1、 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 拖曳水池假底结构的强度计算 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 东海科学技术学院本科毕业论文 2 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 立题背景及研究意义 . 1 1.2 拖曳水池的发展现状 . 2 1.3 patran 软件的简介说明 . 6 1.4 课题研究背景和内容 . 9 1.5 本课题主要研究工作 . 10 第二章 PVC 假底板材的特性 .11 2.1 概述：拖曳水池假底结构材料考虑 .11 2.2 PVC 基本特性 .11 2.3 PVC 材料的优越性 :.11 2.4 PVC 板材的种类
2、及特性 . 13 第三章： 校实验室拖曳水池假底结构尺寸确定 . 15 3.1 设计方案 . 15 3.2 PVC 假底结构方案的设计图 . 15 3.3 型材料的尺度 . 17 3.5 水池长度 S . 19 3.6 性能检测 . 21 3.7 水池主尺度设计计算 . 23 第四章：拖车机械部分技术要求 . 25 4.1 组成 . 25 4.2 拖车车架结构设计计算 . 25 4.3 拖车驱动系统设计计算 . 26 4.4 中央测桥系统设计计算 . 31 4.5 工作平台 . 32 4.6 导向轮系 . 33 4.7 清扫器 . 33 4.8 滑道 . 33 4.9 压缓冲器 . 33 4.
3、10 假底结构的尺寸、载荷 . 33 第五章 patran 软件模型的建立： . 35 5.1 应力如何施加 . 35 5.2 建立一个三角形的压载： . 35 6.2 PVC 板面变形与钢材变形 . 58 第六章：结论和展望 . 61 6.1 结论 . 61 6.2 展望 . 61 致谢 . 62 参考文献 . 63 东海科学技术学院本科毕业论文 3 拖曳水池假底结构 强度计算 摘 要 船模拖曳水池是进行船舶性能试验研究的基本设备，它对提高船舶的航行性能，促进船舶科学技术的发展和培养这方面的专门人才起着极为重要的作用。目前，国内各高校、研究院已建有不少拖曳水池，但大多数水池中只能测试固定水深
4、的情况下的数据，可以一个水池测多个水深的拖曳水池极少。针对这一情况，本文采用理论分析、数值计算和模拟相结合的方法进行了拖曳水池假底结构方案设计。拖曳水池假底结构有框架、水池平行的滑轮、 PVC铺板等构件构成。本文阐述了拖曳水池假底结构在各种工况下面的应力、变形等的特点。各种材料的优越 性能。介绍了拖曳水池假底结构水池方案的设计。假底结构的方案设计的组成，重点确定了船模拖曳水池假底结构的主尺度，并设计了相应的假底滑轮轨道，讲述了假底结构的功用。最终形成一套较为完整的方案，可以作为一次试验多个结果。 关键词 船舶；性能试验；拖曳水池；假底结构功用；方案设计 东海科学技术学院本科毕业论文 4 Tow
5、ing tank bottom structure strength calculation Abstract Water towing tank is the basic equipment of the ship performance tests. It plays extremely an important role in improving the navigational performance promoting the development of ship science and technology and cultivating the professional per
6、sonnel. At present, some universities and research institutes have built many towing tanks, But most of the pond test only fixed data of water depth, a pool of water depth measuring more drag pool rarely in view of this situation, the paper numerical calculation and simulation theory analysis method
