本發(fā)明涉及測量大型集裝箱船扭轉強度的實驗裝置及實驗方法，屬于教學實驗儀器的領域。

背景技術：

步入21世紀以來，由于經濟全球化的快速發(fā)展，世界各國之間的經貿往來也越來越頻繁。伴隨著世界航運市場的不斷擴大，集裝箱船的出現(xiàn)是船型的一次革命性的突破，能夠大大縮短貨物的裝卸時間，提高其作業(yè)效率。集裝箱船作為海上貨物運輸?shù)囊环N主要船型，航速高、裝卸快、?？看a頭時間短，以其獨有的優(yōu)勢越來越受到航運界和造船界的重視，集裝箱船的擁有數(shù)量和總噸位己成為一個國家海上運輸能力的重要標志之一。集裝箱船的發(fā)展仍在朝著大型化、多箱位前進。但是，隨著船舶的大型化、高速化的發(fā)展，船體結構及其可能遭遇的外力都變得越來越復雜，結構破損事故時有發(fā)生，導致后果也愈加嚴重。對于大型集裝箱船而言，由于船體甲板有大型的開口，其扭轉強度問題不容忽視。大型集裝箱船由于其船體的扭轉剛度相對較低，其扭轉強度問題已上升到與總縱強度同等重要的地位。在外部載荷的作用下，集裝箱船體可能發(fā)生較為顯著的紐轉變形，在船體結構中產生相當?shù)穆N曲應力，因此有必要對船體進行扭轉計算。

目前對于大型集裝箱船扭轉強度的研究主要集中在外載荷計算、有限元數(shù)值仿真或拖曳水池中開展船模波浪載荷實驗。前兩種基本基于理論計算，授課過程中不能讓學生進行直觀的觀察和實際的動手操作，對于加深學習印象方面存在一定的缺陷；后一種由于需要具備一定的試驗條件，目前高校中建造的拖曳水池并不多，加之其試驗成本比較大，在教學過程中存在一定的局限性，因此不適合在授課過程中對學生進行演示。由于以上客觀因素，目前在教學過程中只是列出了大型集裝箱船在斜浪45°狀態(tài)下的外力的探討，缺乏經濟、直觀的教學實驗器材讓學生親自動手操作從而獲得深刻的理解。

開展一種測量大型集裝箱船扭轉強度的教學實驗裝置在授課過程中主要由以下三方面優(yōu)點：

(1)由于集裝箱船朝著大型化發(fā)展，甲板上的開口越來越大，從而造成船體所受到的扭轉變形成為船體結構強度中必須考慮的因素。目前在高校的教學中一般是基于理論的講解其受力原理而缺乏實際操作，從而使同學們對其認識不夠。本實驗裝置驗證了扭矩對大型集裝箱船體的危害，從而引起學生對扭轉強度的重視。

(2)本實驗裝置的設計可以讓學生對大型集裝箱船的扭轉強度有一個直觀的認識，以及加深老師在課堂對所講的理論知識的理解，從而更加深刻的掌握有關大型集裝箱船扭轉強度的知識。在此基礎上培養(yǎng)了學生的實際動手能力，有利于學生在操作期間形成合作意識。

(3)本實驗裝置可以直接讀取船舶產生扭矩時的力矩。在本實驗裝置的船模根據相似性理論設計與制作的前提下，本實驗的實驗數(shù)據可映射至實際船舶，用于評估實際船舶的扭轉強度。對于工程上具有一定的指導意義。

根據已有的研究，集裝箱船舶的斜浪航行、船體傾斜和搖擺運動，都會不同程度的引起船體的扭轉變形。船舶傾斜引起的扭矩或搖擺運動引起的扭矩通常比斜浪航行引起的波浪扭矩小。因此，一般不予計算。波浪扭矩是導致集裝箱船舶扭轉變形的主要組成部分。在分析集裝箱船扭轉變形中，貨物扭矩也是處于較為重要的研究地位。通常，波浪扭矩和貨物扭矩的疊加構成外部載荷作用于集裝箱船體的扭轉力矩。

