船模碰撞试验舷侧替换装置及试验方法

本发明涉及船模碰撞试验，尤其涉及试验船模舷侧的安装与替换装置。

背景技术：

1、目前，开展水池中全耦合条件下小尺度船模碰撞试验，是研究船舶碰撞特性最为直接可靠的手段，能够实现实验室条件下船体结构变形损伤与船舶运动的耦合，可研究撞击船速度、撞击角度、撞击位置等参数对碰撞试验结果的影响，获得碰撞试验过程中不同碰撞参数下被撞船和撞击船的运动特性、碰撞力、最终撞深以及被撞船模型的结构能量转换形式等试验结果，进而为实际船舶碰撞的理论和数值研究提供可靠的验证数据，并对实际船舶碰撞提供有价值的参考意见。

2、目前传统的船模碰撞试验中使用的船模有整体钢制与整体木制两种。若使用整船进行碰撞试验，仅进行一次碰撞试验便需对被撞船舶进行重新加工制作，这大大降低了船模碰撞试验的效率，而且增加了碰撞试验的经济成本。因此，通常采用被撞舷侧区域可替换的方式进行能快速、重复的碰撞试验。而不同材质船模模型均基于相似准则中的π定理，综合考虑船体几何相似、froude数相似以及刚度相似，并通过主尺度相似换算和结构材料相似换算以得到模型船中的主尺度和材料参数。如果缩尺后的模型材料不变，由于缩比船模的材料属性太强，易造成实船与模型船的结构刚度和吸能特性出现较大差异。在单一结构缩比模型无法完全满足相似比的结果下，采用加筋结构等非单一结构形式作为被撞船舷侧区域可替换结构，可通过调整面板与腹板的材料属性以真实模拟实船碰撞的结构刚度和吸能特性。但对于单一三维复杂舷侧曲面替换结构形式复杂的任意结构形式(薄板、厚板、加筋板、板架、复合材料层合板等)的工装设计存在巨大困难。

3、综上所述，目前进行船模碰撞时普遍存在的问题有：

4、(1)采用整船模型进行的碰撞试验存在碰撞周期长、经济费用高等问题。

5、(2)考虑相似准则得到的单一船模结构在结构刚度和吸能特性方面难以与实船匹配。

6、(3)采用舷侧结构替换方式，存在船体舷侧曲面具有三维复杂性和难以保证船模水密性等困难。

7、(4)可同时适用多种结构形式的可替换结构(如同时适用于薄板、厚板、加筋板、板架、复合材料层合板等的可替换结构)代替单一舷侧结构所需的工装设计复杂。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对上述现有船模碰撞试验技术存在的不足，提供一种船模碰撞试验舷侧替换装置，采用的舷侧替换装置通过可替换结构垂直嵌套装配盒，再由装配盒垂直嵌套舷侧固定件的方式，提升了船模碰撞试验的工作效率，节省了试验的经费耗材，增加了适应复杂碰撞工况的能力，使船模碰撞试验更加高效。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种船模碰撞试验舷侧替换装置，包括碰撞试验船模、舷侧固定结构、可替换结构和装配夹具；所述碰撞试验船模上开设有一个或多个舷侧开口，所述舷侧开口可在艏、舯、艉的任意位置；所述舷侧开口的前、后、内、底四个面由壁板围成；所述舷侧固定结构包括舷侧固定件和三维曲面板，所述舷侧固定件安装于所述舷侧开口内，舷侧固定件的前、后、内、底四个背板能够紧密贴合所述舷侧开口的四个壁板安装，舷侧固定件的外板设有开口；所述三维曲面板固定于所述舷侧固定件的外板的前后两侧，且三维曲面板能够完整贴合舷侧开口处的船模曲面形状；所述可替换结构用于替换舷侧开口处的结构，其结构形式满足缩比后的船模刚度求；所述装配夹具包括装配盒和紧固结构；所述装配盒的外板设有开口，所述可替换结构紧贴装配盒的外板内侧并通过所述紧固结构相连，实现四周刚性固支边界条件；所述装配盒形状与所述舷侧固定件适配使其能够贴合舷侧固定件而竖直装入所述舷侧固定件内部，且装配盒的外板紧贴舷侧固定件的外板内侧并通过所述紧固结构相连。

4、上述方案中，所述可替换结构的结构形式包括板、加筋板、板架、复合材料层合板，通过改变面板厚度和材料属性以满足缩比后的船模刚度要求。

5、上述方案中，所述可替换结构为加筋板，包括外面板以及焊接于所述外面板上的腹板和横舱壁板；通过调节外面板和腹板的厚度和材料属性，以满足缩比后船模碰撞试验的结构刚度和吸能特性要求进行设计。

