本發(fā)明屬于船舶制造技術(shù)領域，具體涉及一種船舶實水域破冰試驗方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著全球氣溫逐漸變暖的趨勢，北極周邊地區(qū)的平整冰蓋面積以大約每年6％的速度逐漸減少，在不遠的將來極有可能出現(xiàn)夏季無冰的情況，極地通航并進行商業(yè)航行已經(jīng)成為可能，南北極資源勘探開采活動越來越活躍。同時，南北極的政治、軍事以及生物醫(yī)學價值也引起世界各國的關(guān)注，伴隨而來的是極地爭端的日益加重，多個國家先后制定相應的南北極戰(zhàn)略，提出主權(quán)要求。極地問題已經(jīng)成為環(huán)北極地區(qū)和其他強國之間博弈的重要方面。由于南北兩極具有重要的戰(zhàn)略地位且其生態(tài)環(huán)境的多變性、復雜性，人類在極地地區(qū)的活動必須依靠具有特殊性能的極地船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物。于是，由于南北極資源開發(fā)、商業(yè)航行、軍事戰(zhàn)略意義等多種因素的吸引，基于冰工程背景相關(guān)的研究受到世界各國越來越多的關(guān)注。
在冰區(qū)船舶阻力研究領域，通?？梢圆捎靡韵聨追N方法：半經(jīng)驗公式法、數(shù)值仿真法、各船級社及船級社協(xié)會公式法、理論分析法和船模試驗法。半經(jīng)驗公式法是各冰水池或研究機構(gòu)在船模試驗以及實船航行數(shù)據(jù)的基礎上回歸分析得到的方法，這種公式方法是建立在一定船型的基礎上的，因此，它的應用也受到船型的限制。數(shù)值仿真法預報冰區(qū)船舶阻力和自航是今后的發(fā)展趨勢，但是由于冰區(qū)船舶阻力和自航不僅涉及到流體力學，還涉及到結(jié)構(gòu)力學以及流固耦合問題，因此，當前還沒有一款專門的軟件能很好的解決這些問題。各船級社以及船級社協(xié)會的冰區(qū)船阻力和功率預報公式也是建立在船模試驗數(shù)據(jù)和實船數(shù)據(jù)基礎上的。理論分析法是指研究人員根據(jù)船-冰相互作用機理，對船-冰相互作用進行數(shù)學建模，然后編程計算，目前挪威科技大學(ntnu)做了大量的工作。船模試驗法是冰區(qū)船阻力和自航研究一直以來最廣泛采用和認可的方法，分為冰水池的凍結(jié)模型冰試驗和常規(guī)拖曳水池的非凍結(jié)模型冰試驗。由于受到試驗條件的限制，國內(nèi)還沒有廣泛地開展冰區(qū)船舶的性能研究。因此，冰水池凍結(jié)模型冰試驗只有國外的一些冰水池試驗室開展過,國內(nèi)至今一直沒有真正開展過冰區(qū)船模的自航試驗。而常規(guī)拖曳水池的非凍結(jié)模型冰試驗也因為測量結(jié)果的隨機性不能被廣泛的推廣。因此，急切需要一種真實有效而且便于操作的新的試驗方法來研究冰區(qū)航行船舶的真實破冰性能，為設計和制造冰區(qū)船舶提供可靠的依據(jù)，彌補現(xiàn)有手段的缺陷，借此條件提出了一種船舶實水域破冰試驗方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種能夠開展不同航速下船舶平整冰和碎冰條件下的阻力試驗以及船模的自航試驗，能夠較好的反映船舶在實際冰區(qū)的航行性能，具有風險小、成本低、不受傳統(tǒng)冰水池尺寸限制、操作靈活等優(yōu)點，可有效地提高試驗的效率和準確性的船舶實水域破冰試驗方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
其主要包括以下步驟：
1)在江面上規(guī)劃的試驗區(qū)域內(nèi)開辟出兩條長度和寬度分別為50m和10m的水域,搭建容納試驗設備和試驗人員的實驗室。
2)將兩臺拖纜機構(gòu)分別固定在冰道的一端，在另一端(即調(diào)整區(qū))將船模調(diào)整到標識好的壓載水線，布置、連接和調(diào)試試驗設備。
3)按照試驗工況要求，拖纜機構(gòu)拖著船模恒速運動，測量船模在靜水中的敞水阻力。