(1)斜浪航行引起扭矩的機理

根據已有的研究證明，當船體的航行方向與波浪之間的角度α＝45°，波長λ與船長l的關系為λ＝lcosα，此時作用在船體上的扭轉變形最大。船首尾處于波峰(波谷)的位置，船中處于波谷(波峰)見圖1。船舶在直立狀態(tài)時，其兩舷的吃水是不相同的。船舶的前半部的左舷吃水比右舷大(見圖2)；后半部則相反(見圖3)。

(2)貨物扭矩

貨物扭矩是由于集裝箱貨物重量橫向分布不均、壓載不均或燃料等消耗物橫向分布不均而引起的。根據已有的研究證明，集裝箱船的貨物扭矩在船體的兩端為零，在船體的中恒剖面處最大，由兩端向船中成直線分布。

根據現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，斜浪扭矩與貨物載荷扭矩的合成是導致集裝箱船體發(fā)生扭轉變形的主要因素。波浪扭矩和貨物扭矩沿著船長的分布接近，二者的合成在船長兩端為零，并由兩端向船中逐漸增大，在船中附近合成扭矩達到最大值。其合成后的扭矩曲線圖如圖4。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種測量大型集裝箱船扭轉強度的實驗裝置及實驗方法，模擬船體受到外界最大扭矩工況，即在斜浪中航行時某一時刻受到的斜浪扭矩與貨物載荷扭矩的疊加，從而使實驗真實，易觀察，具有說服力。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的測量大型集裝箱船扭轉強度的實驗裝置，包括加載水箱，所述加載水箱內放置有船模，船模與加載水箱之間通過隔板連接，隔板將加載水箱分隔為若干個獨立的空間，在船模上安裝有若干個t型材和若干個配重砝碼，在船模上還安裝有若干個應變片，應變片與電荷放大器連接，電荷放大器依次與多通道信息采集儀、計算機連接。

作為優(yōu)選，所述隔板包含橫隔板和斜隔板，所述船模的兩端連接有橫隔板，橫隔板將加載水箱一份為二，所述斜隔板有四個，船模的兩側均設有兩個斜隔板。

作為優(yōu)選，所述斜隔板與加載水箱的壁夾角為45°，此步驟主要是為了模擬船舶在45°斜浪中航行時某一時刻的波浪與船體的相對位置，此斜隔板與加載水箱的相對安裝位置是《波浪中航行的大開口船舶扭轉實驗裝置及操作方法》里沒有形成的。

作為優(yōu)選，于：所述橫隔板和斜隔板與船模通過柔性橡膠薄膜連接，橫隔板和斜隔板與加載水箱通過玻璃膠連接。

作為優(yōu)選，所述應變片安裝在在甲板開口的角隅處和中橫剖面處。

一種上述的測量大型集裝箱船扭轉強度的實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟：

(1)首先將水注入加載水箱內，第一次注水時使6個水箱的水位處于同等的高度，水線的高低在注水的過程中用刻度尺進行測量，此時將船模放入加載水箱內，調整船模的平衡待船模平衡后，用密封膠將柔性橡膠薄膜同船模相接觸的部位進行密封，最后是應變片的安裝位置的選擇，這里我們將應變片放在甲板開口的角隅處和中橫剖面處因為這里為整體受力集中處，測量現(xiàn)象更加明顯。在船模產生扭矩時，應變片將產生電信號，通過電荷放大器將信號放大，最終通過多通道信號采集儀與計算機來分析從而測出扭矩，因此按照電荷放大器，多通道信號采集儀、計算機的順序依次連接；

(2)整個實驗裝置制作完成后，進行第二次注水，將加載水箱分為a、b、c、d、e、f六個部分，此時在注水的過程中左側和右側首尾的a、c、d、f4個水箱的水線高度要低于中間兩個水箱b、e的水線高度以此來模擬船體首尾在波谷，船中在波峰；在此基礎上船首部位的左側水箱c的水線要高于右側水箱f的水線，船尾部位的左側水箱a的水線要低于右側水箱d的水線，水線的高低在注水的過程中用刻度尺進行測量；此步驟可以模擬船體在45°斜浪中航行時某一時刻，波浪對船體的作用力，其設計原理主要考慮到45°斜浪，是船體受到的最危險扭矩組合情況，在這一點上與課題組之前申請的《波浪中航行的大開口船舶扭轉實驗裝置及操作方法》形成本質區(qū)別。