7、 of combining the drag on the bottom structure design pool false bottom structure have drag pool framework of PVC stamped pool parallel pulley component such a this paper elaborates the false bottom structure in drag pool under different conditions the deformation and stress of the characteristics o
8、f various materials, superior performance introduced the false bottom structure drag pool design of false bottom structure design of construction, especially the ship model to determine the structure of the false drag pool main dimensions, and design the corresponding false bottom pulley orbit, tell
9、s the story of false bottom structure to the function of the final form a complete solution, Can be used as a test more results。 Key words performance test； towing basin； the function of False bottom structure; project design 。 东海科学技术学院本科毕业论文 1 第 1章 绪论 船模拖曳水池，风浪流水池或耐波性水池，操纵性水池和循环水槽是支撑船舶与海洋工程专业船舶性能学科
10、的关键设备及系统。其中，船模拖曳水池是效费比最高的。船模拖曳水池是进行船舶快速性试验研究的基本设备。其作用在于造成模型在水面做匀速直线运动。除了船舶快速性试验外，随着造波机的应用，船舶操纵性和耐波性的部分试验项目也可以在拖 曳水池中进行，但是拖曳水池进行的试验只能是在深海中进行，没有近海试验，假底结构可以验证船体航行。因此，船模拖曳水池已成为船舶性能试验的最主要的设备 。 船模拖曳水池是进行船舶性能试验研究的基本设备，它对提高船舶的航行性能，促进船舶科学技术的发展和培养这方面的专门人才起着极为重要的作用。目前，国内各高校、研究院已建有不少拖曳水池，但大多数水池中只能测试固定水深的情况下的数据，
11、可以一个水池测多个水深的拖曳水池极少。针对这一情况，本文采用理论分析、数值计算和模拟相结合的方法进行了拖曳水池假底结构方案设计。拖曳水池假 底结构有框架、水池平行的滑轮、 PVC 铺板等构件构成。本文阐述了拖曳水池假底结构在各种工况下面的应力、变形等的特点。各种材料的优越性能。介绍了拖曳水池假底结构水池方案的设计。假底结构的方案设计的组成，重点确定了船模拖曳水池假底结构的主尺度，并设计了相应的假底滑轮轨道，讲述了假底结构的功用。最终形成一套较为完整的方案，拖曳水池的底结构一般都是固定的，只能测试一种水深的数据值，有一定的局限性。假底结构刚好解决了这个问题，可以在一个水池里同时试验不同的环境下的
