18.多根吊绳，各吊绳的顶端分别与所述测力传感器固定连接。
19.本发明的有益技术效果为：
20.(1)原理简单，适用范围广：本发明采用基本的力学原理对沉船的浮力浮心进行测量，与沉船的种类、大小、质量分布均无关，原理简单，适用范围广，可以对绝大多的沉船进行测量。
21.(2)测量精度高，结果精确：本发明的测量装置采用有：铅垂仪、水平仪、测距仪等工具，其测量精度高，并通过原理公式计算出最终结果，结果精确，误差小。
22.(3)本发明所述的测量方法没有涉及特定、复杂的测量仪器，只通过少量简单的测量工具如测力传感器、测距仪便可实现测量，不需要昂贵的角度传感器、高精度的机架和旋转驱动机构。成本低，便于现场操作，大大提高了工作人员的效率，适合工程项目中的实际测量。
附图说明
23.图1是沉船试验模型浮力浮心测量装置的示意图；
24.图2是在空气中测量沉船试验模型x轴方向重心坐标的侧视图；
25.图3是在水中测量沉船试验模型x轴方向浮心坐标的侧视图；
26.图4是在空气中测量沉船试验模型z轴方向重心坐标的侧视图；
27.图5是在水中测量沉船试验模型z轴方向浮心坐标的侧视图。
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.如图1所示，本发明的实施例包括一种沉船试验模型浮力浮心测量装置，该测量装置包括：升降吊机1，具有可竖向平移的框架结构；四个测力传感器2，分别固定安装在升降吊机1的框架结构的底面；四根吊绳3，各吊绳3的顶端分别与测力传感器2固定连接。
30.此外，该测量装置还包括铅垂仪、水平仪、测距仪。其中，铅垂仪用来测量吊绳3的状态，使其呈竖直状态，以保证测力传感器2上力的大小即是竖直方向力的大小；水平仪用来测量沉船试验模型4被吊起时待测坐标轴是否呈水平状态；测距仪用来测量各吊绳3与坐标轴原点之间的距离在待测坐标轴上的投影长度。数据采集与处理系统用于处理测量得到的数据和中间重要量，并通过显示器输出最终结果：浮力大小和浮心坐标。
31.本发明的实施例还包括一种采用上述沉船试验模型浮力浮心测量装置进行实施的沉船试验模型浮力浮心测量方法。该方法首先在沉船试验模型4上建立坐标系，坐标系通常以船体基平面与中站面的交点为原点，以船首方向为x轴正方向、右舷方向为y轴正方向、竖直向上为z轴正方向，建立船体坐标系。测量得到的重心以及浮心均以该坐标系下的坐标进行表示。
32.在本实施例中，浮心在x轴和z轴的方向上的坐标采用本实施例的方法进行测量确定。一般船舶都是左右对称设计制造的，对于左右对称的沉船试验模型4其重心和浮心均在船舶中线面上，因此浮心的y轴坐标也是已知的(y
浮
＝0)，因此该类船舶的浮心即可确定；对于某些左右舷方向不对称的沉船试验模型来说，如需测量浮心与重心在y轴方向上的位置坐标，可以采用本实施例的方法进行测量，其测量原理与测量过程是相同的。因此，对于任意形状的沉船试验模型，利用本实施例的方法都可以准确测量出其浮心所在位置。
33.对于任意待测坐标轴(x轴、y轴或z轴)，测量浮心在该坐标轴上的坐标值的测量过程包括以下步骤：
34.(s1)在沉船试验模型4上设置四个吊点，并将四根竖向设置的吊绳3与各吊点连接，通过吊绳3将沉船试验模型4吊起；吊点的选取方式需要满足于待测坐标轴处于水平状态，并使得各吊绳处于竖直张紧状态；
35.(s2)在沉船试验模型4悬空时，测量各吊绳3的拉力以及各吊绳3与坐标轴原点之间的距离在待测坐标轴上的投影长度，采用力矩平衡原理计算沉船试验模型4在待测坐标轴上的重心坐标；
36.(s3)将沉船试验模型在保持姿态的情况下完全浸入水中，测量各吊绳的拉力，并采用力矩平衡原理计算沉船试验模型在待测坐标轴上的浮心坐标。
37.下面分别以x轴和z轴为例，介绍浮心坐标的测量过程。
38.选取沉船试验模型4上便于悬挂的四个合适位置的吊点，将测力传感器2与吊绳3相连，并将吊点与吊绳3连接，以悬挂起沉船试验模型4，测力传感器2安装在升降吊机1上，使得利用升降吊机1可以对沉船试验模型4进行升降操作。使用铅垂仪对吊绳3进行测量调整，使得四根吊绳均垂直于水平面，并调整四根吊绳3的长度使沉船试验模型4的待测坐标轴处于水平状态。
39.在一个具体实施例中，选取吊点的过程中，可将沉船试验模型4置于期望的姿态(使得待测坐标轴处于水平)，然后在各吊绳3的底端吊挂铅锤，沿竖向释放铅锤，铅锤底端尖端与沉船试验模型4的接触点作为吊点的位置。吊点位置确定后可采用画线、冲孔及打孔的方式安装吊点的吊环。