4)進行平整冰條件下破冰阻力試驗，測量船模在破冰航行時的總阻力、船模升沉以及縱傾等姿態(tài)的變化。
5)試驗人員利用環(huán)形鋸將平整冰區(qū)域變?yōu)樗楸降?，進行船模在碎冰條件下浮冰阻力、清冰阻力以及姿態(tài)變化的測量。
6)開展船模在平整冰條件下以及碎冰條件下的自航試驗，分析研究各種推進效率成份以及主機功率、轉(zhuǎn)速和船速之間的關(guān)系。
7)對測量后的試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理、規(guī)律總結(jié)以及完成實船轉(zhuǎn)化。
在所述步驟1)之前還包括：
冬季時節(jié)(十二月至翌年的三月)在江段選擇試驗區(qū)域，通過查閱資料以及咨詢有關(guān)部分關(guān)于江冬季冰厚的相關(guān)信息，在得到有關(guān)部分的允許后確定試驗區(qū)域。
在所述步驟1)之后還包括：
將從試驗水域內(nèi)打撈的冰塊移到碎冰堆積區(qū)，清理試驗航道周圍的冰、雪和其他雜物；在試驗水域內(nèi)靠近拖纜機構(gòu)一端安裝阻攔網(wǎng)以及多層橡膠輪胎，起到減緩船模航行以及防止船模與周圍冰塊發(fā)生碰撞的作用；連接試驗設備用電以及總電路控制系統(tǒng)，將船模以及試驗設備分別搬到試驗區(qū)域和實驗室內(nèi)，連接試驗設備并進行試驗設備的調(diào)試。
在所述步驟2)之前還包括：
把服助拖車移到冰道上端，船模移到試驗準備區(qū)，將試驗設備分別布置在船模各個位置，拆除舵和螺旋槳，密封軸包套。利用配重砝碼將船模調(diào)整到標識好的壓載水線，將拖纜機構(gòu)的鋼絲纜繩與船模上的拖帶裝置相連。
在所述步驟3)之前還包括：
利用低溫溫度計和密度儀分別測量室外試驗水域內(nèi)水的溫度和密度。
在所述步驟3)具體包括：
啟動拖纜機構(gòu)1緩慢拖動鋼絲纜繩直到纜繩繃直，通過角度盤讀取鋼絲纜繩傾斜角度。待船模穩(wěn)定后無線電控制模塊控制遙控系統(tǒng)打開高精度阻力儀、數(shù)據(jù)采集器、gps/ins慣性導航儀、角速度陀螺儀和船模升沉傳感器等設備測量船模航行時的敞水阻力、升沉以及縱傾等姿態(tài)的變化。
在所述步驟4)之前還包括：
試驗水域在結(jié)冰過程中開始階段需要每一小時測量一次冰厚，在接近試驗要求時每十分鐘測量一次冰厚，直到結(jié)冰厚度滿足試驗要求。冰厚達到試驗要求時，取出一塊冰在實驗室內(nèi)分別利用顯微鏡、刻度儀、低溫溫度計和密度儀測量冰的冰內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)、氣泡含量、溫度、鹽度和密度等物理特性。利用切片機將江冰進行切片然后放入恒溫箱內(nèi)，做好保溫措施送往其他實驗室利用三軸銑床、車床和三軸多功能加載測試儀進行冰的力學特性測量。
在所述步驟5)之前包括：
連接和調(diào)試試驗設備，進行低航速下浮冰阻力的測量，浮冰阻力試驗完成后將碎冰區(qū)航道內(nèi)的碎冰重新推至均勻。
在所述步驟5)主要測量船模在碎冰冰區(qū)航行時的浮冰阻力、清冰阻力、升沉以及縱傾等姿態(tài)變化。
在所述步驟6)之前包括：
在船模上依次加上舵、螺旋槳和軸等自航設施，安裝、調(diào)試和檢驗試驗設備。當試驗水域冰厚到達試驗厚度時，分別開展船模在平整冰條件和碎冰條件下的自航試驗。
在所述步驟6)具體包括：
在自航試驗過程中，舵機和電機的控制分別通過遙控系統(tǒng)進行控制。遙控系統(tǒng)由無線電接收模塊和無線電發(fā)射模塊組成。無線電發(fā)射模塊將電機轉(zhuǎn)速控制電位器和舵機控制電位器的模擬控制電壓通過12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并通過無線模塊發(fā)射出去。無線電接收模塊將接收到包含推進電機轉(zhuǎn)速控制信息和舵角控制信息的信息包，一方面將電機轉(zhuǎn)速控制信息通過12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為推進電機控制器需要的控制電壓，另一方面將舵角控制信息轉(zhuǎn)換為舵機控制器需要的轉(zhuǎn)動控制和方向控制脈沖，從而控制電機轉(zhuǎn)速和舵角。實現(xiàn)船模的自航運動。