12、船模数据。可以一池多用，即得到船模在深水中的数值，也可以 得到一个浅水航行的数据，节省了很多工作时间。 设计过程中，需要考虑很多方面的因素。从实际考虑出发，考虑到现有实验室的尺寸长度，量取实验室水池的尺寸长度吗，确定大致尺寸大小。这些直接影响着实验室数据的测量。、 要求： 1. 假底结构尺寸大小要符合试验要求，考虑到实验室水池模型船不是很大，取宽度方向上 4 米宽度。 2.假底结构安装要简单可行，考虑到实验室假底结构安放在水下面，安装、拆卸过程要简单可行、易操作。 3.假底结构的各种材料密度要取合适，考虑到假底结构安放在水池下，密度不能太大，会引起自身 重量的压载。所以要取版面材料跟水密度差不
13、多的 PVC 板。 4. 船模试验时候假底结构的钢材不超出许用应力，假底结构下面铺设的是钢材结构必须符合强度要求。 5.假底板面不出现大的变形，试验进行时会对钢材一个压载，此时会出现变形，此变形不应太大。 1.1 立题背景及研究意义 快速性是船舶诸性能（如浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性、操纵性）中的重要性能之一。快速性的优劣，对民用船舶来说将在一定程度上影响船舶的使用性和经济性，对军用舰艇而言，快速性与提高东海科学技术学院本科毕业论文 2 舰艇的作战性能密切相关。研究快速性的方法有： 理论研究方法、试验方法和数值模拟。其中试验方法又包括船模试验和实船试验。船模试验是目前研究船舶快速性的主要
14、方法。它是把按比例缩小若干倍的船舶模型，置于人工修建的水池里，模拟实船在水中的各种运动，然后根据实验结果，探索船舶的运动规律，设计出性能优良的船型，在船舶工程发展史上，这是一项具有划时代意义的重大技术革新。很多优良船型或桨型几乎都是通过大量模型试验而得到的。而进行实验的基础 拖曳水池好比“人造海洋”，能以不同速度拖曳按比例缩小的船模，并模拟各种波浪条件，验证船舶的流体动力学等性能。但是水池的深度只能是 固定的深度，有一定额局限性。假底结构刚好解决了水池的深度不同的问题。应用模型试验来研究船舶快速性的优点在于，它不仅简单、经济，而且可以为造船工程提供定量数据。实际上进行船舶设计时，即使在初步设计
15、阶段，也可能要做模型试验，进行方案比较，特别是一些较为重要的船舶几乎没有不进行船模试验就建造的。模型试验在船舶设计中得到广泛应用。模型试验可以在水池、水槽或水洞中进行，现今多采用拖曳水池而不是水槽等其它实验设备的一大原因是，在水中移动模型所需的能量要比驱动大量水流过模型所需能量要小得多。拖曳水池还具有通过加热或冷却水 或使用盐水等方法实现密度分层的能力。只要操作谨慎并使用合适的灌装系统，在拖曳水池中能很容易得实现想要的任何稳定的密度剖面。同时，拖曳水池可以进行尺寸较大的模型试验，模型完全可以具备实物的所有功能，真实模拟；而且假底结构可以大大满足在不同深度或者两个深度变化过程中的试验过程。 运行
16、稳定性好；适用于水面和水下试验；重复利用率高；经济成本低。拖曳水池的优势还包括，采用其它设备无法实现的独特的流场可视化技术，能相对容易地研究加速、减速水流，以及在静水中可以忽略背景运动等。除了船舶领域，在航天、航空和汽车工程中，需要 特殊模拟时，如高雷诺数，也要借助于水池试验。海洋工程的结构件，特别是深水中的结构件，多要在拖曳水池中试验，以确定其负载。目前，我国拖曳水池的技术水平还远远达不到国际水平，而对其进行研究探索是非常有必要，非常紧迫的事情。现在，俄罗斯、乌克兰他们的技术水平是最高的，试验设施也非常先进；像美国、德国也处于相当高的地位了，他们都积极进行各方面的研究。浙江省濒临东海，具有
17、26 万平方公里的海域和 6500 公里的海岸线，自古以来都是个航运业十分发达的省份，尤其在宁波、舟山区域，有着得天独厚的深水良港，往来船舶众多。有利 的行业优势也促进着浙江省内船舶与海洋工程专业的发展。在 2005 年，浙江海洋学院建成了浙江省唯一一座船模拖曳水池，填补了一大空白。但纵观国内各水池，大都针对中、低速船舶，这其中自然是考虑到航运以商船为主，而商船又多属于中、低速船的范围，然而随着经济的发展，高速游艇、公务艇的需求也越来越旺盛，目前仅中国船舶科学研究中心（ 702 所）和荆门 605 研究所有高速水池，浙江省境内尚无同类拖曳水池。因此，设计一座大型深水、高速船模拖曳水池，对于促进
