一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及试验方法，涉及碰撞试验技术领域。本发明专利技术的装置包括模拟极地低温池、极地浮冰制备系统、辅助连接机构、碰撞试验模拟控制系统；方法包括：S01、填充制冰海水；S02、制冰；S03、形成浮冰冰面图纹；S04、构建碰撞模拟环境；S05、碰撞模拟试验；S06、直观展示碰撞模型。本发明专利技术极大化的模拟北极浮冰的真实情况以及极地破冰船的航行环境和船冰碰撞效果和现象，保证船冰碰撞试验的极大化的接近真实性和有效性具有精准度、真实性和实用性高，可重复试验的优点。

A characteristic ice resistance test device and test method for simulating ice collision of polar vessels

【技术实现步骤摘要】
一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及试验方法
本专利技术属于碰撞试验
，特别是涉及一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及以及一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验方法。
技术介绍
随着全球气候变化，北极冰盖的逐年融化，北极航线的商业价值逐步体现，其战略意义也不容忽视，并且北极地区资源的逐步开发利用，给适合在低温多冰条件下航行的冰区运输船舶、冰区海洋工程船舶带来前所未有的发展机遇，海洋经济已经成为国民经济的新增长点。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-冰碰撞过程中浮冰的形状、密度、底部厚度和形状结构的影响。冰区航行的船舶受到的冰载荷复杂多变，既有与一块冰发生碰撞的单冰载荷工况，也有与两个冰块发生碰撞的双冰载荷工况，现有的冰区包括全块的浮冰、碎冰和冰脊，不同特征的浮冰所产生阻力特征也是不一样的，若要进行航道行驶，需要进行船冰碰撞进行破冰。因此，在开展详细设计前及制造前，对于最大化的模拟极地浮冰环境条件，选取特定的船体模型进行船冰碰撞模拟试验，以获取临界破冰所需的船体结构强度和推理数据，减小实际中的航行船冰碰撞风险，因此针对以上问题提供一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及试验方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及试验方法，解决了以上问题。为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术的一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置，包括：模拟极地低温池：用于展现等比例缩小的极地浮冰效果，搭载用于记录破冰所需临界动力值的测量机构，以及用于实时监控船冰碰撞过程中的船体与浮冰结构状态的图像数据采集机构，来模拟极地环境下船冰碰撞试验，直观地展现并记录模型船与表面不同特征浮冰的碰撞试验情况与结果；极地浮冰制备系统：包括PLC控制柜、制冰机构、浮冰表面图纹生成机构、制备原料供应机构，用于在模拟极地低温池制造等比例缩小的极地浮冰效果；所述PLC控制柜用于对制冰系统进行制冰功率控制，制造浮冰碰撞试验所需要的冰，所述PLC控制柜内部建立有可被雕刻机空间加工的三维模型和对应的浮冰环境数据模型；辅助连接机构：用于支撑模拟极地低温池、PLC控制柜、极地浮冰制备系统，实现模拟极地低温池与极地浮冰制备系统的之间的位置平顺过渡，完成模拟极地低温池的浮冰由制造至测试工位的位移；碰撞试验模拟控制系统：用于根据试验模拟极地地区的浮冰的硬度和厚度信息，以及加载于模拟极地低温池内的模型船的结构和材料特征，精准控制测量机构与模型船的牵引配合产生动力输出，以及图像数据采集机构实时采集的碰撞过程中船冰碰撞图像数据后，建立由试验模拟极地地区浮冰的硬度和厚度信息以及加载于模拟极地低温池内的模型船的结构和材料特征相结合的由船冰碰撞图像数据形成的模拟碰撞模型。进一步地，所述模拟极地低温池一内侧部连通安装有电磁阀的进出水管，另一侧部开设有一缺口并与容纳模型船的船体水池上的缺口相对应且通过侧部设置橡胶压条相连接形成注水后的通路；所述船体水池的侧部连接有安装电磁阀的水管，所述模型船初始状态下由船体水池经缺口形成的通路驶入模拟极地低温池进行碰撞试验；所述测量机构包括拽曳拉力传感器以及分别转动安装于模拟极地低温池端部和船体水池端部两侧的第一转辊和第二转辊，所述第一转辊和第二转辊上分别通过第一位置调节限位环和第二位置调节限位环安装有定滑轮和卷轮，所述模型船通过刚性绳经拽曳拉力传感器后与定滑轮相连并上卷绕回转至卷轮进行传动相连，所述第二转辊端部安装有减速器的电机总成提供衡定力且稳定的拉力输出，使模型船在需要的横向位置角度进行浮冰的定速碰撞试验；所述图像数据采集机构包括设置于支撑柱顶端的第一平行滑轨以及滑移配合的倒“凵”形滑移架，所述倒“凵”形滑移架上滑动配合有通过光电传感器与模型船位置实时追踪进行图形采集的安装有前摄像头和侧摄像头的第一承载滑块，分别对模型船与浮冰的前部和侧部碰撞位置图像实时采集和记录；所述船体水池与第一转辊相对的侧部设置有横向位置可调节的与模型船尾部正对的距离测量模块。