(3)根據實船的裝載布置圖，將其壓載水、燃油等貨物按照之前的縮尺比進行換算，用配重砝碼代替其重力，將其放置在壓載水、燃油等貨物在船體上的位置。選用配重砝碼可以更好的模型隨著船體航行各種燃料的減少，從而可以驗證船體燃料對于扭矩形成中所占的比重，在這里課題組之前申請的《波浪中航行的大開口船舶扭轉實驗裝置及操作方法》并沒有考慮到船體上的燃料對扭矩形成所起到的作用。然后，用t型材來模擬集裝箱對于甲板的載荷，因為對于集裝箱船而言集裝箱對于船體左右兩舷的重力不同，我們這里通過t型材4本身的重量不同來模擬其對甲板載荷的不同，t型材沿著船寬方向排成一行，一共有7行，在這里我們規(guī)定為往左舷靠近時重量慢慢減少，以此來模擬集裝箱對于船體的貨物載荷。在這里選用t型材排成行模擬集裝箱對甲板的作用力相對于應用水箱通過壓力桿來傳遞力更加符合實際情況。與此同時，課題組之前申請的《波浪中航行的大開口船舶扭轉實驗裝置及操作方法》中并沒有考慮甲板上貨物載荷對整體扭矩產生所具有的影響，在這一塊形成原理上的不同。在整個實驗過程中可以多次調整水位的高低以模擬不同的波浪；多次調整配重砝碼的質量來模擬隨著船舶的形式燃油、壓載水慢慢的減少等不同的工作狀況，最后觀察實驗現(xiàn)象，并進行整理實驗數(shù)據。

在本發(fā)明中，t型鋼材在選取的時候，根據選擇的腹板高度不同，所以t型鋼材的重量大小不一，從而模擬甲板上集裝箱對于船體左右兩舷壓力的不同。隔板的主要作用是將加載玻璃水箱分割成幾個獨立的小水箱，從而可以保證往每個水箱內注入不等量的水。隔板是由兩部分組合而成，靠近船體的部位用柔性橡膠薄膜與船體相連接然后在遠離船體的部位用玻璃膠將玻璃板與加載水箱連接。

在本發(fā)明中，實驗中的船模是由聚氨酯軟泡沫塑料制作，這樣可以保證實驗船模具有一定的剛度使其在不產生扭矩時保持平衡狀態(tài)，當受到扭矩時會發(fā)生變形，在扭矩消失后仍能回到原來狀態(tài)。船模在制作過程中，整個船模要根據實船按照一定的縮尺比進行建造。加載玻璃水箱在制作的過程中其整體尺寸要大于船模。對于配重砝碼的選取時要挑選重量變化很小的砝碼，以保證在配重的過程中慢慢改變載荷的微變量，使學生對于載荷對集裝箱抗扭強度的影響有個深刻的認識。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本實驗裝置是一種測量大型集裝箱船扭矩的裝置。作為教學中的實驗裝置，通過a、b、c、d、e、f六個獨立的傾斜的加載水箱內水的體積的不同，模擬船體在受到45°斜浪某一時刻的最大扭轉力矩，從而使實驗真實，易觀察，具有說服力。

(2)現(xiàn)有的有關大型集裝箱船的扭轉強度的數(shù)值計算方法及軟件只是基于理論，理解起來比較抽象。而本實驗裝置可以使學生了解船體產生扭矩的基本成因及扭矩形成的基本原理，在實驗中船模產生最大扭矩，可以使學生對集裝箱船的扭矩問題有一個直觀認識與理解。

(3)船模是由特殊材料制成的，當船模受到外力作用后會發(fā)生一定的變形，這樣的視覺效果，在教學過程中讓學生的印象深刻。

(4)本實驗模型充分考慮了貨物載荷是集裝箱船扭距形成過程中的重要組成部分，通過合理的等效使試驗結果更加具有說服力，這一點與課題組之前申請的《波浪中航行的大開口船舶扭轉實驗裝置及操作方法》形成本質區(qū)別。