在所述步驟7)具體包括：
船模敞水阻力試驗、破冰阻力試驗、碎冰阻力試驗以及船模的自航試驗完成后對不同航速下船模的總阻力、阻力成分、升沉、縱傾、螺旋槳推力和扭矩以及主機功率等參數(shù)進行匯總并總結(jié)規(guī)律，試驗數(shù)據(jù)整理后利用spencer法以及其他方法完成實船轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明適用于船模在平整冰區(qū)和碎冰區(qū)中的阻力試驗以及船模的自航試驗等，能夠準確地測量船模在冰區(qū)航行時的總阻力、阻力成分、升沉、縱傾、螺旋槳推力和扭矩以及主機功率等參數(shù)。
附圖說明
圖1為一種船舶實水域破冰試驗方法中船舶模型內(nèi)部設備布置主視圖；
圖2為一種船舶實水域破冰試驗方法中船舶模型內(nèi)部設備布置俯視圖；
圖3為一種船舶實水域破冰試驗方法中實驗室內(nèi)部設備布置圖；
圖4為一種船舶實水域破冰試驗方法中船模敞水試驗總體分布圖；
圖5為一種船舶實水域破冰試驗方法中碎冰阻力試驗總體分布圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
本發(fā)明涉及的是一種船舶實水域破冰試驗方法，該方法的具體步驟包括：1)在江面上規(guī)劃的試驗區(qū)域內(nèi)開辟出兩條長度和寬度分別為50m和10m的水域，搭建容納試驗設備和試驗人員的實驗室。2)將兩臺拖纜機構(gòu)分別固定在冰道的一端，在另一端(即調(diào)整區(qū))將船模調(diào)整到標識好的壓載水線，布置、連接和調(diào)試試驗設備。3)按照試驗工況要求，拖纜機構(gòu)拖著船模恒速運動，測量船模在靜水中的敞水阻力。4)進行平整冰條件下破冰阻力試驗，測量船模在破冰航行時的總阻力、船模升沉以及縱傾等姿態(tài)的變化。5)試驗人員利用環(huán)形鋸將平整冰區(qū)域變?yōu)樗楸降?，進行船模在碎冰條件下浮冰阻力、清冰阻力以及姿態(tài)變化的測量。6)開展船模在平整冰條件下以及碎冰條件下的自航試驗，分析研究各種推進效率成份以及主機功率、轉(zhuǎn)速和船速之間的關(guān)系。7)對測量后的試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理、規(guī)律總結(jié)以及完成實船轉(zhuǎn)化。本發(fā)明適用于船模在平整冰區(qū)和碎冰區(qū)中的阻力試驗以及船模的自航試驗等，能夠準確地測量船模在冰區(qū)航行時的總阻力、阻力成分、升沉、縱傾、螺旋槳推力和扭矩以及主機功率等參數(shù)。
冬季時節(jié)(十二月至翌年的三月)在江段選擇試驗區(qū)域，通過查閱資料以及咨詢有關(guān)部分關(guān)于江面冬季冰厚的相關(guān)信息，在得到有關(guān)部分的允許后確定試驗區(qū)域。在試驗設備以及試驗人員進入規(guī)劃的試驗區(qū)域前，再次對試驗區(qū)域內(nèi)的冰厚進行測量，預估和咨詢相關(guān)部門江面冰厚能否承載試驗設備以及試驗人員，在確保安全的前提下試驗人員以及試驗設備進入試驗區(qū)域。
進入試驗區(qū)域后主要開展兩方面的工作，一方面是：在規(guī)劃的航道內(nèi)將冰塊移到碎冰堆積區(qū)，開辟兩條長度和寬度分別為50m和10m的航道，清理試驗航道周圍的冰、雪和其他雜物，并在航道45m位置處標記為拖纜機構(gòu)1(41)和拖纜機構(gòu)2(50)停止拖纜位置(40)；在試驗水域內(nèi)靠近拖纜機構(gòu)1(41)和拖纜機構(gòu)2(50)一端安裝多層橡膠輪胎(44)以及阻攔網(wǎng)(45)，另一方面：電工連接試驗設備用電以及總電路控制系統(tǒng)(36)，將船模(37)以及試驗設備分別搬到試驗區(qū)域和實驗室(42)內(nèi)連接并調(diào)試試驗設備。