进一步地，所述制冰机构浮冰表面图纹生成机构包括安装于第一平行滑轨的侧部，包括与第一平行滑轨形状和结构一致的第二平行滑轨，滑动配合于第二平行滑轨上的横向滑移架，滑动配合于横向滑移架上的第二承载滑块、安装于第二承载滑块上的由电缸控制的可升降的电动雕刻刀或激光器，根据浮冰冰面图纹数据对生成的平整冰雕刻或切割成等比例缩小的碎冰或冰脊；所述制备原料供应机构包括安装有高精度水泵和电磁阀的装载有定浓度的海水存储桶，所述海水存储桶内海水进入至船体水池和模拟极地低温池内，使模拟极地低温池内的水面高度满足极地浮冰底部深度结构的厚度后进入制冰机构进行制冰；所述制冰机构包括设置于第二平行滑轨侧部的倒“凵”形支撑架，安装于倒“凵”形支撑架上的升降机构，安装于升降机构底端的装载有冷凝器管的承载板，安装于外侧部的与冷凝器管相连的压缩机组件和蒸发器组件，对模拟极地低温池内的混合水按照浮冰硬度数据要求进行制冰。进一步地，所述辅助连接机构采用第三平行滑轨，所述第三平行滑轨横向连接于支撑柱、第二平行滑轨、倒“凵”形支撑架的内侧壁之间，使模拟极地低温池平顺的于第三平行滑轨横向连接于支撑柱、第二平行滑轨、倒“凵”形支撑架的内侧壁之间精准且平顺地移动。进一步地，所述碰撞试验模拟控制系统包括存储浮冰冰面图纹数据、浮冰硬度数据、浮冰厚度数据的存储数据库，控制电机总成的电机控制模块，获取前摄像头与侧摄像头采集的图像数据的碰撞图像数据输入模块，根据采集的图像数据以及浮冰空间结构数据进行三维建模的三维建模模块，经由三维建模模块建立的碰撞模型库，无线通讯相连获取拽曳拉力传感器上牵引力数据的牵引力监测模块，控制安装于船体水池外侧部的显示屏进行显示的显示控制模块，用于输入各项数据参数的进行查询模拟显示的输入模块；所述输入模块采用包括鼠标、键盘、USB插口的外设；所述存储数据库、电机控制模块、三维建模模块牵引力检测模块、显示控制模块输入模块分别连接处理模块。一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置及试验方法，包括如下步骤：S01、填充制冰海水：所述模拟极地低温池通过进出水管，连接海水存储桶通过控制水泵和电磁阀注入对应的深度浮冰所需的海水；S02、制冰：承载的所需浮冰海水的模拟极地低温池在辅助连接机构辅助下，于第三平行滑轨上滑动至倒“凵”形支撑架的侧部，通过承载板搭载冷凝器管进行冷凝形成平整冰；S03、形成浮冰冰面图纹：制备好浮冰的模拟极地低温池于滑移至第二平行滑轨的侧部，通过进行电动雕刻刀或激光器按照获取到的浮冰冰面图纹信息按照比例缩放雕刻成碎冰或冰脊；S04、构建碰撞模拟环境：形成浮冰冰面图纹的模拟极地低温池滑移至支撑柱的内侧模拟碰撞工位上，模拟极地低温池与船体水池通过缺口配合橡胶压紧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置，其特征在于，包括：/n模拟极地低温池(1)：用于展现等比例缩小的极地浮冰效果，搭载用于记录破冰所需临界动力值的测量机构，以及用于实时监控船冰碰撞过程中的船体与浮冰结构状态的图像数据采集机构，来模拟极地环境下船冰碰撞试验，直观地展现并记录模型船(111)与表面不同特征浮冰的碰撞试验情况与结果；/n极地浮冰制备系统：包括PLC控制柜(6)、制冰机构、浮冰表面图纹生成机构、制备原料供应机构，用于在模拟极地低温池(1)制造等比例缩小的极地浮冰效果；所述PLC控制柜(6)用于对制冰系统进行制冰功率控制，制造浮冰碰撞试验所需要的冰，所述PLC控制柜(6)内部建立有可被雕刻机空间加工的三维模型和对应的浮冰环境数据模型；/n辅助连接机构：用于支撑模拟极地低温池(1)、PLC控制柜(6)、极地浮冰制备系统，实现模拟极地低温池(1)与极地浮冰制备系统的之间的位置平顺过渡，完成模拟极地低温池(1)的浮冰由制造至测试工位的位移；/n碰撞试验模拟控制系统(112)：用于根据试验模拟极地地区的浮冰的硬度和厚度信息，以及加载于模拟极地低温池(1)内的模型船(11)的结构和材料特征，精准控制测量机构与模型船(11)的牵引配合产生动力输出，以及图像数据采集机构实时采集的碰撞过程中船冰碰撞图像数据后，建立由试验模拟极地地区浮冰的硬度和厚度信息以及加载于模拟极地低温池(1)内的模型船(11)的结构和材料特征相结合的由船冰碰撞图像数据形成的模拟碰撞模型。/n...

