船舶摇摆实验.docx
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船舶摇摆实验
船舶摇摆实验报告
一、实验目的
1、测量实船的固有横摇周期、计算无因次阻尼系数;
2、通过实验了解船舶重心对横摇周期的影响。
二、实验原理
船舶的摇荡:
横摇、纵摇、首摇、垂荡、横荡、纵荡
船舶横摇运动的重要指标:
两者的关系
横摇固有周期
易遭受横摇的程度和横摇的急剧程度
自由横摇
船舶的稳性:
横摇固有周期Ts:
横摇摇幅衰减
船舶横摇的摇幅衰减情况可以这样表示:
将相邻的两个摇幅依次相减,求出每次摆动中的衰减角摆至另一边的θk+1,摇幅已减少,即为:
再将一次摆动的摇幅平均,得到代表这次摆动幅度大小的平均摇幅
将对应的θm及△θ绘制在坐标纸上,横坐标θm,纵坐标△θ。
得到的曲线即为横摇消灭曲线,代表了横摇衰减的情况,也表示了阻尼的情况。
在半个周期时间间隔内,横摇幅值绝对值的变化为:
由以上关系可得无因次衰减系数的表达式为:
三、实验仪器
1.实验用船舶(模);
2.倾角测量装置(包括倾角传感器,接口和连线,数据采集计算机)。
四、实验方法与步骤
1、确认所有实验设备处于正确的初始状态,包括:
船舶(模)的摇摆运动不会受到干扰,倾角测量装置已上电并运行正常;
2、运行倾角测量软件;
3、给船舶施加倾斜力矩使其倾斜;
4、点击倾角测量软件界面上的“开始”按钮,此时开始测量倾角数据并显示在界面上;
5、去除倾斜力矩使船舶进入自由横摇状态;
6、等待一定时间后,点击倾角测量软件界面上的“暂停”按钮,停止测量倾角数据;
7、将记录下来的倾角数据保存在指定的文件中;
8、在船舶的某一高度上增加重量。
首先将双面胶的一面贴在亚铁上,然后将亚铁粘贴到船模上。
注意沿船长的方向,亚铁的中心线要与船模的中线一致,避免船舶左右不对称产生固定的横倾角。
将增加重量的船模放入水中,给船模施加倾斜力矩使其倾斜,去除该
力矩使船舶进入自由横摇状态,对船模摇摆的倾角进行测量并保存实验数据。
按照这个方法,逐渐增加亚铁的数量,并对其进行摇摆试验,测量其摇摆横倾角并保存数据;
9、点击倾角测量软件界面上的“退出”按钮,关闭该软件,结束实验。
五、数据处理
1.时历曲线及其原始数据:
1、不加铁块时
数据表1-1时历曲线数据记录表(不加铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
12.11
22.49
12
-1.56
-10.52
-15.5
-16.65
-14.18
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
7.79
12.19
4.27
-3.13
-10.3
-9.84
-6.91
5.42
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
6.72
5.68
2.28
-1.74
-4.74
-6.37
-2.59
-0.21
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
1.99
2.92
2.37
0.6
-4.02
-4.17
-3.54
-1.12
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
-0.08
0.56
-1.13
-2.01
-2.65
-2.9
-2.73
-2.25
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
-1.63
-0.63
-0.49
-0.62
-1.73
-2.04
-2.02
-1.75
t/s
4.8
4.9
5
y/°
-1.07
-1.06
-1.14
图1-1时历曲线(不加铁块)
数据表1-2-Δθ-θm数据处理表
θk/°
10.04
5.55
2.89
θk+1°
8.55
6.04
4.57
θm/°
9.295
5.795
3.73
Δθ/°
1.49
-0.245
-1.68
图1-2横摇消灭曲线(不加铁块)
2、铁块横放时
数据表2-1时历曲线数据记录表(加一铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
23.03
25.65
29.68
30
30
30
25.83
12.11
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
-1.62
-16.7
-19.6
-19.4
-16.5
-9.41
-0.9
8.21
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
14.41
18.33
15.78
9.05
0.35
-6.15
-10.25
-11.99
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
-3.12
9.81
10.39
8.62
4.24
-1.07
-4.99
-7.53
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
-8.29
-1.17
2.58
5.43
6.68
6.16
3.9
-2.6
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
-4.94
-6.13
-2.15
0.43
2.99
4.46
3.19
0.88
t/s
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
y/°
-3.4
-4.6
-4.79
-2.33
-0.44
1.47
2.65
1.92
t/s
5.6
5.7
5.8
5.9
6
6.1
6.2
6.3
y/°
0.34
-1.17
-3.21
-3.28
-2.68
-0.47
0.55
1.08
t/s
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
y/°
0.88
-0.81
-1.67
-2.22
-1.83
-1.04
-0.21
-0.12
t/s
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
y/°
-0.94
-2.36
-1.81
0.59
0.64
0.17
-1.15
-1.75
t/s
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
y/°
-2.17
-1.75
-0.93
0.06
1.5
1.05
-2.31
-2.97
图2-1时历曲线(加一铁块)
数据表2-1-Δθ-θm数据处理表(加一铁块)
θk/°
0.39
6.68
4.46
θk+1/
8.29
6.13
4.79
θm/°
9.34
6.405
4.625
Δθ/°
2.1
0.55
-0.33
图2-1横摇消灭曲线(加一铁块)
加两块铁
数据表2-2时历曲线数据记录表(加二铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
19.64
21.88
28.77
30
30
22.03
15.24
6.13