船舶實水域破冰試驗方法將船舶在冰區(qū)航行時受到的總阻力分為敞水阻力row、浮冰阻力rb、清冰阻力rc和破冰阻力rbr，試驗過程中分別進行船模敞水阻力試驗、平整冰條件下破冰阻力試驗和碎冰阻力試驗，船模(37)在冰區(qū)破冰航行時按照以4個速度測量點做出一條破冰阻力r-v曲線為例，分別測量船模在靜水、平整冰和碎冰條件下四個不同航速(v1、v2、v3和v4)時船模的總阻力、阻力成分以及其升沉、縱傾等姿態(tài)變化。
首先開展船模敞水阻力試驗，將服助拖車(38)移到開辟好的水域上端，船模(37)移到試驗準備區(qū)(46)，將試驗設備(1)-(8)、(12)—(21)分別布置在船模各個位置，利用配重砝碼(17)將船模(37)調(diào)整到標識好的壓載水線，將拖纜機構(gòu)1(41)的鋼絲纜繩(47)與船模(37)上的纜繩連接構(gòu)件(21)相連，同時，利用低溫溫度計(25)和密度儀(27)分別測量室外試驗水域內(nèi)水的溫度和密度，測量完成后啟動拖纜機構(gòu)1(41)緩慢拖動鋼絲纜繩(47)直到纜繩繃直，通過角度盤(20)讀取鋼絲纜繩傾斜角度。待船模穩(wěn)定后通過無線電控制模塊(22)打開高精度阻力儀(19)、數(shù)據(jù)采集器(23)、gps/ins慣性導航儀(15)、角速度陀螺儀(5)和船模升沉傳感器(6)等設備測量船模(37)在靜水中的阻力，時間間隔大約為20s。靜水阻力測量完成后根據(jù)試驗之前船模航行工況的速度反推出拖纜機構(gòu)1(41)纜繩的拖拽速度，拖纜機構(gòu)1(41)拖拽船模(37)運動，到達標記點(40)后停止拖拽，使船模(37)在阻攔網(wǎng)(45)的作用下緩慢停止。同時，試驗數(shù)據(jù)通過無線電接收模塊(16)的無線電傳輸模塊傳送到實驗室內(nèi)的無線電控制模塊(22)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(23)進行數(shù)據(jù)處理，求出船模在靜水中的敞水阻力、升沉、縱傾等姿態(tài)變化。試驗完成后試驗人員通過輔助拖車(38)將船模(37)推到試驗準備區(qū)(46)，進行其他三個速度點(v2、v3、v4)阻力的測量。在每次測量過程中，船模開始階段纜繩傾斜角度應保持相同，同時及時清理水面薄冰，保持水面無冰狀態(tài),測量后的敞水阻力分別為：row1、row2、row3和row4。
船模(37)在試驗水域內(nèi)敞水阻力測量完成后，將船模(37)移到實驗室(42)內(nèi)檢查各種設備的運行情況以及提取試驗數(shù)據(jù)。同時，等待試驗水域內(nèi)水面結(jié)冰，試驗水域在結(jié)冰過程中開始階段需要每一小時測量一次冰厚，在接近試驗要求厚度時每十分鐘測量一次冰厚，直到結(jié)冰厚度滿足試驗要求。冰厚達到試驗要求時，取出一塊冰在實驗室(42)內(nèi)分別利用顯微鏡(28)、刻度儀(29)、低溫溫度計(25)和密度儀(27)測量冰的冰內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)、氣泡和鹵水泡的含量、溫度、鹽度和密度等物理特性。利用切片機(31)將冰進行切片然后放入恒溫箱(32)內(nèi)，做好保溫措施后送往其他實驗室利用三軸銑床、車床和三軸多功能加載測試儀進行冰的力學特性測量。其他試驗人員將船模(37)移到平整冰航道1(48)內(nèi)連接和調(diào)試試驗設備，為船模(37)進行平整冰條件下破冰阻力試驗做準備。