18、地方船舶工业的发展及浙江省船舶学科建设都有着重大的意义。 1.2 拖曳 水池的发展现状 大约在十八世纪中叶，瑞典著名的造船师 F H查普曼（ Feriderie HenderieChapman）为了设计性能优良的瑞典海军战舰，建造了全世界第一个船模实验水池。他设计出一套结构精巧的装置，利用下落的重物作为拖曳船模的动力。在查普曼带动下，其他一些欧洲国家也开始修建水池进行船模实验，如 1761 年东海科学技术学院本科毕业论文 3 英国皇家技艺学会（ Royal Society of Arts）在伦敦的无敌水池（ Peer less Pool）进行的船模实验，以及法国军事学校用水池实验研究狭窄水道效
19、应等 2。弗劳德于 1871 年创建了世界上第一个船模拖曳水池，即长 85m，宽 11m，深 3m，最大拖曳速度 5m/s，完成了船模拖曳阻力试验 7。 1900 年泰勒 (D.W.Taylor)为美国海军建立了第一座自行式拖曳水池，此后的一百多年来世界各国相继建造的拖曳水池已有 150 余座池长超过一百米的约占半数。 1.2.1 国外拖曳水池现状 在国外有不少历史悠久的船舶研究所，普遍都拥有设备完善的船模试验水池，国外主要的拖曳水池 水池所在地建造年代水池尺寸 (长宽深 )(m)、拖车速度 (m/s)、模长 (m)、特点。 费尔顿 (英 ) 1957 400 14.6 7.6 15.2 10
20、 深水高速 哈斯勒 (英 ) 1931 271 12.2 5.5 7.5 10 深水池 华盛顿 (美 ) 1941 363.3 15.8 3 9.3 10 浅水池 华盛顿 (美 ) 1973 904 6.4 3 16.5 2 6 高速池 圣彼得堡 (俄 ) 1965 653 15 7 16 4 8 深水池 圣彼得堡 (俄 ) 1891 141.7 6.7 3.3 5.5 3 5 深水池 巴黎 (法 ) 1906 160 9.8 4 5.5 3 6 深水池 巴黎 (法 ) 1978 1150 5.6 3 40 2 6 高速池 瓦格宁根 (荷 ) 1951 252 10.5 5.5 9 10 深水
21、池 瓦格宁根 (荷 ) 1958 220 16 1.25 3 10 浅水池 东京 (日 ) 1958 255 2.5 7.25 10 10 深水池 东京 (日 ) 1958 346.5 6 3 15 1 4 高速池 汉堡 (德 ) 1976 300 18 6 8 2 12 深水宽池 ,有 PMM 波兰 1973 246.5 11.95 5.8 12 3 8 深水池 意大利 1974 453.6 13.5 6.5 15 2 5 高速池 1.2.2 国内拖曳水池现状 在我国，上世纪 50 年代初在上海建成了我国第一个船模试验池， 60 年代七二所又在无锡建成了大型深水拖曳水池、大型空泡水筒、耐波性
22、水池、旋臂水池等大型试验室。上海交通大学等单位也陆续建了拖曳水池及空泡水筒等船舶科研设施。目前，我国有大小拖曳水池十余座，分布在船研所和大学中，其中大多数建于上世纪七八十年代。近几年，船模拖曳水池有一个改建的小高潮，多数水池进行了拖车电控系统、数据采集系统等改造。武汉理工大学对船池以及拖车重新制造。浙江海洋学院也于 2005 年新建了一个船模拖 曳水池 ,是浙江省唯一一座船模拖曳水池。到了 2009 年 5 月，在中国船舶工业集团公司七八所闵行分部，全长 280 米、相当于 6 个奥运会泳池长度的新一代船模拖曳水池试验室投入使用，拖车速度最高可达每秒 9 米，人造浪高最高可达 0.5 米，这是
23、目前世界上唯一一座具有制造斜浪和横浪能力的拖曳东海科学技术学院本科毕业论文 4 水池。可为我国打造 30 万吨超大油轮、超大散货轮及 9000 箱量的集装箱轮等主流船型，提供国际一流的试验条件，提升与国际航运中心相配套的造船能力。 1.2.3 国内主要的拖曳水池 水池所在单位、建造年代、水池尺寸 (长宽 深 )(m)、拖车速度 (m/s)模长 (m)特 点 中国船舶科学 1965年 474 14 7(m) 20 3 16深水，高速水池，摇板造波 上海船舶运输科学研究所 1983年 192 10 4.5(m) 10 3 8深水池，推板造波 上海船舶及海洋工程研究所 1953年 70 5 2.5(