(5)船模的測量儀器測出船模受到的扭矩，這樣可以用來說明船模是因為受到扭矩作用而產生的變形。

(6)在本實驗裝置的船模根據相似性理論設計與制作的前提下，本實驗的實驗數(shù)據可映射至實際船舶，用于評估實際大型集裝箱船的扭轉強度。

附圖說明

圖1為船首尾處于波峰(波谷)的位置，船中處于波谷(波峰)的示意圖。

圖2為船舶的前半部的左舷吃水比右舷大的示意圖。

圖3為船舶的后半部的左舷吃水比右舷小的示意圖。

圖4為斜浪扭矩與貨物載荷扭矩的合成后的扭矩曲線圖。

圖5是本發(fā)明的結構示意圖。

圖6是本發(fā)明的加載水箱的俯視圖。

圖7是圖6的g-g剖視圖。

圖8是圖6的h-h剖視。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖5至圖8所示，本發(fā)明的測量大型集裝箱船扭轉強度的實驗裝置，包括加載水箱1，所述加載水箱1內放置有船模3，船模3與加載水箱1之間通過隔板2連接，所述隔板2包含橫隔板和斜隔板，所述船模3的兩端連接有橫隔板，橫隔板將加載水箱1一份為二，所述斜隔板有四個，船模3的兩側均設有兩個斜隔板，隔板2將加載水箱1分隔為6個獨立的水箱單元，所述斜隔板與加載水箱1的壁夾角為45°，所述橫隔板和斜隔板與船模3通過柔性橡膠薄膜連接，橫隔板和斜隔板與加載水箱1通過玻璃膠連接，隔板2將加載水箱1分隔為六個獨立的空間，在船模3上安裝有若干個t型材4和若干個配重砝碼5，在船模上還安裝有若干個應變片6，所述應變片6安裝在在甲板開口的角隅處和中橫剖面處，應變片6與電荷放大器7連接，電荷放大器7依次與多通道信息采集儀8、計算機9連接。

一種上述的測量大型集裝箱船扭轉強度的實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟：

(1)首先將水注入加載水箱內，第一次注水時使6個水箱的水位處于同等的高度，水線的高低在注水的過程中用刻度尺進行測量，此時將船模3放入加載水箱1內，調整船模3的平衡，待船模3平衡后，用密封膠將柔性橡膠薄膜同船模3相接觸的部位進行密封，最后是應變片6的安裝位置的選擇，這里我們將應變片6放在甲板開口的角隅處和中橫剖面處因為這里為整體受力集中處，測量現(xiàn)象更加明顯。在船模3產生扭矩時，應變片6將產生電信號，通過電荷放大器7將信號放大，最終通過多通道信號采集儀與計算機9來分析從而測出扭矩，因此按照電荷放大器7，多通道信號采集儀、計算機9的順序依次連接；

(2)整個實驗裝置制作完成后，進行第二次注水，將加載水箱1分為a、b、c、d、e、f六個部分，此時在注水的過程中左側和右側首尾的a、c、d、f4個水箱的水線高度要低于中間兩個水箱b、e的水線高度以此來模擬船體首尾在波谷，船中在波峰；在此基礎上船首部位的左側水箱c的水線要高于右側水箱f的水線，船尾部位的左側水箱a的水線要低于右側水箱d的水線，水線的高低在注水的過程中用刻度尺進行測量；

(3)根據實船的裝載布置圖，將其壓載水、燃油等貨物按照之前的縮尺比進行換算，用配重砝碼5代替其重力，將其放置在壓載水、燃油等貨物在船體上的位置，然后，用t型材4來模擬集裝箱對于甲板的載荷，因為對于集裝箱船而言集裝箱對于船體左右兩舷的重力不同，我們這里通過t型材4本身的重量不同來模擬其對甲板載荷的不同，t型材4沿著船寬方向排成一行，一共有7行，在這里我們規(guī)定為往左舷靠近時重量慢慢減少，以此來模擬集裝箱對于船體的貨物載荷，在整個實驗過程中可以多次調整水位的高低以模擬不同的波浪；多次調整配重砝碼5的質量來模擬隨著船舶的形式燃油、壓載水慢慢的減少等不同的工作狀況，最后觀察實驗現(xiàn)象，并進行整理實驗數(shù)據。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。