[发明专利]一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置及模拟方法

说明书

本发明公开了一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，包括水箱，水箱内设有可升降的支撑架，支撑架上放置冰体模型，水箱内放置有船模，在水箱上设有导轨，导轨上设有拖带装置，拖带装置通过拖带桁架与船模连接，在船舶的顶端设有压力传感器，压力传感器依次与电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机连接；通过拖带装置的移动带动船舶碰撞冰体模型，从而通过压力传感器采集碰撞数据。本发明在不使用冰材料的前提下，能够开展不同冰体形状、冰体质量、撞击速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的高压力载荷，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。

技术领域

本发明涉及水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置及模拟方法，属于船舶领域。

背景技术

随着我国经济建设的高速发展，海洋经济已经成为国民经济的新增长点，北极开发及北极航道的开辟不仅为我国新的战略提供新的保障，而且缩短了航运时间，但是随着海洋开发的大规模开展，影响海上结构物安全和操作的海冰灾害问题、海冰与结构物相互作用问题日益突出。在极地区域行驶的船舶不可避免的与冰体发生碰撞，船冰碰撞本身是一个复杂的非线性过程，在水介质中研究船冰碰撞又增加一层难度。目前的研究通常是将水介质作为附加质量施加于船体上来考虑水的作用，而忽略掉水介质在船-冰碰撞过程中水压变化的影响。在船冰接触碰撞过程中产生的瞬间的强冲击力，固然是研究船-冰碰撞最为值得关注的载荷，事实上，在船冰接触之前的船-冰近场逼近过程中，船冰之间的水由于受到船冰之间的挤压而预先产生一个高压力场也是不可忽略的重要因素，该压力场在船体结构上产生了一个瞬时高压力载荷，当以船-冰接触时的速度为计算原点，忽略该压力场对船体是偏于危险的。也有一部分学者通过流固耦合来考虑水的作用，虽然现代计算机软硬件不断升级，流固耦合法由于采用有限体积法处理流体单元，需要花费大量的计算时间，其计算时间约为非流固合法的几倍。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种替代船冰碰撞过程中水影响的压力测试装置，实时监测船与冰碰撞之前全过程船体碰撞区域的水压力载荷，并对数值仿真进行验证，实现由船-水-冰三者全耦合而产生的水介质对船冰碰撞载荷的影响转化为对船体碰撞面预加载荷，达到解耦目的，同时能够在不使用冰材料的前提下，能够开展不同冰体形状、冰体质量、撞击速度、撞击位置、船模浮态以及撞击角度的高压力载荷，较好反映船与冰撞击的真实情况，成本低、易操作、风险小。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置，包括水箱，水箱内设有可升降的支撑架，支撑架上放置冰体模型，水箱内放置有船模，在水箱上设有导轨，导轨上设有拖带装置，拖带装置通过拖带桁架与船模连接，在船舶的顶端设有压力传感器，压力传感器依次与电荷放大器、多通道信号采集仪和计算机连接；通过拖带装置的移动带动船舶碰撞冰体模型，从而通过压力传感器采集碰撞数据。

作为优选，所述船模上设有保护装置，保护装置为L型件，一端固定在拖带桁架上，另一端位于船首前侧。

作为优选，所述水箱内还设有打捞装置，打捞装置包含泡沫和细绳，泡沫通过细绳与冰块模型连接。

作为优选，所述压力传感器安装在船模的外板撞击周围的预留小孔中，并用玻璃胶固定密封。

作为优选，所述冰体模型的非撞击面都设有开孔。

作为优选，所述支撑架由固定框架、支撑平台和升降杆组成，固定框架宽度大于船模宽度，高度低于拖车，框架两侧配有螺母，升降杆为带有螺纹的钢棒。

一种上述的水介质中船冰碰撞简化计算模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

1)将支撑架放于水池中间位置，然后将冰体模型放置到支撑架上，调整支撑架承载面距水池底壁的距离，确保冰体80％淹没在水面以下，最后在支撑架承载面上调整冰体模型，确定撞击角度与撞击位置；

2)将船模放入预装位置，调整其吃水，拖带桁架将船模固定和拖车固定；