24、m) 5.5 2 4深水，单轨缆车，冲箱造波 上海交通大学 1958 110 6 3(m) 6 3 5深水池， K&R 公司制造华中科技大学 1977年 175 6 4(m) 8 3 6深水池 ,分段冲箱造波 武汉理工大学 1985年 132 10.2 1.1(m) 6 3 6 浅水池长江船舶科学研究所 1985年 160 9 3(m) 8 3 6 深水池 荆门 605 研究所 1983年 510 6.5 5(m) 25 2 4高速水池 ,空气造波 中山大学 1974 156 6 1.3(m) 7 3 5深水与浅水段相连 天津大学 1986 130 6 3.5 深水池 大连理工大学 1984
25、156 7 4(m) 8 3 6 深水池 哈尔滨工程大学 1988年 108 7 3.5 (m)7 3 6深水池，美国引进造波机 华东船舶工业学院 2003年 100 5.5 2.5(m) 6 4 6可调水深 ,推摇组合造波 江苏科技大学 2002年 100 6 5.5(m) 6 3 4 浙江海洋学院 2005年 120 6 3.5(m) 6.5 3 4 1.2.4 拖曳水池试验技术的发展 拖 曳试验水池是以快速性试验为目的，确切的说建立之初是以阻力试验为开端，随着科技的进步，现今的拖曳水池通常都能完成阻力、敞水和自航试验及三向度的伴流测量，与之相配套的各种水池试验技术也有了长足的发展。 (1
26、) 造波技术 通过模型试验确定舰船或海洋工程结构物在波浪中的各种响应特性，长期以来被作为 一种基本的方法。目前无论就定性方面比较不同尺度要素船舶的耐波性能，或者预报实船在给定浪级的耐波统计特性等相当多的工作，都是通过船模在水池造波机模拟的人工波浪中进行试验的方法完成的 。造波机及造波技术，本是一门比较成熟的试验技术，但是随着海洋工程的发展，新的海洋环境条件，过去建立在线性理论基础上的深水规则波试验技术已不能满足海洋工程遇到的实际情况，还要求能模拟出不同方向的长峰波、短峰波、不规则波、过渡波、二阶长波、以及波、流混合波等。 国外很早就已经开始了造波机及造波技术方面的研究工作。建于 1956 年，
27、 1957 年正式投产的荷兰瓦东海科学技术学院本科毕业论文 5 格宁根水池，系世界上最早的一座耐波性水池，该水池长 100 米，宽 24.5 米，深 2.5 米，采用摇板式蛇形造波机，摇板高 1.4 米，宽 0.6米，摇动铰链位于水下 1.15 米，共有 158 块摇板（ 136+22），摇板每分钟摆动 3060次，产生的波长为 1.56 米。美国泰勒水池，建于 1958 年，水池为矩形，主尺度为 110 73 6 米，造波机采用空气式造波机，其功率在最大负荷时为 2500 马力，造波范围波长为 0.9212.2 米，波高为 0.010.60 米，可对长峰不规则波及 短峰波进行模拟。英国哈斯拉
28、水池，建于 1957 年， 1962 年正式投产，安装有冲箱式造波机，可造 K 峰规则波和不规则波。美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可模拟长峰规则波和不规则波。日本三鹰露天水池，装有摇板式造波机，可造波长为 0.7 米，最大波高为 0.4 米。我国在造波方面的研究工作是从二十世纪五十年代起步的，在发展初期，使用的造波装置都是一些简单的电气装置，而且限于对造波原理的认识，只能模拟最简单的规则波（即正弦波）。五十年代初期研制成功了我国第一台规则波造波机。 随着统计学的发展，对波浪的统计特性有 了进一步的认识，促进了波浪谱的研究，使波浪理论逐渐完善，到了六十年代，由目测海浪周期，估计波谱来达到对
29、波浪的模拟，八十年代初期，我国第一台不规则波造波机安装在南京水利科学研究院水池。以后陆续建成了很多的造波水池和造波水槽，这些水池和水槽都是根据各自不同的要求进行设计和建造的，有些能够模拟浅水波，有些能够模拟深水波，有些则能造不同水深的波，在这些水池和水槽中安装的造波机有的是国内自行研制的，也有的是从国外直接进口的，如哈尔滨工程大学船模试验水池安装的三维造波机就是从丹麦水工所（ DHI）进口的。 从二十世纪七十 年代中期开始我国造波机系统逐渐采用模拟信号装置来控制，到 了八十年代，已采用小型电算机或计算机，通过系统软件和应用软件及造波软件来控制，九十年代以后，已完全采用计算机进行造波控制。对造波
