一种可调刚度U型龙骨梁、分段船模及其调整方法

一种可调刚度u型龙骨梁、分段船模及其调整方法
技术领域
1.本发明涉及船舶波浪载荷试验技术领域，特别涉及一种可调刚度u型龙骨梁、分段船模及其调整方法。


背景技术：

2.航行于海上的船舶，在其整个服役期内有相当一部分时间都是在汹涛巨浪中航行的。合理预报船舶在波浪作用下的载荷响应是十分必要的，也是评估船体结构安全性的关键任务。船舶波浪载荷预报是船舶结构设计与强度评估的基础。波浪诱导的船体梁剖面载荷包括三个方向的力(即轴向力、垂向剪力、水平剪力)和三个方向的力矩(即垂向弯矩、水平弯矩、扭矩)。通常而言，船中剖面的垂向弯矩和距离首尾端1/4船长处剖面的垂向剪力是船舶波浪载荷关注的重点内容。然而，随着波浪载荷预报精度需求的不断提高以及现代大型化船舶的应用发展，准确预报剖面载荷的其他分量也是十分必要的。例如，具有甲板大开口的集装箱船的扭转载荷与强度需要加以重视和关注。
3.船舶波浪载荷与水弹性试验一般采用分段的船体外壳模型，通过在壳体内部沿纵向安装龙骨梁连接各分段，龙骨梁用于模拟真实的船体结构并测量船体剖面载荷。龙骨梁的设计选型是分段船模波浪载荷试验的重要基础，直接影响到船模能否反映真实的船体结构特性。现有的龙骨梁都是针对特定的船模试验方案进行专门设计，具有固定的结构形式，并在设计加工过程中一体成形。此类龙骨梁的优点是结构形式简单、设计加工方便，但无法适用于不同刚度方案的船模波浪载荷试验。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种可调刚度u型龙骨梁，可以适用于不同刚度方案的船模波浪载荷试验。
5.本发明的另一个目的在于提供了一种安装有可调刚度u型龙骨梁的分段船模。
6.本发明的另一个目的在于提供了一种可调刚度u型龙骨梁的调整方法。
7.本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种可调刚度u型龙骨梁，龙骨梁的横截面呈u型，包括底板模块、腹板模块、翼板模块、固定夹紧模块；
8.底板模块包括主底板和底板边板；两块底板边板对称设置在主底板两侧；
9.腹板模块包括腹板上底板、腹板下底板、主腹板和顶腹板；腹板上底板和腹板下底板分别垂直设置在主腹板的底端，腹板上底板和腹板下底板之间的间隙等于底板边板的厚度；顶腹板设置在主腹板顶部；
10.翼板模块包括翼板外竖板、翼板内竖板、主翼板、翼板边板；翼板外竖板和翼板内竖板分别垂直设置在主翼板的底部，翼板外竖板和翼板内竖板之间的间隙等于顶腹板的厚度；主翼板开设有与翼板边板形状相适应的凹槽道，翼板边板设置于凹槽道内；
11.多组固定夹紧模块沿u型龙骨梁长度方向均匀布置，每组固定夹紧模块包括多个固定夹紧装置，每个固定夹紧装置包括顶丝、螺母、垫片；在腹板上底板、腹板下底板、翼板
外竖板、翼板内竖板、主翼板的顶部与底部处分别开设有内螺纹孔，顶丝穿过螺母和垫片并固定在内螺纹孔处。
12.进一步地，所述底板边板的厚度小于主底板的厚度。
13.进一步地，所述顶腹板的厚度小于主腹板的厚度。
14.进一步地，所述腹板下底板靠近主底板一侧设有阶梯状沉孔。
15.进一步地，所述主底板、底板边板、腹板上底板、腹板下底板、主腹板、顶腹板、翼板外竖板、翼板内竖板、主翼板、翼板边板的横截面为矩形。
16.本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种安装有可调刚度u型龙骨梁的分段船模，包括船体外壳、u型龙骨梁、固定基座；船体外壳上设有多个分段切口，多个分段切口将船体外壳分成多个分段船壳；每个分段船壳的底部中间位置处设置有固定基座；u型龙骨梁沿船长方向固定在固定基座上。
17.进一步地，还包括夹具、螺栓；每个固定基座上设有多个内螺纹孔；夹具设置在u型龙骨梁的主底板上方，夹具以及主底板上都设有与内螺纹孔对应的开孔；螺栓穿过开孔、内螺纹孔将u型龙骨梁固定在分段船模上。
18.本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种可调刚度u型龙骨梁的调整方法，包括如下步骤：
