船模横摇试验说明 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 …

　　船舶在海上风浪中的横摇运动,对船舶的安全及使用性能有很大的影响。由于剧烈的横摇可能会引起船舱内货物的移动,造成船舶倾复。横摇运动还会降低船舶的动稳性储备,增加在风浪中的倾复的危险。此外,横摇还会使海上工作船舶,以及渔船等工作条件恶化,甚至无法工作。因此在设计阶段判断估计船在风浪中的摇摆情况,作为设计的参考是很重要的。船模横摇试验是估计船舶在风浪中横摇情况的一种很好的方法。

　　1,船模静水横摇试验,这是一种间接的方法。即根据船模在静水中的自由摇摆情况,主要是自摇周期及摇幅的衰减情况,求出一些决定船舶在波浪上摇摆幅度的参数,根据这些参数可以大致估计船舶在波浪上摇摆的情况。

　　静水横摇试验的方法是,将船模按要求调整好以后,横放在池中,给于一初始倾角,一般大于200,然后放开,应用装在船模内的自动记录装置,记录下摇摆的情况,记录装置一般是陀螺仪,也可以采用其他机械式装置,但装置本身的摩擦,阻尼必须很小,以免影响船模的运动情况造成误差,我们实验室是采用TC,6型航空陀螺仪,通过计算机采集记录,记录下的横摇曲线,图中曲线表示摇摆角度随时间

　　的变化,可以看出此时船舶是作一等周期ϕ的摇摆运动,并且其摇幅逐渐减少,摇摆周期ϕ称为船模的

　　静水自由摇摆周期。由摇摆理论知,船模自摇周期与船模的排水量D,初稳性高度h,及横摇惯性矩A,附加惯性矩距ΔA有关,可用下式计算,

　　由于船模的排水量D,惯性距A以及初稳性高在试验时皆为已知,故上式可以用来计算附加惯性矩Δ

　　船模横摇的摇幅衰减情况可以这样来表示,将相邻的两个摇幅依次相减,求出每次摆动中的衰减角

　　将对应的m及k绘座标纸上,横座标m,纵座标为k,得到如图2的横摇消灭曲线。这一曲线代

　　表摇幅衰减的情况,摇幅的衰减情况也表示了阻尼的情况。船模横摇时阻尼力越大,相应的其衰减也越快,

　　对应某一平均摇幅m衰减角1k也越大。消灭曲线的形状,随船模情况变化而变化,

　　其中(a)b为系数,可以用最小二乘方的办法与实验点最好的拟合的办法来确定,如船模的横摇阻尼力矩也可以相应的用横摇角速度的关系式来表示,即,

　　求得自摆周期ϕ,以及相应的阻尼系数R。W,根据船舶摇摆理论可以计算船模在波浪上的摇摆情况。

　　如果船的横摇幅值很小,确论阻尼和角速度成线性关系,则可以直接应用线性横摇的理论结果,计算出它的无因次衰减阻尼系数µmϕ∆1或21nk=

　　若干模型试验资料表明,在线性范围内,无舭龙骨的船(0535)有舭龙骨船,

　　可以看到,这一办法很简便,即使在没有正规试验设备条件下,也可以做到,并且还可以测试出不同摇幅时的阻尼情况,所以对研究船模横摇运动是很重要的。但由于,它是在静水中进行的,对于船与波浪间的一些相互作用则不能包含,所以是有一定局限性的。

　　2,船模波浪中横摇试验,也就是直接测量船模在横对某一规则波时的摇幅。这一试验方法比较直接,包含的因素全面,也较可靠。但是,由于横摇的情况与波浪的大小,有直接的关系,所以这一种试验方法,工作量大,要求试验设备条件也比静水横摇要求高。

　　试验的方法是将船模横置于水池中,两端用细绳连接于池壁上,然后按一定的方案,在水池内产生一系列不同波长,周期,的规则波,造波的范围必须包含船模自摇周期,。用装于船模内的陀螺仪,测量出

　　船模在每一规则波上的摇摆幅度,同时根据造波机频率和冲程计算出波倾角0,算出相应于这一波浪周

　　期的横摇放大因数0α,最后,对不同的波浪频率绘成放大因数0α曲线。从图中可以看到,

　　放大因数0α一般呈一尖峰形,峰点在船模自摇周期附近,这就是所谓的共振现象,对船模横摇来说是

　　十分重要的。阻尼系数越小,则共振的峰值越高,由于横摇的共振现象特征显著,曲线在共振点附近变化

　　很大。所以试验时在共振点附近必须特别注意,不然可能会得出不正确的结论。图中,s为实船波浪频

　　船模试验前必须首先对试验船模进行准备,将船模的压载调整至所需要的状态。进行摇摆试验的船模,除与快速性试验一样,必须保持几何相似以外,由于摇摆运动不是匀速运动,因此还必须保证其惯性矩,重心高度等相似,即,

　　此外,为保证试验时流体动力部分相似,Froude数相等,,要求船模与实船的摇摆周期保持如下关系。

　　1,重心的调整,对船模重心高度的调整,可以利用倾斜试验的原理,将船模利用刀口刀架悬于空中,如图4。

　　在船模内横向水平移动一重量P,移动距离X,此时船模将发生一倾斜角θ,可以看出,

　　利用这一关系,由测量得到的倾斜角θ,即可求出重心位置。为了测量方便起见,在支点O以上高度l处,水平放一标尺,沿船横纵向剖面装一轻质的长指针则

　　利用此一关系式,可以预先根据要求的重心位置OG算出相应的y值调整船模压载,使y值符合即可,

　　2,惯性矩的调整,惯性矩的调整同样利用上面的悬挂于空气中的刀口刀架。根据复摆公式,船

　　由于排水量,重心位置皆为已知,故测出摆动周期0即可解出相应的,船模对刀口的惯性矩0,再

　　具体进行时可预先根据要求,利用以上关系算出0,再求出相应要求的0,调整压载使0符合,即

　　在安装刀口刀架系统时,应注意,刀架必须安装在纵中剖面内,并与试验时要求的横摇旋转轴平行。

　　还应注意,试验中装于船模内的记录装置,如陀螺仪等,应在调整前全部装上,参加调整。模型还应注意防止试验中水溅入船模中,预先加高舷墙,或其他放水装置。

　　静水横摇试验结果的分析整理,静水横摇试验的结果是计算机记录下的摇幅随时间的衰减曲线。根据记录曲线上的时标, 以及相邻的峰值间的距离,可以测量出自由摇摆周期。计算时尽可能多取几个周期平均, 以提高精确度。

　　由于在试验中一般确定零线比较困难,所以在计算中采用近似的方法, 即量取全摇幅 K 然后依次相

　　波浪中试验结果,首先由计算机采集记录曲线上量出波浪中横摇幅值,并依照记录的静校系数,换算

　　2 m 。 同时根据造波周期P ,依据冲程算出波浪的倾角 0 ,计算出放大因数