40.(一)采用力的平衡原理测量沉船试验模型4的浮力：
41.如图1、2所示，浮力测量过程中，首先将升降吊机1通过吊绳3将沉船试验模型4抬起，沉船试验模型4在空气中静止时四个测力传感器的示数分别为f
1空
、f
2空
、f
3空
、f
4空
，得到沉
船试验模型4的重力g为：
42.g＝f
1空
f
2空
f
3空
f
4空
ꢀꢀ
(1)
43.如图1、3所示，随后通过升降吊机1将沉船试验模型4完全浸入水中，在水中处于静止时四个测力传感器2的示数分别为f
1水
、f
2水
、f
3水
、f
4水
，此时可得到沉船试验模型4的重力g、浮力f浮和测力传感器2的读数之间的关系为：
44.f
浮
f
1水
f
2水
f
3水
f
4水
＝g
ꢀꢀ
(2)
45.因此，通过上述关系式，可得到沉船试验模型4的浮力为：
46.f
浮
＝(f
1空
f
2空
f
3空
f
4空
)
‑
(f
1水
f
2水
f
3水
f
4水
)
ꢀꢀ
(3)
47.(二)计算重心坐标以及浮心在x轴方向上的坐标：
48.以坐标系的原点为力矩参考点，列出沉船试验模型4在空气中的力矩平衡方程：
49.f
1空
x1 f
2空
x2‑
f
3空
x3‑
f
4空
x4‑
gx
g
＝0
ꢀꢀ
(4)
50.求解公式4的方程，可得到沉船试验模型4在x轴上的重心坐标为：
[0051][0052]
其中，x1、x2、x3、x4分别为四根吊绳3与坐标轴原点之间的距离在待测坐标轴(x轴)上的投影长度；在一个具体实施例中，在制备沉船试验模型4的过程中，可在沉船试验模型4上设置预设的接口，以连接与待测坐标轴平行的轻质支架。在测量投影长度的过程中，可将测距仪(卡尺、卷尺)架设在轻质支架上，沿着轻质支架的方向测量投影长度。本实施例中，各吊绳均位于原点的一侧，因此各测量结果均采用相同符号(正号或负号)。若有些吊绳位于原点一侧，有些位于另一侧，则将一侧的测量结果作为正值，另一侧的测量结果作为负值。
[0053]
当沉船试验模型4两侧的吊点关于中线面左右对称时，有x1＝x2、x3＝x4，因而式(5)可改写成：
[0054][0055]
沉船试验模型4完全浸入水中时，以坐标系原点为力矩参考点，沉船试验模型4在水中的力矩平衡方程为：
[0056]
f
1水
x1 f
2水
x2‑
f
3水
x3‑
f
4水
x4‑
gx
g
f
浮
x
浮
＝0
ꢀꢀ
(7)
[0057]
求解该方程即可得到沉船试验模型4在x轴方向上的浮心坐标，其表达式为：
[0058][0059]
考虑到吊点的对称性，上述浮心坐标的表达式可改写为：
[0060][0061]
式(8)、式(9)中，x
g
为式(6)中求得的重心坐标。
[0062]
(三)测量沉船试验模型4在z轴方向的重心坐标以及垂心坐标：
[0063]
如图1、4所示，改变吊点位置位于船侧，将沉船试验模型4绕x轴方向旋转90度，横
躺着将其吊起，操作升降吊机通过调整吊绳3长度，使得沉船试验模型4的z轴方向保持水平，且各吊绳3保持竖直，此时将z轴作为待测坐标轴。
[0064]
沉船试验模型4在空气中静止后测得四个测力传感器的示数分别为f
′
1空
、f
′
2空
、f
′
3空
、f
′
4空
，以坐标系的原点为力矩参考点，列出此时沉船的力矩平衡方程：
[0065]
f
′
1空
z1 f
′
2空
z2 f
′
3空
z3 f
′
4空
z4‑
gz
g
＝0
ꢀꢀ
(10)将测量结果代入上式可得到沉船试验模型4在z轴方向的重心坐标：
[0066][0067]
其中，z1、z2、z3、z4分别是各吊绳3与坐标轴原点之间的距离在待测坐标轴(z轴)上的投影长度，由测距仪求得。
[0068]
如图1、5所示，保持吊点位置不变，操作升降吊机1将沉船试验模型4完全浸入水中，并改变吊绳长度使得沉船仍处于水平状态。待沉船试验模型4静止时，测得四个测力传感器2的示数分别为f
′
1水
、f
′
2水
、f
′
3水
、f
′
4水
，以原点为力矩参考点，列出沉船在水中的力矩平衡方程：
[0069]
f
′
1水
z1 f
′
2水
z2 f
′
3水
z3 f
′
4水
z4‑
gz
g
f
浮
z
浮
＝0
ꢀꢀ
(12)
[0070]
将测量结果代入上式，可得到沉船试验模型4在z轴方向的浮心坐标：
[0071][0072]
其中z
g
由式(11)求得。
[0073]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。