船舶裝載對(duì)初穩(wěn)度影響的實(shí)驗(yàn)研究

船舶裝載對(duì)初穩(wěn)度影響的實(shí)驗(yàn)研究

0實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析比較的課程、實(shí)如果可以為學(xué)生提供一個(gè)簡(jiǎn)單的平臺(tái)，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)際開(kāi)始完成船模型實(shí)驗(yàn)，感受負(fù)荷類(lèi)型和負(fù)荷變化對(duì)船穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算分析重要內(nèi)容。這對(duì)提高學(xué)生的分析和理解要點(diǎn)非常有用。船舶裝載對(duì)初穩(wěn)性影響的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型提供了這樣的平臺(tái)。該模型采用了不銹鋼材質(zhì),包括船模、水槽、砝碼、配重載荷等部分,平臺(tái)具有簡(jiǎn)潔輕便、可靠耐用、功能全面的特點(diǎn),能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生生動(dòng)的理解相關(guān)問(wèn)題。1模型實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)1.1試驗(yàn)裝置的基本條件運(yùn)用船模開(kāi)展“船舶裝載對(duì)初穩(wěn)性影響的實(shí)驗(yàn)教學(xué)”關(guān)鍵在于讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證掌握載荷種類(lèi)不同、位置不同對(duì)船舶穩(wěn)性的影響效果。本實(shí)驗(yàn)裝置具備了開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)的基本條件,驗(yàn)證船模穩(wěn)性影響可以通過(guò)船模的橫搖周期來(lái)判定。通過(guò)測(cè)定船模的橫搖周期,運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船模當(dāng)前的初穩(wěn)度。1.2橫向靜水阻尼特性船模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論基礎(chǔ)在于判定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陟o水阻尼作用下,橫搖周期的穩(wěn)定性問(wèn)題。也就是說(shuō),船模初穩(wěn)度可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,關(guān)鍵在于橫搖過(guò)程中橫搖周期不隨船模橫搖擺幅而變化。根據(jù)船舶靜力學(xué)的相關(guān)理論,其橫搖運(yùn)動(dòng)在數(shù)學(xué)上可近似的描述為齊次二階常微分方程。船模小幅自由橫搖時(shí),可以認(rèn)為橫搖阻尼為線(xiàn)性規(guī)律,橫搖運(yùn)動(dòng)方程為:式中:Jφφ為橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩(kg·m2);ΔJφφ為附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩(kg·m2);Nφφ為橫搖阻尼;D為排水量(m3);h為橫穩(wěn)度(m)。取橫搖衰減系數(shù),式(1)可改寫(xiě)為:式中,為船模的固有頻率。利用初始條件φ|=φ0,,得:取,對(duì)式(3)進(jìn)行三角變換,則有:此時(shí),在靜水阻尼的作用下,船模的橫搖周期可表示為:對(duì)于一般的單體船,,因此Tφ1≈Tφ,也就是說(shuō),靜水阻尼的影響對(duì)于開(kāi)展船模實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響甚微。船模的橫搖周期與穩(wěn)性的量化關(guān)系與船模的固有振動(dòng)頻率有關(guān):由式(6)可得經(jīng)驗(yàn)公式:式中:c是船型系數(shù),一般船舶通常為0.37~0.45,對(duì)于矩形實(shí)驗(yàn)船體模型,c取值為0.5;B是船體的寬度。因此,運(yùn)用橫搖周期判定船模的初穩(wěn)度,并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置,研究船舶裝載對(duì)初穩(wěn)性的影響問(wèn)題是可行的。2實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型的設(shè)計(jì)2.1教學(xué)過(guò)程中的橫穩(wěn)性理解船舶裝載對(duì)初穩(wěn)性的影響與載荷的種類(lèi)有關(guān),載荷的位置變化會(huì)對(duì)船舶初穩(wěn)性帶來(lái)影響,而固體載荷與液體載荷對(duì)船舶初穩(wěn)性的影響亦不相同,在理論上移動(dòng)和裝卸固體載荷時(shí),考慮到船舶縱穩(wěn)度遠(yuǎn)大于橫穩(wěn)度,橫穩(wěn)度的變化則是關(guān)系船舶安全的主要衡量指標(biāo),教學(xué)過(guò)程中重點(diǎn)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)橫穩(wěn)性的理解;導(dǎo)移和裝卸液體載荷時(shí),液體載荷對(duì)船舶初穩(wěn)性的影響除了等量的固體載荷的影響外,還存在著自由液面的影響。