一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置及方法

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程技术领域，尤其是涉及一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置及方法。

背景技术

船舶在海中航行可能会遇到碰撞、搁浅等多种危险状况，这些都可能会造成船舶损伤，在很大程度上影响了船舶的浮态和稳态，对船舶和人的生命安全造成极大的威胁。因此，在发生沉船事故时，要立即对船舶的浮态、剩余浮力、剩余强度和沉没时间进行评估，以制定合理的救援计划。因此，研究破损船舶的运动形态非常有意义，但是破损船舶的内部流动、船体和其他载荷等多种非线性因素相互耦合作用使船舶的运动形态极其复杂。并且，在水流撞击船体舱壁时会发生飞溅等现象，这些非线性的现象难以通过数值模拟来实现，因此有必要进行相关的模型实验来研究船舶破舱进水后水在船体的内部流动状况、船体沉没过程等相关现象。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置及方法，可以使船模有吃水的初始状态下，实现拍摄船模突然出现侧面破口进水沉没的过程。

本发明专利通过如下技术方案进行目的的实现：

一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置，包括船模、透明水池、水池支架、高速摄像机、重物、三个小支架、四个船模定滑轮、两个重物定滑轮、两根船模固定线、重物固定线和重物牵引线，所述的船模侧面设有破口，所述破口通过隔水层密封，所述的水池支架设置在透明水池的上端面，所述的船模设置在透明水池内，所述的高速摄像机设置在透明水池外，所述的高速摄像机记录船模进水过程，所述的重物设置在透明水池外；

所述的水池支架包括两个横梁和五个纵梁，两个横梁和其中两个纵梁围成框型结构并安装在透明水池的上端面上，另三个纵梁的两端分别与两个横梁固定，在相邻的两个纵梁的上表面平行安装三个小支架，下表面安装四个船模定滑轮，在另一个纵梁的上表面和与另一个纵梁临近的作为框型结构的纵梁的上表面分别安装一个重物定滑轮；每个小支架的中部设有一个U型架；

在船模的前端部和后端部分别缠绕一根船模固定线，两根船模固定线分别绕过相对应位置的船模定滑轮后绕过各自侧的小支架上的U型架，最终两根船模固定线在位于中间的小支架上的U型架处交汇连接，所述的重物通过重物牵引线依次绕过两个重物定滑轮后与隔水层固定连接，重物固定线的一端与重物通过牵引线连接，重物固定线的另一端与两根船模固定线的连接处连接；

初始时，所述船模有吃水，且两根船模固定线吊装船模位于透明水池内自由水面的中心处。

进一步的，四个船模定滑轮的安装位置与布局与船模的长度及宽度相适应。

进一步的，透明水池内水面高度为透明水池高度的3/4。

进一步的，所述船模固定线设置在船模的外侧。

进一步的，所述高速摄像机位于船模开有破口的一侧。

进一步的，所述隔水层粘贴在船模的破口处，所述隔水层带有塑料保护膜。

进一步的，所述实验装置通过改变另外三个纵梁之间的距离对不同主尺度的船模进行实验。

进一步的，所述船模固定线、重物牵引线和重物固定线均为透明塑料质地线。

进一步的，所述透明水池由有机玻璃制作。

一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：

首先，在船模的前端部绕一根船模固定线，将船模固定线两端同时向上拉，两端分别绕过位于前侧的两个船模定滑轮后船模固定线的两端交汇于对应位置的小支架的U型槽架处，继续朝向位于中间的小支架的U型架处拉；

其次，在船模的后端部绕一根船模固定线，将船模固定线两端同时向上拉，两端分别绕过位于后侧的两个船模定滑轮后船模固定线的两端交汇于对应位置的小支架的U型槽架处，继续朝向位于中间的小支架的U型架处拉，然后使得两根船模固定线在位于中间的小支架的U型架处打结连接；

然后，在船模的破口处贴上隔水层，将重物牵引线的一端与隔水层连接，另一端依次绕过两个重物定滑轮后与重物连接，再将重物固定线的一端与重物牵引线连接，另一端与两根船模固定线在中间的小支架的U型架处打结连接处连接，此时船模固定线与重物固定线系于同一节点U型架；

最后，切断系于同一节点U型架处的船模固定线和重物固定线，船模释放，在重物自重作用下，重物下降拉走隔水层，使得船模破口外露，船模开始进水下沉，此时高速摄像机拍摄船模进水下沉过程。

