一种船舶系缆相似模拟及测量方法与流程

1.本发明涉及一种相似模拟及测量方法，具体是一种船舶系缆相似模拟及测量方法，属于水运工程物理模型试验研究领域。


背景技术：

2.船舶在港口、码头、船闸闸室、靠船墩等位置停泊时，受到水流、波浪、风等动力荷载作用而发生运动，需要通过系缆绳将船舶系于系船柱上，系缆绳将对船舶运动进行约束而产生缆绳拉力，通常称为系缆力，系缆力作用于系船柱上，是系船柱的主要设计荷载。然而，船舶停泊产生的系缆力影响因素十分复杂，包括船舶自身的排水量、作用于船舶上的水流力和波浪力、系缆绳的材料、系缆方式等等，很难从理论上直接获得系缆力，在相关的工程研究论证中，物理模型试验是获得船舶的系缆力的主要方式之一。
3.目前，物理模型试验均采用重力相似准则，按一定的模型比尺，模拟实际的船舶、水流及波浪等条件，进而测试分析船舶的系缆力。船舶系缆力模型试验主要有两种方法，第一种方法是船舶固定于停泊位置，测量水流和波浪作用下船舶所受到的纵向和横向合力，该方法不需要在模型上配置缆绳并系于系缆桩，测量得到船舶的受力即认为是船舶的系缆力；第二种方法是完全按船舶的实际系缆进行模拟，用缆绳将船舶系于系缆桩上，测量缆绳的受力，即为系缆力。对于这两种方法都存在一定的不足，第一种方法是目前国内外应用最为广泛的方法，尤其船舶在船闸闸室停泊条件试验，都采用这种方法，但一直存在很大的争议，因为将船舶固定，没有考虑船舶运动的惯性，实测的力为作用于船舶上的动力荷载，而不是实际的系缆力；第二种方法可以直接测量船舶的系缆力，但在缆绳的模拟上存在很大的困难，很难找到满足全弹性相似的模型缆绳，这也将直接决定测量结果的正确性，故尽管第二种方法原理正确但实际应用很少。因此，为了能够在模型试验中获得正确可靠的系缆力资料，需要在现有技术的基础上，提出一种新的船舶系缆模拟及测量方法。