19.改变腹板模块与底板边板的水平方向的相对位置，进而调整u型龙骨梁的水平弯曲刚度与扭转刚度；
20.改变翼板模块与顶腹板的垂直方向的相对位置，进而调整u型龙骨梁的垂向弯曲刚度与扭转刚度；
21.改变翼板边板与主翼板的水平方向的相对位置，进而调整u型龙骨梁的水平弯曲刚度和扭转刚度。
22.进一步地，当底板边板完全嵌入到腹板上底板和腹板下底板之间的间隙时，u型龙骨梁的水平弯曲刚度最小；随着底板边板逐渐抽离出腹板上底板和腹板下底板之间的间隙，u型龙骨梁的水平弯曲刚度逐渐增大。
23.进一步地，当顶腹板完全嵌入到翼板外竖板和翼板内竖板之间的间隙时，u型龙骨梁的垂向弯曲刚度最小；随着顶腹板逐渐抽离出翼板外竖板和翼板内竖板之间的间隙，u型龙骨梁的垂向弯曲刚度逐渐增大；当翼板边板完全嵌入到主翼板的凹槽道内时，u型龙骨梁的扭转刚度最小；随着翼板边板逐渐抽离出主翼板的凹槽道，u型龙骨梁的扭转刚度逐渐增大。
24.发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
25.1.本发明提出的可调刚度式u型龙骨梁，该通用龙骨梁方案具有一定的普适性，能够直接应用于不同剖面刚度参数的船模水弹性试验，解决常规的龙骨梁仅适用于特定船模的局限性。
26.2.龙骨梁中各组成构件的相对位置可以调节，通过对三个位置变量的调节可以实现适用于不同垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度、扭转刚度等参数的船模龙骨梁方案。
27.3.与常规的矩形和圆形等简单剖面的龙骨梁相比，u型龙骨梁可以更好地模拟真实船体结构中的甲板大开口情况，从而使船模波浪载荷试验能够更精确地反映实船结构特性与载荷响应。
附图说明
28.图1是本发明实施例中调整相对位置后的u型龙骨梁横剖面图；
29.图2是本发明实施例中未调整相对位置的u型龙骨梁横剖面图；
30.图3是本发明实施例中设置固定夹紧模块的u型龙骨梁横截面图；
31.图4是本发明实施例中底板边板完全嵌入到腹板上底板和腹板下底板之间间隙的局部结构图；
32.图5是本发明实施例中底板边板抽离出腹板上底板和腹板下底板之间间隙的局部结构图；
33.图6是本发明实施例中顶腹板完全嵌入到翼板外竖板和翼板内竖板之间间隙的局部结构图；
34.图7是本发明实施例中顶腹板抽离出翼板外竖板和翼板内竖板之间间隙的局部结构图；
35.图8是本发明实施例中翼板边板抽离出主翼板凹槽道的局部结构图；
36.图9是本发明实施例中u型龙骨梁与分段船模连接的局部剖面图；
37.图10是本发明实施例中u型龙骨梁与分段船模连接的整体剖面图；
38.图11是本发明实施例中u型龙骨梁与分段船模连接的全局俯视图。
39.其中：1：主底板；2：底板边板；3：腹板上底板；4：腹板下底板；5：主腹板；6：顶腹板；7：翼板外竖板；8：翼板内竖板；9：主翼板；10：翼板边板；11：顶丝；12：螺母；13：垫片；14：分段船壳；15：固定基座；16：内螺纹孔；17：夹具；18：螺栓。
具体实施方式
40.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
41.一种可调刚度u型龙骨梁，龙骨梁的横截面呈u型，包括底板模块、腹板模块、翼板模块、固定夹紧模块。u型龙骨梁为细长形，长度为1500mm。沿纵向长度方向的横剖面形状基本保持不变，仅在设置固定夹紧模块处的纵向小范围内改变其横剖面形状。
42.底板模块包括主底板1和底板边板2。主底板的横截面为矩形(宽度*高度为30mm*8mm)，在其两侧对称布置有底板边板。底板边板的横截面为矩形(宽度*高度为20mm*2mm)，其厚度小于主底板的厚度。底板边板的上表面与主底板的上表面的距离为1.5mm，底板边板的下表面与主底板的下表面的距离为4.5mm，从而在其连接处形成上下两个阶梯状过渡。