相对于现有技术，本发明所述的一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置及方法具有以下优势：

1、本申请的进水实验装置可以研究船舶破舱进水后流体在舱室内部的流动状况、舱室内进水情况以及船体沉没的全过程，本申请提供了一种船模在有吃水的情况下侧向突然出现破口的进水沉没的实验方法，更为贴切与真实船舶侧向破舱进水的情况，为研究破损船舶的运动形态、船舶运动形成机理提供了可视化的、直观的实验过程及实验数据，同时也为船舶破舱进水数值模拟提供实验参考依据。

2、本申请的船模定滑轮与船模固定线配合保证船模姿态并减小船模固定线对船模自由进水的影响。

3、本申请在中间的小支架的U型架处同时切断船模固定线和重物固定线，可以同时释放船模和重物，使破口外露，实现有吃水的船模进水，模拟船只真实侧向突然出现破口进水情况。

4、本申请的支架采用两条横梁和五条纵梁构成；在纵梁安装小支架和定滑轮，小支架和定滑轮可在纵梁上滑动，在指定位置可固定；该支架设计可以对不同主尺度的船模进行实验，一组支架可以进行多种船模进水实验，增加了该实验装置的灵活度和通用性；并且支架与透明水池之间不需要其他连接装置，支架可以稳固放置于透明水池上不发生晃动，省去了支架与透明水池之间的连接装置，使该实验装置更加简洁易行。

5、重物牵引线两端分别连接隔水层和重物，带有塑料保护膜的隔水层与船模之间摩擦力很小，隔水层在水中浸泡一段时间后不会损坏，利用重物定滑轮引导重物牵引线路径，保证隔水层顺利被重物向上拉走，最大限度减小隔水层抽拉过程对船模沉没初始状态的影响。

附图说明

图1为本发明所述的一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置的结构示意图；

图2为本发明所述的一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置除去水池的实验设施后结构示意图；

图3为本发明所述的水池支架、小支架、船模定滑轮和重物定滑轮布置的俯视图；

图4为本发明所述的水池支架、小支架、船模定滑轮和重物定滑轮布置的正视图；

图5为在带有船模的状态下船模固定线、重物牵引线和重物固定线的布置示意图；

图6为船模固定线、重物牵引线和重物固定线的布置示意图；

图7为小支架的结构示意图。

附图标记说明：

1-船模，2-水池支架，2-1-横梁，2-2纵梁，3-船模定滑轮，4-小支架，5-船模固定线，6-重物牵引线，7-重物固定线，8-隔水层，9-重物，10-透明水池，11-重物定滑轮，12-高速摄像机。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图7所示，一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置，包括船模1、透明水池10、水池支架2、高速摄像机12、重物9、三个小支架4、四个船模定滑轮3、两个重物定滑轮11、两根船模固定线5、重物固定线7和重物牵引线6，所述的船模1侧面设有破口，所述破口通过隔水层8密封，所述的水池支架2设置在透明水池10的上端面，所述的船模1设置在透明水池10内，所述的高速摄像机12设置在透明水池10外，所述高速摄像机12位于船模1开有破口的一侧，所述的高速摄像机12记录船模进水过程，所述的重物9设置在透明水池10外；

如图2-图4所示，所述的水池支架2包括两个横梁2-1和五个纵梁2-2，两个横梁2-1和其中两个纵梁围成框型结构并安装在透明水池10的上端面上，其中本装置的另三个纵梁的两端分别与两个横梁固定连接；另三个纵梁设置在框型结构内，在相邻的两个纵梁的上表面平行安装三个小支架4，其中两个小支架4位于船模1的首部和尾部，位置略向船模1中部靠近，另一个小支架4位于船模1纵向中点处；位于船模1首部及尾部的两个小支架4下表面安装四个船模定滑轮3，船模定滑轮3的位置要能够引导船模固定线5平顺的由小支架4过渡到船模1上，使船模1上的船模固定线5垂直于船模1的纵向；在另一个纵梁的上表面和与另一个纵梁临近的作为框型结构的纵梁的上表面分别安装一个重物定滑轮11，重物定滑轮11要引导重物牵引线6垂直于纵梁2-2；每个小支架4的中部设有一个U型架；该种布局可使船模1具有平稳初始状态，可以保持船模1的底部平面及首部平面均平行于透明水池10的池壁，并且船模1不会发生纵倾、横摇或艏摇。

如图5和图6所示，在船模1的前端部和后端部分别缠绕一根船模固定线5，两根船模固定线分别绕过相对应位置的船模定滑轮后绕过各自侧的小支架上的U型架，最终两根船模固定线5在位于中间的小支架上的U型架处交汇连接，所述的重物9通过重物牵引线6依次绕过两个重物定滑轮11后与隔水层8固定连接，所述的重物固定线7的一端与重物牵引线6连接，另一端与两根船模固定线的连接处连接；