技术实现要素：

4.本发明即针对目前船舶系缆力物理模型试验中系缆模拟及测量方法的不足，提出了一种船舶系缆相似模拟及测量方法，实现船舶系缆力的精确测量。
5.本发明达到以上目的的技术方案是：（1）按设计的模型比尺，精确制作靠船建筑物水工模型和船舶模型，包括岸边系船柱和船上系船柱，具备模拟水流波浪的试验条件；（2）采用组合弹性材料模拟原型的系缆绳，组合弹性材料是由铁丝绳、弹簧和拉力传感器组成的串联系统，拉力传感器的一端与缆圈相连，缆圈直接套入岸边系船柱，拉力传感器的另一端与弹簧相连，弹簧再与铁丝绳相连，最后铁丝绳系于船上系船柱，组合弹性材料应满足与原型系缆绳刚度相似的要求，实现对原型系缆绳的模拟；（3）按原型系缆方式模拟船舶系缆，通过在模型船舶首尾各布置一组模型缆绳，两个拉力传感器同步接入信号采集和存储显示设备，即可通过模型测量船舶停泊过程的系缆
力。
6.所述的组合弹性材料应满足与原型系缆绳刚度相似的要求，需要对组合弹性材料按以下步骤进行设计：（1）根据船舶原型系缆绳的材料参数，包括缆绳的弹性模量e、缆绳的截面直径d、缆绳的系缆长度l，按式 ，计算得到原型系缆绳的刚度k；（2）根据物理模型比尺λ，按式k’=k/λ2计算得到模型缆绳的刚度k’；（3）组合弹性材料铁丝绳、弹簧和拉力传感器的长度分别为l1、l2和l3，串联系统的总长度l1 l2 l3应按式l/λ控制，铁丝绳、弹簧和微型拉力传感器的刚度分别为k1、k2、k3，则串联系统的刚度；（4）根据模型系缆力预估值，选择合适量程的拉力传感器，确定l3和k3，根据原型系缆绳和物理模型比尺，选择合适的铁丝绳材料；（5）串联系统的刚度ks即为模型缆绳的刚度k’，则弹簧的刚度，因为铁丝绳的刚度k1和拉力传感器刚度k3均远大于k’，则k2可取值为k’，根据弹簧刚度k2选择合适的弹簧，确定弹簧长度l2和弹簧刚度k2；（6）根据式l
1 = l/λ
‑ꢀ
l
2 ‑ꢀ
l3得到铁丝绳长度l1，以及铁丝绳刚度k1；（7）对确定后的串联系统的刚度ks进行测试，校核其与模型要求的刚度k’之间的吻合度，偏差应控制在5%以内，如有较大偏差可调整弹簧，直至二者基本一致，然后组合弹性材料串联系统可应用于模型试验模拟船舶缆绳。
7.本发明和已有船舶系缆力测量方法相比具有以下优点：（1）可真实反映模型船舶的运动、水体-船舶-缆绳之间的相互作用，直接准确测量模型试验船舶的系缆力；（2）用组合弹性材料实现刚度相似模拟，避开了系缆绳的全弹性相似模拟难题。
附图说明
8.附图1为原型船舶系缆状态剖视图；附图2为原型船舶系缆状态平面图；附图3为模型船舶系缆模拟与测量剖视图；附图4为模型船舶系缆模拟与测量平面图。
具体实施方式
9.下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。
10.实施例一以某船闸工程下游靠船墩船舶停泊条件研究为例，应用本发明一种船舶系缆相似模拟及测量方法开展试验研究。该船闸为i级船闸，通航3000 t级船舶，船舶配置的系缆绳
为钢丝绳，其直径为22 mm、弹性模量为1
×
10
10 pa。模型试验比尺为1:30。
11.附图1为原型船舶在下游靠船墩位置的系缆状态剖视图，附图2为原型船舶系缆状态平面图，附图3为模型船舶系缆模拟与测量剖视图，附图4为模型船舶系缆模拟与测量平面图。图中，1为船舶，2为靠船建筑物，3为系缆绳，4为缆圈，5为岸边系船柱，6为船上系船柱，7为水流波浪，11为模型船舶，12为模型靠船建筑物，13为铁丝绳，14为缆圈，15为模型岸边系船柱，16为模型船上系船柱，17为模型水流波浪，18为拉力传感器，19为弹簧，20为电缆线，21为信号采集器，22为信号存储显示器。
12.船舶1在靠船建筑物2位置停泊时，利用首尾两根系缆绳3进行系缆，首尾呈“八”字形系缆方式，系缆绳3的一端通过缆圈4套在岸边系船柱5上，系缆绳3的另一端系于船上系船柱6上，船舶1在水流波浪7的作用下运动，受首尾两根系缆绳3约束，系缆绳3的受力是评价船舶停泊是否安全的重要指标，需要通过试验准确获得。船舶系缆后，岸边系船柱5与船上系船柱6之间的系缆绳长度为3m。
13.采用本发明一种船舶系缆相似模拟及测量方法，开展船舶停泊条件模型试验，技术方案如下：（1）按设计的模型比尺1:30，精确制作模型靠船建筑物12和模型船舶11，包括模型岸边系船柱15和模型船上系船柱16，以及模型水流波浪17；（2）采用组合弹性材料模拟原型的系缆绳3，组合弹性材料是由铁丝绳13、弹簧19和拉力传感器18组成的串联系统，拉力传感器18一端与缆圈14相连，缆圈14直接套入岸边系船柱15，拉力传感器18的另一端与弹簧19相连，弹簧19再与铁丝绳13相连，最后铁丝绳13系于船上系船柱16，组合弹性材料应满足与原型系缆绳3刚度相似的要求，实现对原型系缆绳3的模拟；（3）按原型“八”字形系缆方式模拟船舶系缆，通过在模型船舶11首尾各布置一组模型缆绳，两个拉力传感器18通过电缆线20同步接入信号采集器21和信号存储显示器22，即可通过模型测量船舶停泊过程的系缆力。
14.所述的组合弹性材料应满足与原型系缆绳刚度相似的要求，需要对组合弹性材料按以下步骤进行设计：（1）根据船舶原型系缆绳的材料参数，弹性模量e=1
×
10
10 pa、缆绳的截面直径d=22 mm、缆绳的系缆长度l=3 m，按式，计算得到原型系缆绳的刚度k=1.267
×
10
6 n/m；（2）根据物理模型几何比尺λ=30，按式k’=k/λ2计算得到模型缆绳的刚度k’=1407.8 n/m；（3）组合弹性材料铁丝绳、弹簧和拉力传感器的长度分别为l1、l2和l3，串联系统的总长度l1 l2 l3应按式l/λ控制，即l1 l2 l
3 = 0.1 m，铁丝绳、弹簧和拉力传感器的刚度分别为k1、k2、k3，则串联系统的刚度；（4）根据原型最大系缆力100kn，估算最大模型系缆力约4n，选择合适量程的微型拉力传感器，则l3和k3确定，l
3 = 0.03m，k
3 =1
×
10
9 n/m，根据原型系缆绳和物理模型比尺，
选择合适的铁丝绳材料，铁丝绳的直径约0.7mm；（5）串联系统的刚度ks即为模型缆绳的刚度k’，则弹簧的刚度，因为铁丝绳的刚度k1和拉力传感器刚度k3均远大于k’，则k2可取值为k’，即k2=1407.8 n/m，根据弹簧刚度k2选择合适的弹簧，则弹簧长度l2确定，l
2 = 0.01 m；（6）根据式l
1 = l/λ
‑ꢀ
l
2 ‑ꢀ
l3得到铁丝绳长度l1=0.06 m，以及铁丝绳刚度k1=2.6
×
106n/m；（7）对确定后的串联系统的刚度ks进行测试，实测ks=1400 n/m，偏差小于1%，串联系统的刚度ks与模型要求的刚度k’基本一致，可应用于模型试验模拟船舶缆绳。