【技术特征摘要】
1.一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置，其特征在于，包括：
模拟极地低温池(1)：用于展现等比例缩小的极地浮冰效果，搭载用于记录破冰所需临界动力值的测量机构，以及用于实时监控船冰碰撞过程中的船体与浮冰结构状态的图像数据采集机构，来模拟极地环境下船冰碰撞试验，直观地展现并记录模型船(111)与表面不同特征浮冰的碰撞试验情况与结果；
极地浮冰制备系统：包括PLC控制柜(6)、制冰机构、浮冰表面图纹生成机构、制备原料供应机构，用于在模拟极地低温池(1)制造等比例缩小的极地浮冰效果；所述PLC控制柜(6)用于对制冰系统进行制冰功率控制，制造浮冰碰撞试验所需要的冰，所述PLC控制柜(6)内部建立有可被雕刻机空间加工的三维模型和对应的浮冰环境数据模型；
辅助连接机构：用于支撑模拟极地低温池(1)、PLC控制柜(6)、极地浮冰制备系统，实现模拟极地低温池(1)与极地浮冰制备系统的之间的位置平顺过渡，完成模拟极地低温池(1)的浮冰由制造至测试工位的位移；
碰撞试验模拟控制系统(112)：用于根据试验模拟极地地区的浮冰的硬度和厚度信息，以及加载于模拟极地低温池(1)内的模型船(11)的结构和材料特征，精准控制测量机构与模型船(11)的牵引配合产生动力输出，以及图像数据采集机构实时采集的碰撞过程中船冰碰撞图像数据后，建立由试验模拟极地地区浮冰的硬度和厚度信息以及加载于模拟极地低温池(1)内的模型船(11)的结构和材料特征相结合的由船冰碰撞图像数据形成的模拟碰撞模型。


2.根据权利要求1所述的一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置，其特征在于，所述模拟极地低温池(1)一内侧部连通安装有电磁阀的进出水管(113)，另一侧部开设有一缺口并与容纳模型船(111)的船体水池(2)上的缺口相对应且通过侧部设置橡胶压条相连接形成注水后的通路；所述船体水池(2)的侧部连接有安装电磁阀的水管(201)，所述模型船(111)初始状态下由船体水池(2)经缺口形成的通路驶入模拟极地低温池(1)进行碰撞试验；
所述测量机构包括拽曳拉力传感器(114)以及分别转动安装于模拟极地低温池(1)端部和船体水池(2)端部两侧的第一转辊(103)和第二转辊(202)，所述第一转辊(103)和第二转辊(202)上分别通过第一位置调节限位环(105)和第二位置调节限位环(2021)安装有定滑轮(104)和卷轮(2021)，所述模型船(111)通过刚性绳(106)经拽曳拉力传感器(114)后与定滑轮(104)相连并上卷绕回转至卷轮(2021)进行传动相连，所述第二转辊(202)端部安装有减速器的电机总成(205)提供衡定力且稳定的拉力输出，使模型船(111)在需要的横向位置角度进行浮冰的定速碰撞试验；
所述图像数据采集机构包括设置于支撑柱(8)顶端的第一平行滑轨(115)以及滑移配合的倒“凵”形滑移架(107)，所述倒“凵”形滑移架(107)上滑动配合有通过光电传感器与模型船(111)位置实时追踪进行图形采集的安装有前摄像头(110)和侧摄像头(109)的第一承载滑块(108)，分别对模型船(111)与浮冰的前部和侧部碰撞位置图像实时采集和记录；所述船体水池(2)与第一转辊(103)相对的侧部设置有横向位置可调节的与模型船(111)尾部正对的距离测量模块(204)。


3.根据权利要求1所述的一种模拟极地船冰碰撞的特征冰阻力试验装置，其特征在于，所述制冰机构浮冰表面图纹生成机构包括安装于第一平行滑轨(115)的侧部，包括与第一平行滑轨(115)形状和结构一致的第二平行滑轨(3)，滑动配合于第二平行滑轨(3)上的横向滑移架(301)，滑动配合于横向滑移架(301)上的第二承载滑块(302)、安装于第二承载滑块(302)上的由电缸控制的可升降的电动雕刻刀或激光器(304)，根据浮冰冰面图纹数据对生成的平整冰雕刻或切割成等比例缩小的碎冰或冰脊；
所述制备原料供应机构包括安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡冰，赫伟建，
申请(专利权)人：交通运输部水运科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11