30、板的驱动方式也由电机驱动逐渐向液压伺服驱动过渡。造波板运动方式也多种多样，有摇摆式、平推式、冲箱式及悬吊式和双动式等。 (2) 消波技术 船模水池实验中，若船模航速较低，由造波机生成并传播到水池另一端的波浪，会返回船模附近，进而干扰船模的运动，影响实验结果的准确性；另外，在船模快速性实验中，被扰动后的水面需要较长时间才能平静 下来，所以航次间需要“等水”，而水池实验成本高昂，“等水”浪费了宝贵的实验时间，增加了实验成本。随着实验技术水平的提高，各水池都在积极探索更有效的消波方案，提高实验精确性，并缩短实验等水时间，提高实验效率。为了消除由造波机生成并传播到水池另一端的波浪，不使其返回而影响模型
31、试验结果，或为了消除水池的余波，缩短等水时间，通常在水池的始端、水池一侧或两侧的池壁水面附近加设消波装置，消波装置的种类有很多，大体可分为主动式和被动式，消波效果也不尽相同。 (3) 测量技术 船型的不断更新换代推动了船舶原理学科理论研究的 不断发展和深入，同时对试验技术也提出了更高的要求，由总体性能、总体受力的测量扩展到微观的流速分布、压力分布的测量。而电子计算机和近代测试技术的发展，如热线热膜技术、激光测速和显示技术的不断进步，使得拖曳试验水池不只是能完成工程东海科学技术学院本科毕业论文 6 项目的试验，而且能为流动物理的研究和探索做出贡献。 随着电测、激光和计算机技术的飞速发展，在船舶性
32、能试验技术中也逐步淘汰了落后的机械式测量仪器，使电测仪器、激光测量仪器、计算机数据采样及其处理系统被广泛应用，已经发展成为用计算机对试验全过程进行自动控制。其中， PIV（流团影像测速法）是 目前最流行的测量法之一，它的产生具有深刻的科技发展背景 ,满足了瞬态流场测试及了解流动空间结构的需要。 PIV 技术最早应用于拖曳水池是在1977 年 Dong 等人进行的船模首部流场研究中。至今 30 多年，随着计算机技术、激光技术、光电技术及图像处理技术的迅速发展， PIV 技术发展迅猛，并得到越来越广泛的认同与接受。目前， PIV 技术已经在湍流、高速流动、空化流动、多相流、微型流动、生化流动等多个
33、领域取得成功应用，为船舶流场的研究提供了强有力的测试手段。 此外，在船模试验中，模型运动的相关参数（如纵倾、沉降等） 一般是借助位移传感器或压力传感器测量后转换后获得。但是很多场合采用接触测量的方案，如果被测值变范围较大时就不便采用接触测量方式，特别是对于水下模型相关参数的量测。而摄影测量属于非接触测量方法，能有效地解决这类问题。其实质是 根据像点的位置推求出物点的位置，即利用相片上像点的坐标确定其所对应的空间物点的确切位置。它具有不触及被测目标，可在较大范围内同时进行，不受通视条件的限制等优点。 1.3 patran软件的简介说明 MSC/PATRAN是工业领域最著名的有限元前、后处理器，
34、是一个开放式、多功能的三维 MCAE软件包，具有集工程设计 、工程分析、和结果评估功能于一体的、交互图形界面的 CAE集成环境。 图形用户界面 MSC/PATRAN图形用户界面是一个基于表格、鼠标驱动的菜单和图标系统，所有菜单风格一致、易学易用。 CAD几何模型的直接读入： MSC/PATRAN 可以直接读取当前各主流 CAD系统的几何造型用于生成有限元模型，读入的 CAD模型保持其原有的格式而不作近似处理，生成的有限元单元、模型的载荷、边界条件和材料特性均和几何模型相关联。 几何造型功能： MSC/Patran包括一系列的几何造型和编辑功能 ，不但可以编辑读入的 CAD造型以划分有限元网格，而且可以创建复杂的几何造型。 PATRAN 命令语言： PATRAN 命令语言 (PCL) 是 MSC/PATRAN的核心编程语言，是一个高级、模块化结构的编程语言，它提供许多与传统编程语言类似的功能。 PCL可用于编写应用程序、用户特殊的命令和菜单，进行变量化建模，更完全的集成商用软件或用户自己的分析软件。