43.腹板模块包括腹板上底板3、腹板下底板4、主腹板5和顶腹板6。腹板上底板和腹板下底板水平布置在主腹板的底端，两者平行布置并保留一定距离间隙，间隙等于底板边板的厚度。腹板上底板的横截面为矩形(宽度*高度为20mm*1.5mm)。腹板下底板的横截面为矩形(宽度*高度为20mm*4.5mm)。在固定夹紧装置所在剖面的一小段的纵向范围内，腹板下底板在安装固定夹紧装置处设有阶梯状沉孔，该阶梯状沉孔使腹板下底板靠近主底板一侧的厚度减小(高度减为1.5mm)，用于布置螺母12。腹板模块可沿底板边板在水平方向上移动。主腹板沿垂向布置，其横截面为矩形(宽度*高度为5mm*48mm)。顶腹板设置在主腹板顶部，顶腹板的横截面为矩形(宽度*高度为2mm*25mm)，其厚度小于主腹板的厚度。顶腹板的内侧表面与主腹板的内侧表面距离为1.5mm，顶腹板的外侧表面与主腹板的外侧表面距离为
1.5mm，从而在其连接处的内外两侧形成两个阶梯状过渡。
44.翼板模块包括翼板外竖板7、翼板内竖板8、主翼板9、翼板边板10。翼板外竖板和翼板内竖板沿垂向布置在主翼板的底部，两者平行布置，翼板外竖板和翼板内竖板之间的间隙为2mm，等于顶腹板的厚度。翼板外竖板的横截面为矩形(宽度*高度为1.5mm*25mm)。翼板内竖板的横截面为矩形(宽度*高度为1.5mm*25mm)。翼板模块可沿顶腹板在垂直方向上移动。主翼板上开设有矩形截面的凹槽道。主翼板的横截面为凹形外轮廓(宽度*高度为15mm*5mm)，凹槽道为矩形截面(宽度*高度为10mm*2mm)。翼板边板为矩形横剖面的平板(宽度*高度为10mm*2mm)，其厚度等于凹槽道的高度。翼板边板设置于凹槽道的内部，并可沿凹槽道在水平方向移动。
45.多组固定夹紧模块沿u型龙骨梁长度方向均匀布置，每组包括12个固定夹紧装置，单个固定夹紧装置包括顶丝11、螺母12、垫片13。在腹板上底板、腹板下底板、翼板外竖板、翼板内竖板、主翼板的顶部与底部共12个位置处开设m3的细牙内螺纹孔。将顶丝依次穿过螺母和垫片，并固定在内螺纹孔处。通过螺母对顶丝进行夹紧与松弛的状态调整，采用垫片可防止顶丝的松动。
46.u型龙骨梁的翼板边板与主翼板、翼板模块与顶腹板、腹板模块与底板边板的相对位置可以调整，通过对三个控制变量的调节可以实现不同垂向弯曲刚度、水平弯曲刚度、扭转刚度等参数的龙骨梁方案。以下对三种情况的龙骨梁刚度调节进行说明：
47.通过改变腹板模块与底板边板的水平方向的相对位置，龙骨梁的整体宽度会发生改变，进而可以调整龙骨梁的水平弯曲刚度与扭转刚度(主要调整水平弯曲刚度)。如图4所示，当底板边板完全嵌入到腹板上底板和腹板下底板之间的间隙时，龙骨梁的水平弯曲刚度最小；如图5所示，随着底板边板逐渐抽离出腹板上底板和腹板下底板之间的间隙，龙骨梁的水平弯曲刚度逐渐增大。
48.通过改变翼板模块与顶腹板的垂直方向的相对位置，龙骨梁的整体高度会发生改变，进而可以调整龙骨梁的垂向弯曲刚度与扭转刚度(主要调整垂向弯曲刚度)。由于u型龙骨梁的横截面关于中纵剖面是轴对称的，仅以龙骨梁的左侧的腹板为例进行介绍。如图6所示，当顶腹板完全嵌入到翼板外竖板和翼板内竖板之间的间隙时，龙骨梁的垂向弯曲刚度最小；如图7所示，随着顶腹板逐渐抽离出翼板外竖板和翼板内竖板之间的间隙，龙骨梁的垂向弯曲刚度逐渐增大。
49.通过改变翼板边板与主翼板的水平方向的相对位置，龙骨梁的翼板宽度会发生改变，进而可以调整龙骨梁的扭转刚度和水平弯曲刚度(主要调整扭转刚度)。由于u型龙骨的横截面关于中纵剖面是轴对称的，仅以龙骨梁的左侧的腹板为例进行介绍。如图6所示，当翼板边板完全嵌入到主翼板的凹槽道内时，龙骨梁的扭转刚度最小；如图8所示，随着翼板边板逐渐抽离出主翼板的凹槽道，龙骨梁的扭转刚度逐渐增大。
50.以某箱型驳船为例，对u型龙骨梁在分段船模上的安装方式进行说明。本实施例中的箱型驳船通过三个分段切口剖面将船体外壳分为四段。在各分段船壳14的底部中间位置处安装有固定基座15，每个固定基座上设有四个(两排两列)内螺纹孔16。龙骨梁沿船长方向布置在固定基座的上方并与其进行固定连接。夹具17设置于龙骨梁主底板上方，主底板上、夹具上与固定基座内螺纹孔的对应位置处设置开孔。采用螺栓18依次穿过夹具、主底板上的开孔、内螺纹孔使得龙骨梁与船模进行固定连接。通过这种连接方式，船体外壳所受到
的波浪载荷能够完全传递到龙骨梁上。
51.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。