船模進行平整冰條件下破冰阻力試驗時需要測量4個速度點，在長度為50m、寬度為10m的水域內(nèi)進行兩次平整冰條件下破冰阻力試驗，測量船模(37)在冰區(qū)航行時速度點v1和v2時的總阻力、升沉、縱傾等姿態(tài)變化。破冰試驗開始前連接和調(diào)試好試驗設備，啟動拖纜機構(gòu)1(41)緩慢拖動鋼絲纜繩(47)直到纜繩繃直，根據(jù)原角度盤(20)的傾斜角度調(diào)整船模位置，直到傾斜角度與敞水試驗時相同，利用無線電控制模塊(22)將高精度阻力儀(19)、數(shù)據(jù)采集器(23)、gps/ins慣性導航儀(15)、角速度陀螺儀(5)、船模升沉傳感器(6)、前置攝像機(18)和后置攝像機(8)全部打開，啟動拖纜機構(gòu)1(41)使纜繩拖拽的速度與阻力實驗時拖拽速度相同，分別測量船模的總阻力、升沉、縱傾等姿態(tài)變化，同時，利用視頻觀測及儲存系統(tǒng)(24)觀測和存儲視頻資料。破冰試驗完成后將船模(37)依次移入到平整冰航道2(49)，利用拖纜機構(gòu)2(50)重新連接船模(37)進行試驗，試驗流程和在平整冰航道1(48)中完全相同。速度點v1和v2完成后將拖纜機構(gòu)1(41)和拖纜機構(gòu)2(50)的旋向反轉(zhuǎn)進行平整冰航道3(51)和平整冰航道4(52)中v3和v4速度點的測量。
平整冰條件下破冰阻力試驗完成后，試驗人員根據(jù)試驗工況要求利用環(huán)形鋸將平整冰分割成碎冰，進行碎冰條件下的阻力試驗。試驗設備連接以及調(diào)試和破冰阻力試驗相同，不同點是需要進行低速航行下浮冰阻力的測量，浮冰阻力試驗完成后試驗人員將碎冰區(qū)航道1(53)內(nèi)的碎冰重新推至均勻。依次開展在碎冰區(qū)航道1(53)、碎冰區(qū)航道2(54)、碎冰區(qū)航道3(55)和碎冰區(qū)航道4(56)中航速為v1、v2、v3和v4的碎冰區(qū)浮冰阻力和清冰阻力以及升沉、縱傾等姿態(tài)的測量。測量完成將船模(37)移入到實驗室(42)內(nèi)進行試驗設備的檢驗和試驗數(shù)據(jù)的提取。
在實驗室(42)內(nèi)分別將舵(9)、螺旋槳(10)、斷軸式自航儀(11)等設備安裝在船模(37)上，安裝、調(diào)試和檢查其他試驗設備，同時，等待冰達到試驗要求厚度。當冰達到試驗要求厚度時，分別進行冰物理特性和力學特性的測量，測量過程和破冰試驗前冰的測量過程相同。其次，將船模移入到試驗準備區(qū)(46)，借助服助拖車(38)完成船模(37)的連接，并讀取角度盤(20)角度。船模自航試驗中首先應找到船模(37)的自航點，由于船模(37)在冰區(qū)自航時，受到水和碎冰的阻力、螺旋槳(10)的推力以及鋼絲纜繩(47)的強制力，當鋼絲纜繩(47)的強制力等于零時，螺旋槳(10)的推力和船模(37)受到的阻力達到平衡，此時就找到了自航點，確定了螺旋槳(10)的轉(zhuǎn)速。因此在碎冰條件下，選擇3到4個速度點，每個速度點進行5個不同的螺旋槳(10)轉(zhuǎn)速試驗來找出自航點。
船模(37)在自航試驗過程中，試驗人員通過無線電控制模塊(22)將電機(13)轉(zhuǎn)速控和舵機(9)控制信息發(fā)射出去，控制電機轉(zhuǎn)速和舵角。同時，啟動拖纜機構(gòu)1(35)使船模(37)在工況要求航速下航行，在航行過程中通過安裝在船體內(nèi)的斷軸式自航儀(12)測得螺旋槳(10)的推力和轉(zhuǎn)矩，測速儀(11)測量螺旋槳的轉(zhuǎn)速。船模(37)到達標記處(40)時停止電機(13)旋轉(zhuǎn)，使船模(37)在阻攔網(wǎng)(45)的作用下緩慢停止。試驗結(jié)束后將船模(37)再次移到試驗準備區(qū)(46)，同時將冰道內(nèi)的冰推至均勻，進行下一個速度點的航行。自航試驗完成后，將螺旋槳(10)取下進行槳軸空轉(zhuǎn)，以測量尾軸管軸承摩擦所引起的轉(zhuǎn)矩，進行螺旋槳轉(zhuǎn)矩修正。試驗結(jié)束后處理試驗數(shù)據(jù)并繪制船模(37)自航試驗曲線，分析各種推進效率成份、槳和船兩者的相互影響以及對實船進行預報。其次，將碎冰區(qū)內(nèi)的碎冰全部撈出，分別堆積在碎冰堆積區(qū)(37)內(nèi)，為進行下次平整冰條件下的破冰阻力試驗做準備。
船舶實水域破冰試驗方法對船模敞水阻力試驗、破冰阻力試驗和碎冰阻力試驗以及碎冰條件下的自航進行了詳細的論述，由于冰道開辟的較少，沒有對船模在平整冰條件下的自航試驗進行描述。平整冰條件下的自航試驗和碎冰條件下的自航試驗方法相同，不同的是需要開辟更多的冰道供船模進行試驗。