6、上述方案中，所述装配夹具还包括c型垫板，所述c型垫板紧贴所述可替换结构的外面板的内侧，装配盒的外板、可替换结构的外面板和c型垫板依次通过所述紧固结构相连。

7、上述方案中，所述紧固结构包括螺杆、钢制垫片、橡胶垫和螺帽；安装所述可替换结构时，螺杆依次穿过钢制垫片、橡胶垫、装配盒的外板、可替换结构的外面板、c型垫板，最后拧紧螺帽；安装所述装配盒时，螺杆依次穿过钢制垫片、橡胶垫、舷侧固定件、装配盒，最后拧紧螺帽。

8、上述方案中，所述舷侧固定件的外板是一个最大尺度贴合舷侧三维曲面的开口平面，通过平板逼近曲面的方法，得出舷侧固定件的外板的几何形状，并进行加工制作；装配盒的外板同样是一个最大尺度贴合舷侧三维曲面的开口平面，通过平板逼近曲面的方法，得出装配盒的外板的几何形状，并进行加工制作。

9、上述方案中，所述可替换结构通过紧固结构与装配盒连接后，使用防水胶进行进一步密封处理。

10、上述方案中，所述装配盒通过紧固结构与舷侧固定件连接后，使用防水胶进行进一步密封处理。

11、上述方案中，所述三维曲面板通过焊接的方式固定于所述舷侧固定件的外板的前后两侧。

12、相应的，本发明还提出一种船模碰撞试验方法，采用上述船模碰撞试验舷侧替换装置进行，包括以下步骤：

13、舷侧开口：根据试验需要在碰撞试验船模上开设一个或多个舷侧开口；

14、舷侧固定结构的制作与安装：根据各部位舷侧开口处三维曲面特征，分别制作能最大尺度贴合舷侧开口处三维曲面的舷侧固定件，并在舷侧固定件的外板的前后两侧焊接能够完整贴合舷侧开口处的三维曲面板；然后将制作完成的各个舷侧固定结构装入碰撞试验船模对应的舷侧开口处；

15、可替换结构和装配盒的制作：根据船模缩尺后模型试验所需结构刚度要求选择可替换结构的结构形式和材料属性，并设计合适的面板、腹板尺寸厚度，然后制作可替换结构；可替换结构在制作完成后，将其固定安装于装配盒之内，安装后进行防水密封处理，保证可替换结构的水密性；同时制作多个可替换结构和装配盒，并安装好备用；

16、舷侧替换区域进行多次可重复的船模碰撞试验：将带有可替换结构的装配盒通过紧固结构安装于舷侧固定件之内，安装后进行防水密封处理；然后进行初次船模碰撞试验；初次船模碰撞试验结束后，快速进行装配盒的更换与安装，再次进行下一次船模碰撞试验。

17、本发明产生的有益效果是：

18、1、本发明中的可替换结构可以为任意结构形式，如薄板、厚板、加筋板、板架、复合材料层合板等，可以解决由尺度效应带来的缩比模型后，材料的结构刚度与吸能特性无法匹配的问题。以加筋板为例：可通过改变外面板和腹板的厚度和材料属性，以实现缩比模型中对单一钢制结构材料的舷侧等效替换。本发明中的船模碰撞试验舷侧替换装置可以实现对任意结构形式、任意尺寸的可替换结构的替换安装。

19、2、本发明解决了采用整船模型进行的碰撞试验的碰撞周期长、经济费用高的问题：采用本发明中的舷侧替换装置，可以在开始船模碰撞试验之前，制作多个可替换结构并将其安装至装配盒内，开始试验时，将装配盒安装至舷侧固定件中进行试验，结束碰撞试验后，再快速将装配盒进行替换。这样大大节省多次船模碰撞试验的时间和经济成本。

20、3、本发明中的舷侧替换装置能最大限度模拟真实舷侧的三维复杂曲面：在确定好船模碰撞试验的撞击区域后，通过平板逼近曲面的方法，得出舷侧固定件的外板的几何形状，并进行加工制作，最后在碰撞试验船模的舷侧开口区域进行取形，得到其三维曲面形状，并制成三维曲面板焊接至舷侧固定件外侧周围，以贴合舷侧实际曲面，该方法适用于船艏、船舯、船艉任意舷侧的结构替换，大大增加了船模碰撞试验工况的适用性。

21、4、本发明中的舷侧替换装置能保证船模碰撞试验的水密性：在碰撞试验开始前，对舷侧开口的壁板连接处使用速干防水胶进行密封，保证进行船模碰撞试验时，水不会进入舷侧开口的壁板内侧，同时对已经装入装配盒内的可替换结构进行涂抹防水胶处理；在碰撞实验开始时，对装入舷侧固定件中的装配盒进行再次涂胶处理，极大的保证了船模碰撞试验过程的水密性。

22、5、本发明中的舷侧替换装置能实现一船多用、可同时开展不同部位的碰撞试验，并可推广到船舶搁浅、砰击等模型试验中：在碰撞试验开始前，可将本舷侧替换装置安装至碰撞试验船模的艏、舯、艉等多个舷侧区域，同时进行多次不同部位的碰撞试验，并可将该装置原理运用至船舶搁浅、船舶砰击的模型试验之中。