[发明专利]可控速度和角度的船舶碰撞实验装置及方法

权利要求书

1.一种可控速度和角度的船舶碰撞实验装置，其特征在于：它包括环形船池、在船池中的碰撞船模、被撞船模和角度牵引装置；其中，

碰撞船模上设有用于按照实验要求控制船速的控制单元，以及用于受控制单元控制驱动碰撞船模向被撞船模行驶的动力机构；

被撞船模上设有用于采集碰撞时的撞击力的压力测试系统，用于采集碰撞船模与被撞船模之间距离的测距系统，在碰撞船模与被撞船模之间的环形船池中设有用于采集碰撞船模速度的测速系统；

角度牵引装置包括牵引杆、移动轨道和牵引杆调节机构；牵引杆与被撞船模可控连接；牵引杆调节机构与牵引杆的后端连接，用于通过调节牵引杆的长度来调整被撞船模的角度；移动轨道与牵引杆调节机构连接，用于保证牵引杆与环形船池的池壁相互垂直，且在被撞船模与碰撞船模碰撞时，在牵引杆与被撞船模脱离连接后将牵引杆回收。

2.根据权利要求1所述的可控速度和角度的船舶碰撞实验装置，其特征在于：所述的实验要求为：碰撞船模在环形船池中做圆周运动，控制碰撞船模加速至预设的碰撞速度后，牵引杆与被撞船模脱离连接并被收回至池壁，碰撞船模匀速撞向被撞船模；当碰撞船模无法达到预设的碰撞速度时，关闭碰撞船模的动力机构。

3.根据权利要求1所述的可控速度和角度的船舶碰撞实验装置，其特征在于：所述的牵引杆与被撞船模磁性连接。

4.根据权利要求1所述的可控速度和角度的船舶碰撞实验装置，其特征在于：所述的牵引杆为至少2个，每个对应一个所述的牵引杆调节机构；所述的牵引杆调节机构包括液压缸、活塞、液压泵和电动机；所述的牵引杆与活塞连接，电动机带动液压泵从油箱吸油到液压缸或从液压缸回到油箱，推动活塞带动牵引杆前移或后退；通过至少2个牵引杆前移或后退不同的距离，从而调整被撞船模的角度。

5.根据权利要求4所述的可控速度和角度的船舶碰撞实验装置，其特征在于：所述的移动轨道末端与所述的液压缸的外壁固定连接，移动轨道与所述的牵引杆相互垂直。

6.利用权利要求1所述的可控速度和角度的船舶碰撞实验装置实现的船舶碰撞实验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将实验装置的各个部分都安装到位；

S2、调试角度牵引装置，将被撞船模调整到预定角度和位置；所述的预定角度为被撞船模预计与碰撞船模碰撞的角度，根据实验目的进行设置；

S3、将碰撞船模加速至预定速度，所述的预定速度根据实验目的进行设置；

S4、经设置在被撞船模前一定距离的测速系统测速，达到预定速度时，使碰撞船模维持匀速圆周运动，直至碰撞完成；若碰撞船模实际速度超过误差范围，通过角度牵引装置的移动轨道移动被撞船模的位置，使其脱离碰撞船模运动轨迹，关闭碰撞船模的动力机构，使得碰撞船模做减速圆周运动，避免碰撞；

S5、经设置在被撞船模前一定距离的测距系统测距，当被撞船模与碰撞船模之间的距离到达预设距离时，牵引杆与被撞船模脱离，移动轨道将牵引杆收回，启动压力测试系统；

S6、碰撞船模以一定的速度与被撞船模完成碰撞，压力测试系统实时采集撞击力。

7.根据权利要求6所述的船舶碰撞实验方法，其特征在于：本方法还包括S7、根据压力测试系统采集的撞击力、和当时碰撞船模和被撞船模的速度信息，计算该实验条件下的碰撞参数，对被撞船模碰撞影响评估。

8.根据权利要求7所述的船舶碰撞实验方法，其特征在于：所述的压力测试系统包括瞬态压力测试系统和稳态压力测试系统，分别用于测量碰撞瞬间及稳态下的压力；

所述的S7具体包括：将船舶碰撞视为完全非弹性碰撞，即动能损失和变形造成的结构损失；设定实验n∈l_n，碰撞后碰撞船模表面变形程度S_1n，碰撞后被撞船模表面变形程度S_2n，碰撞船模碰撞前后船速V_1n、V_2n，被撞船模撞后速度R_n，碰撞中水的影响用一个附连水质量d_m表示，速度为U；

其中n表示第n次碰撞实验，l_n表示第n次实验的类型，W_n表示第n次实验的动能变化，m_1n、m_2n表示第n次实验的碰撞船模和被撞船模的质量；

动能指标V_1n、V_2n、R_n为碰撞的全部碰撞对动能变化的影响代码；每艘参与碰撞的船模承担相应两个动能指标；

根据所选定的特定实验n及动能指标开始现场测试，测量碰撞船模碰撞前后船速V_1n、V_2n，被撞船模撞后速度R_n；压力测试系统测量碰撞瞬间及稳态下的压力F，绘制F-t曲线，碰撞后由动量守恒定理：

m_1n*V_1nsinT₁＝m_1n*V_2nsinT₂+m_2n*R_nsinT₃+dmU

式中，T₁、T₂分别为第n次碰撞试验前后碰撞船模与运动方向的夹角，T₃为第n次碰撞试验后被撞船模与运动方向的夹角；

进而由能量守恒定理求得碰撞过程中的动能损失W_n：

W_n＝m_1n*V_1n²-m_1n*V_2n²-m_2n*R_n²-dmU²

动能损失W_n部分转化为结构的变形能，由结构的损失来承担，部分转化为结构的变形能，由船模表面承担；

对特定实验n的各参数和现场测试中采集的数据进行处理，得到评估结果：船模的表面损失Plasticdeformation_n为：

Plasticdeformation_n＝∑I*ln(1+∑S_in),i＝1,2

其中∑I＝ft，I为撞击力对船模作用一段时间的积累效应的物理量，碰撞后碰撞船模表面变形程度S_1n，碰撞后被撞船模表面变形程度S_2n；船模的表面损失包括被撞船模和碰撞船模的表面损失；

实验n的船舶碰撞程度Collision_n为：

设船模的表面损失Plasticdeformation_n达到预定阈值A时，船舶碰撞程度Collision_n若均值位于区间[β,β+θ]，则认为第n次实验中，对被撞船模的影响程度较小；若均值位于区间则认为第n次实验中，对被撞船模影响程度较大；反之均值大于则认为第n次实验中，对被撞船模的影响程度过大；其中θ、是两个预先指定的与船模的表面损失Plasticdeformation_n相关的区间宽度变量。