這些理論問(wèn)題衍生出“載荷重心位置變化的幅度與穩(wěn)性的關(guān)系如何”,“中性面的位置究竟在哪里”,“自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響結(jié)果究竟有多大”等一系列需要“證實(shí)”的問(wèn)題,學(xué)生初次接觸此類(lèi)問(wèn)題時(shí),對(duì)于上述內(nèi)容的理解存在著實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)習(xí)的剛性需求。表1中列出了本實(shí)驗(yàn)教具開(kāi)展驗(yàn)證的有關(guān)船舶靜力學(xué)中船舶裝載和載荷變動(dòng)的相關(guān)理論問(wèn)題與計(jì)算方法。2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型對(duì)于船舶而言,穩(wěn)性是重要的安全性指標(biāo),在船體上沒(méi)有一個(gè)具體的刻度來(lái)標(biāo)志它的大小,但它確是客觀存在的,穩(wěn)度的降低會(huì)影響船舶的航行安全。船舶裝載對(duì)初穩(wěn)性影響的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型主要用于學(xué)員掌握2.1章節(jié)中所涉及的理論問(wèn)題,其結(jié)果是與穩(wěn)度變化Δh有關(guān)的量。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型能夠在功能上滿(mǎn)足以下實(shí)驗(yàn)保障條件:(1)移動(dòng)固體載荷對(duì)船舶穩(wěn)性影響的驗(yàn)證;(2)裝卸固體載荷對(duì)船舶穩(wěn)性影響的驗(yàn)證;(3)裝卸相同質(zhì)量的固體載荷和液體對(duì)船舶穩(wěn)性影響之比較;(4)裝載相同質(zhì)量的液體載荷時(shí),自由液面面積不同對(duì)船舶穩(wěn)性影響之比較。2.3模型主體結(jié)構(gòu)根據(jù)上述功能需求,考慮到模擬船體一般性原理結(jié)構(gòu),模型模擬了船舶的艙段結(jié)構(gòu),采用方艙體構(gòu)造,使用201不銹鋼板材焊接制成。分為7個(gè)分體,包括主船體模型、2個(gè)大艙模型和4個(gè)小艙模型。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殚L(zhǎng)60cm,寬12cm,型深10cm,在船模中部距離艙底3cm處和船模中部距基線(xiàn)12cm處各設(shè)置載物平臺(tái)1個(gè),平臺(tái)中心安裝固定桿,240g砝碼作為重物可在平臺(tái)和液艙間移動(dòng)。船模兩端距離基線(xiàn)7cm高度各設(shè)置平臺(tái)1個(gè),可實(shí)現(xiàn)12cm×20cm×3cm液艙和2個(gè)6cm×20cm×3cm液艙輪換布置,用于模擬不同大小的自由液面。材料密度約為7850kg/m3,板厚1.5mm,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒鸺庸ず?結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.4計(jì)算結(jié)果的計(jì)算理論計(jì)算過(guò)程中,計(jì)算船模初穩(wěn)性通過(guò)下式完成。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹亓?、浮心、重心、橫穩(wěn)定中心半徑、初穩(wěn)度等基本參數(shù)需進(jìn)行計(jì)算,由于該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托螒B(tài)規(guī)則,因此不難準(zhǔn)確計(jì)算上述模型的參數(shù),且計(jì)算結(jié)果可作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展典型工況模擬的理論數(shù)據(jù)。根據(jù)船模的物理特性以及合力距定理,在典型實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下,船模的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算采用如下表2所示方法完成,考慮到計(jì)算方法的通用性,表2中僅列出了空船狀態(tài)下船模參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,其他典型狀態(tài)不做贅述。3載荷變動(dòng)與船舶穩(wěn)防關(guān)系運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué),目的在于加深學(xué)生對(duì)載荷變動(dòng)與船舶穩(wěn)性關(guān)系之間的理解。通過(guò)實(shí)際動(dòng)手完成載荷變動(dòng)實(shí)驗(yàn),計(jì)算模型的穩(wěn)度變化情況,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,模型的穩(wěn)度通過(guò)式(7)的方法計(jì)算。3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較空船無(wú)液艙狀態(tài)下船模的穩(wěn)度為1.30cm,此時(shí)在船模頂部平臺(tái)上加載240g砝碼后,此時(shí)的船模的穩(wěn)性理論結(jié)果為0.67cm。實(shí)驗(yàn)視頻剪輯后可知船模的橫搖周期約為1.52s,經(jīng)式(7)計(jì)算后,實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為0.62cm。