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
-2.79
-8.69
-12.69
-14.9
-13.54
-9.85
-4.53
7.03
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
10.98
13.16
13.66
8.71
3.63
-5.39
-8.02
-9.18
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
-8.9
-4.5
-1.1
2.77
7.77
8.25
7.32
5.06
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
1.87
-1.31
-3.88
-6.67
-6.5
-5.32
1.87
4.26
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
5.68
5.11
3.22
0.61
-5.01
-5.49
-2.12
-0.13
t/s
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
y/°
2.19
4.78
4.63
3.52
-0.58
-2.46
-3.98
-4.2
t/s
5.6
5.7
5.8
5.9
6
6.1
6.2
6.3
y/°
-2.75
-0.88
3.2
4.2
4.19
1.5
-0.51
-2.2
t/s
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
y/°
-4.2
-3.49
1.01
2.53
3.32
0.8
-0.83
-2.21
t/s
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
y/°
-3.2
-3.6
-3.41
-2.72
-0.39
1.02
2.11
2.2
t/s
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
y/°
1.21
-0.14
-2.21
-2.74
-2.77
-2.44
-1.81
-0.99
图2-2时历曲线(加二铁块)
数据表2-2-Δθ-θm数据处理表(加二铁块)
θk/°
13.66
8.25
5.68
θk+1/
9.18
6.67
5.49
θm/°
11.42
7.46
5.585
Δθ/°
4.48
1.58
0.19
图2-2横摇消灭曲线(加二铁块)
加三块铁
数据表2-3时历曲线数据记录表(加三铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
22.58
25.91
26.78
27.43
27.58
26.52
24.01
16.52
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
7.52
-6.58
-10.64
-13.4
-15.26
-14.07
-3.61
0.63
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
10.78
12.03
12.27
9.43
6.43
-3.66
-5.91
-7.37
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
-6.67
-4.96
-0.45
2.27
4.54
6.83
6.11
4.72
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
0.51
-1.41
-5.06
-5.23
-4.84
-2.67
-1.17
0.49
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
4.53
4.79
4.46
3.58
2.25
0.6
-0.88
-3.88
t/s
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
y/°
-4.12
-2.31
-1.16
2.63
3.38
3.65
2.84
1.85
t/s
5.6
5.7
5.8
5.9
6
6.1
6.2
6.3
y/°
0.58
-2.59
-3.23
-3.5
-3.33
-2.77
-1.9
-0.92
t/s
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
y/°
0.91
1.61
2.14
2.48
1.8
0.67
-1.59
-2.45
图2-3时历曲线(加三铁块)
数据表2-3Δθ-θm数据处理表(加三铁块)
θk/°
12.27
6.83
4.79
θk+1/
7.37
5.23
4.12
θm/°
9.82
6.03
4.455
Δθ/°
4.9
1.6
0.67
图2-3横摇消灭曲线(加三铁块)
3、铁块竖放时
一块铁
数据表3-1时历曲线数据记录表(加一铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
16.4
18.23
19.66
26.27
19.56
7.94
-14.01
-19.08
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
-15.43
-6.68
2.25
16.89
19.68
19.53
-0.74
-6.97
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
-11.21
-7.74
-2.4
8.92
11.81
12.47
10.35
5.39
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
-0.65
-4.93
-8.45
-7.33
-4.6
6.32
7.77
7.41
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
-1.41
-3.84
-5.56
-4.61
-2.75
4.19
5.04
3.09
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
0.79
-1.28
-2.86
-3.81
-3.07
-1.79
2.37
2.85
t/s
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
y/°
0.49
-0.7
-1.66
-2.41
-2.12
-0.07
0.57
0.98
t/s
5.6
5.7
5.8
5.9
6
6.1
6.2
6.3
y/°
1.17
1.22
1.11
0.75
-1.6
-2.39
-2.79
-2.62
t/s
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
y/°
-1.78
-0.46
1.28
2.46
1.04
-0.51
-1.66
-2.35
t/s
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