初始时，所述船模1有吃水，且两根船模固定线5吊装船模1位于透明水池10内自由水面的中心处。本申请的初始状态船模未进水前，船模有吃水(即船模有一部分位于水下，与真实的船舶在水中的状态相同)；随后实验开始，船模在有吃水的状态下突然出现侧向破口，更为接近真实的船舶在水中突然出现侧向破口的情况。并不是所有的破舱进水实验方法都能够实现在船模初始有吃水状态突然出现破口进水的，有些是初始船模全部位于空气中，然后释放落水，而船模有吃水，是本申请试验方法的创新！

四个船模定滑轮3的安装位置与布局与船模1的长度及宽度相适应；实验装置通过改变另外三个纵梁之间的距离对不同主尺度的船模进行实验。测量船模1主尺度，以确定纵梁2-2之间的距离、小支架4安装位置和定滑轮的位置，以适合船模固定为准；一组支架可以进行多种船模进水实验，增加了该实验装置的灵活度和通用性；将固定螺丝拧紧，防止在穿行船模固定线5和重物固定线7时定滑轮3和小支架4发生偏移，影响实验进行；将拼装好的支架2放置于透明水池10上，并且纵梁2-2的边缘搭接在透明水池10上，支架与透明水池之间不再需要其他连接装置，支架可以稳固放置于透明水池上不发生晃动。

透明水池10内水面高度为透明水池10高度的3/4，能够很好的模拟船模破舱进水情况，船模1可在该水深下完全进水并沉没，可通过本实验方法得到船模1进水的完全实验过程。

所述船模固定线5设置在船模1的外侧，不在船模1内部穿行，可最大限度减小线对船模1下沉的影响。

隔水层8粘贴在船模1的破口处，所述隔水层8带有塑料保护膜，带有塑料保护膜的隔水层8与船模1之间摩擦力很小，隔水层8在水中浸泡一段时间后不会损坏，利用重物定滑轮引导重物牵引线6路径，保证隔水层8顺利被重物9向上拉走，最大限度减小隔水层8抽拉过程对船模1沉没初始状态的影响。

船模固定线5、重物牵引线6和重物固定线7均为透明塑料质地线，具有足够的强度来固定船模2的初始状态以及承受重物9的拉力，并且不影响实验现象拍摄。

透明水池10由有机玻璃制作，整体全透明，透光性好，有利于实验现象的拍摄。

一种模拟船舱结构破舱进水的实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：

首先，在船模1的前端部绕一根船模固定线，将船模固定线两端同时向上拉，两端分别绕过位于前侧的两个船模定滑轮后船模固定线的两端交汇于对应位置的小支架的U型槽架处，继续朝向位于中间的小支架的U型架处拉；

其次，在船模1的后端部绕一根船模固定线，将船模固定线两端同时向上拉，两端分别绕过位于后侧的两个船模定滑轮后船模固定线的两端交汇于对应位置的小支架的U型槽架处，继续朝向位于中间的小支架的U型架处拉，然后使得两根船模固定线在位于中间的小支架的U型架处打结连接；

然后，在船模1的破口处贴上隔水层8，将重物牵引线6的一端与隔水层8连接，另一端依次绕过两个重物定滑轮10后与重物9连接，再将重物固定线7的一端与重物牵引线6连接，另一端与两根船模固定线在中间的小支架的U型架处打结连接处连接，此时船模固定线5与重物固定线7系于同一节点U型架；

最后，切断系于同一节点U型架处的船模固定线5和重物固定线7，船模1释放，在重物9自重作用下，重物9下降拉走隔水层8，使得船模1破口外露，船模1开始进水下沉，此时高速摄像机拍摄船模进水下沉过程。

本申请设置的重物9是控制船模1进水的动力来源，隔水层8是阻挡船模1进水的重要部件，支架2和船模固定线5是保证船模1浮态的部件，重物固定线6和重物牵引线7是使重物9抽离隔水层8令船模1突然出现侧向破口的部件；支架2放置于透明水池10上，支架2由五条纵梁及两条横梁构成，纵梁与横梁通过螺丝连接形成支架2；支架2上安装有三组横向布置的小支架4和六只定滑轮用以引导船模固定线5、重物牵引线6和重物固定线7，在中间小支架的U行架处同时切断船模固定线5和重物固定线7，重物9抽离隔水层8，船模1开始脱离船模固定线5的束缚同时开始进水沉没。

本实验装置的可行性得到了实际验证，在进一步推广中可以在水池中进行更大的模型实验，对于侧部破口的船模完全可以通过本方法进行沉船实验。