當(dāng)載荷移動(dòng)到船中平臺(tái)上,此時(shí)理論計(jì)算結(jié)果為1.24cm,實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果為1.19cm。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算與理論分析的結(jié)果比較,在移動(dòng)載荷的實(shí)驗(yàn)條件下,理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果誤差在3.22%~7.46%,這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以滿(mǎn)足課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件的。由于船模船中平臺(tái)所在位置在水線(xiàn)面附近,這一結(jié)果同樣可以幫助學(xué)生驗(yàn)證“中性面”這一理論問(wèn)題,也就是說(shuō)在中性面上增減載荷對(duì)船舶的穩(wěn)性影響較小。圖3和圖4分別是載荷變動(dòng)前后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程截圖。3.2理論分析結(jié)果為了驗(yàn)證等質(zhì)量的固體載荷和液體載荷對(duì)船模初穩(wěn)度的影響,實(shí)驗(yàn)中在空船頂部平臺(tái)布置了大液艙,大液艙中部,底面形心位置安裝固定金屬桿一枚,砝碼可固定在金屬桿上(如圖3所示)。船模的初穩(wěn)度實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行,第一次通過(guò)燒杯向大液艙內(nèi)注入240mL水,第二次倒掉液艙內(nèi)水,在大液艙內(nèi)的固定桿上安裝240g砝碼,分別進(jìn)行橫搖周期測(cè)試。當(dāng)大液艙內(nèi)加水后,此時(shí)的船模的穩(wěn)性理論結(jié)果為0.30cm。實(shí)驗(yàn)視頻剪輯后可知船模的橫搖周期約為2.36s,實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為0.26cm。當(dāng)載荷變化為等質(zhì)量的砝碼后,此時(shí)理論計(jì)算結(jié)果為0.77cm,實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果為0.69cm。理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果誤差在10.38%~13.33%,這一結(jié)果基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的需求。圖5和圖6分別是載荷變動(dòng)前后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程截圖。3.3未加液體載荷條件下的船模穩(wěn)性控制為了驗(yàn)證自由液面對(duì)船舶初穩(wěn)度的影響作用,實(shí)驗(yàn)設(shè)置了代換液艙,用于驗(yàn)證改變自由液面面積對(duì)船舶初穩(wěn)度的影響。實(shí)驗(yàn)中,用兩個(gè)小液艙對(duì)船模的大液艙進(jìn)行替換,小液艙總?cè)莘e近似等于大液艙的容積。由于在高處增加了液艙隔板,增大的載荷總重量約為71g,高處加載后對(duì)船模穩(wěn)性影響非常劇烈,替換后需要對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行穩(wěn)度修正,使得此時(shí)未加液體載荷條件下的船模初穩(wěn)度與船模中安裝大液艙情況下的初穩(wěn)度相近,采用的方法是在底部加裝壓載鐵板。當(dāng)兩個(gè)小液艙內(nèi)各加水120mL并穩(wěn)定平衡后,此時(shí)的船模的穩(wěn)性理論結(jié)果為0.66cm。實(shí)驗(yàn)視頻剪輯后可知船模的橫搖周期約為1.55s,實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為0.60cm。理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果誤差約為9.09%,這一結(jié)果可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的需求,而且通過(guò)與3.2中大自由液面的穩(wěn)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,能夠較好地驗(yàn)證減小自由液面的寬度,并進(jìn)行分割,可以有效地提高船舶初穩(wěn)度這一結(jié)果。圖7是液艙變動(dòng)后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程截圖。4具有很好的定性分析能力,可用于高組學(xué)模型的測(cè)定本裝置在開(kāi)展船舶裝載對(duì)初穩(wěn)性影響的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中具有操作簡(jiǎn)便,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果清晰的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)性能分析,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于裝卸載荷、移動(dòng)載荷的模擬實(shí)驗(yàn)精度較高,一般可達(dá)到5%以?xún)?nèi),可用于學(xué)生基于船模結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于液體載荷自由液面的影響分析