y/°
-2.49
-0.83
-0.18
0.51
1.53
1.04
0.09
图3-1时历曲线(加三铁块)
两块铁
数据表3-2时历曲线数据记录表(加二铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
0.79
0.09
-0.77
5.21
8.71
19.13
22.61
25.41
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
13.61
-1.34
-10.07
-20.29
-20.3
-18.41
-13.96
-7.29
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
0.05
7.75
16.96
18.65
18.43
3.97
-2.36
-9.26
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
-10.17
-9.42
-7.12
-3.61
0.62
5.36
10.66
9.16
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
6.14
-1.57
-4.31
-6.03
-5.89
-4.15
-1.64
4.61
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
6.7
7.56
7.11
2.82
-0.16
-2.34
-4.66
-4.44
t/s
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
y/°
-3.37
2.86
4.62
5.45
5.3
4.2
2.39
-2.73
t/s
5.6
5.7
5.8
5.9
6
6.1
6.2
6.3
y/°
-3.39
-3.34
0.14
2.08
4.47
3.68
2.2
0.31
t/s
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
y/°
-1.22
-2.4
-3.05
-2.42
-1.29
0.18
4.28
4.23
图3-1时历曲线(加三铁块)
加三块铁
数据表3-3时历曲线数据记录表(加三铁块)
t/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
y/°
14.9
15.89
17.44
18.61
20.28
24.98
18.69
9.9
t/s
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
y/°
0.66
-5.67
-10.26
-13.38
-16.04
-15.09
-9.34
-5.15
t/s
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
y/°
-0.77
4.15
8.16
10.96
12.59
13.07
10.47
7.34
t/s
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
y/°
3.49
-0.47
-3.5
-5.97
-8.06
-7.03
-5.32
2.2
t/s
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
y/°
4.75
7.5
7.57
6.75
0.33
-1.7
-3.43
-5.42
t/s
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
y/°
-5.52
-5.02
-0.99
0.81
2.66
4.08
4.94
5.19
t/s
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
y/°
2.27
0.44
-1.11
-3.5
-4.14
-4.31
-2.2
-0.96
t/s
5.6
5.7
5.8
5.9
6
6.1
6.2
6.3
y/°
0.37
1.83
2.96
3.68
3.92
1.84
0.46
-2.71
t/s
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
y/°
-3.29
-2.83
-1.96
-0.91
0.18
1.33
2.14
2.63
t/s
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
y/°
2.86
2.58
1.92
-1.53
-2.51
-3.17
-3.12
-2.51
图3-1时历曲线(加三铁块)
4、船舶横摇固有周期Ts
不加铁块时Ts=0.85s
加一块铁横放时Ts=0.90s
加两块铁横放时Ts=1.05s
加三块铁横放时Ts=1.20s
加一块铁竖放时Ts=0.85s
加两块铁竖放时Ts=0.95s
加三块铁竖放时Ts=1.30s
5、无因次衰减系数μ
在半个周期时间间隔内,横摇幅值绝对值的变化为:
在半个周期时间间隔内,横摇幅值绝对值的变化为:
由θk+θk+1=2θm,θk-θk+1=Δθ可以得θk+1=θm+(Δθ÷2)
θk=θm-(Δθ÷2),而直线斜率k=Δθ÷θm所以可以推得:
依次代入四种不同情况下横摇消灭曲线的直线斜率k0=0.4007k1=0.5166k2=0.7348k3=0.8036
由上面计算公式可分别得出各种情况下的无因次衰减系数:
不加铁块时μ=0.1294
加一块铁横放时μ=0.1740
加二块铁横放时μ=0.2455
加三块铁横放时μ=0.2712
可见无因次因子μ随重心垂向增加而增加。
六:
问题分析
(a)重心对船舶横摇周期的影响,并说明原因
答:
随着加载铁块的数目增加,重心上升,横摇固有周期变长。
因为:
(1)
当重心上升,KG增大,而
0基本不变,船舶摇摆周期相应的增大。
b)铁块横放和竖放周期有什么变化,为什么?
(提示:
铁块横放和竖放时的重心垂向位置不变)
答:
铁块横放和竖放周期基本不变,因为重心垂向位置不变,由公式
(1)可知周期不发生变化,实验结果在误差范围内。
(c)对实验的误差进行分析
答:
(1)池壁效应影响结果的测定,因水池不够大,水波相互干涉以及水面波动影响船舶的横摇
(2)实际上铁块横放和竖放时,重心并不在统一位置,使得船模的重心垂向高度并不一致。
(3)船模的质量应该保持不变,但是实验过程中船模质量随着铁块质量的增加而不断改变,影响结果的测定。
(4)船模尾部的传感线对船模有利的作用,对船模的运动有影响。
(5)在实验中施加力矩时,由于不能很好控制力,船模在横摇的同时有横荡运动。
(6)横摇时历曲线最高点及最低点的选取只能用软件所测录的点,并不能读取极值。
以上因素皆使得实验误差增大。
七:
实验的改进建议
答:
(1)改用面积更大的水池
(2)一次往船模上加3个铁块,逐渐往上移动铁块,重心依次增加。
(3)改用实验软件,使得能够存储实验图像—历时图,并且能从图像上读取极值。
(4)船模尾部的线改用柔性线。
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- 船舶 摇摆 实验