船模四自由度旋臂試驗裝置及方法
【專利摘要】船模四自由度旋臂試驗裝置，包括可回轉(zhuǎn)旋臂、旋臂與船模之間的測量機構(gòu)，測量機構(gòu)包括與旋臂拖車固接的中間座，升沉桿穿過中間座并可上下滑動，升沉桿下端底板上裝有直線位移傳感器，底板上端通過鋼絲繩連接有配重；底板下端連接有四分量測力傳感器，四分量測力傳感器與縱搖座固接，縱搖座可轉(zhuǎn)動設(shè)有與旋轉(zhuǎn)電位器連接的縱搖軸，縱搖軸與中框固接，中框連接有橫傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)。本發(fā)明還提供了通過五種試驗工況下的旋臂試驗測量縱向、橫向、橫搖、艏搖上的水動力，并進而通過相應(yīng)的操縱運動方程求取水動力導(dǎo)數(shù)的試驗方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)船?？v傾角、升沉位移以及船模在四個運動方向上的水動力測量，能夠預(yù)報船舶在所述四個運動方向上的操縱性能。
【專利說明】船模四自由度旋臂試驗裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及拘束船模試驗【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用來測定船模作圓周運動時的水動 力特性的船模旋臂試驗，尤其涉及用于測量回轉(zhuǎn)過程中船模升沉位移、縱傾姿態(tài)變化、船模 在四個運動方向（包括縱向、橫向、橫搖、艏搖）上的水動力的試驗裝置以及通過該試驗裝 置最終獲得水動力導(dǎo)數(shù)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 拘束模型試驗是目前獲得船舶水動力導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用最為廣泛的方法，即用機械的約 束，強迫船模作規(guī)定的運動，如直線運動、回轉(zhuǎn)運動等，在模型試驗時，通過系統(tǒng)地改變船模 的運動參數(shù)，測定作用在船模上的水動力，從而求得各水動力導(dǎo)數(shù)，而水動力導(dǎo)數(shù)是船舶操 縱性的重要指標之一。拘束模型試驗中的旋臂試驗是在旋臂水池中進行的，水池中間某立 柱處有一旋臂，船模以一定漂角和舵角安裝在旋臂下方拖車上，試驗時，旋臂以一定的角 速度運動，強迫船模按一定回轉(zhuǎn)半徑、一定的漂角和舵角作定?；剞D(zhuǎn)運動，用多分力測力 傳感器可以測量作用在船模上的水動力。獲取船模操縱性水動力后，通過回歸分析可以獲 得該船操縱運動數(shù)學(xué)模型中的水動力系數(shù)，結(jié)合船舶運動方程可以預(yù)報該船的操縱性能。
[0003] 目前，國內(nèi)外靜水中的操縱性預(yù)報大都采用二自由度或三自由度操縱運動方程， 即縱向力X、橫向力Y、艏搖力矩N三個水動力的操縱運動方程，然而，由于高速船、高重心船 舶（如大型集裝箱船、滾裝船等）都具有較大的回轉(zhuǎn)橫傾以及配合真實海況下操縱控制的 仿真技術(shù)研究，這種三自由度操縱運動方程無法完全預(yù)報高速船以及高重心船舶的操縱性 能，因此，對于高速船以及高重心船舶航行時的船模旋臂試驗，除了需要船模常規(guī)帶艏搖角 運動，還需要船模能在垂向及縱搖方向是自由運動的，同時能還要進行變橫傾水動力試驗， 目前還沒有這種船模四自由度操縱性旋臂試驗的測量裝置，并且由于船模內(nèi)部控制及旋臂 水池的安裝條件有限，需要該旋臂試驗測量裝置不易過大，這加大了旋臂試驗測量裝置的 設(shè)計難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本 申請人:針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點進行改進，提供一種船模四自由度旋臂試驗 裝置及方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)船?？v傾角、升沉位移以及船模在四個運動方向（包括縱向、橫 向、橫搖、艏搖）上的水動力的測量，能夠預(yù)報船舶在所述四個運動方向上的操縱性能。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明之船模四自由度旋臂試驗裝置，包括可回轉(zhuǎn)的旋臂，旋臂一端連接在水池 中的立柱上，另一端通過連接支桿與拖車及漂角調(diào)節(jié)機構(gòu)連接，拖車及漂角調(diào)節(jié)機構(gòu)與船 模之間連接有測量機構(gòu)，所述測量機構(gòu)包括與拖車及漂角調(diào)節(jié)機構(gòu)固接的中間座，升沉桿 穿過中間座并可上下滑動，升沉桿的下端與底板固接，底板上裝有直線位移傳感器，底板上 端與鋼絲繩連接，鋼絲繩另一端繞過滑輪后與配重桿連接，配重桿套設(shè)在導(dǎo)向座內(nèi)，配重桿 的下端固設(shè)有托盤，托盤用于放置配重，滑輪通過軸承裝置裝在安裝座上，導(dǎo)向座與安裝座 固接；底板下端與連接桿連接，連接桿與四分量測力傳感器固接，四分量測力傳感器另一端 與縱搖座固接，縱搖座上通過軸承裝置裝有縱搖軸，縱搖軸一端與旋轉(zhuǎn)電位器連接，縱搖軸 上固裝有中框，中框的兩端分別與橫搖固定座固接，橫搖固定座上固接有橫搖角度盤，橫搖 固定座下端固接有模型底座，模型底座與船模連接。
[0007] 其進一步技術(shù)方案為：
[0008] 至少兩根升沉桿穿過中間座并可沿中間座上下滑動，多跟升沉桿對稱設(shè)在鋼絲繩 的兩側(cè)。
[0009] 所述升沉桿的外周套接有軸承套一，升沉桿的外周與軸承套一的內(nèi)周面之間設(shè)有 直線軸承一，軸承套一固接在中間座上。
[0010] 所述配重桿的外周套接有軸承套二，配重桿的外周與軸承套二的內(nèi)周面之間設(shè)有 直線軸承二，軸承套二固接在導(dǎo)向座上。
[0011] 所述升沉桿的上端固接有限位套。
[0012] 所述縱搖座開有開口向上的U形槽，所述U形槽的兩側(cè)壁上通過軸承及軸承蓋分 別裝有一根縱搖軸，其中一根縱搖軸通過聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)電位器的伸出軸連接，中框的兩側(cè) 壁分別固裝在兩根縱搖軸上。
[0013] 所述中框的側(cè)壁一端與縱搖軸的軸肩抵接，另一端通過鎖緊螺母鎖緊在縱搖軸 上。
[0014] 本發(fā)明之船模四自由度旋臂試驗方法，包含以下步驟：
[0015] 第一步，開展船模五種工況下的四自由度旋臂試驗：開展船模純回轉(zhuǎn)試驗、回轉(zhuǎn)變 漂角試驗、回轉(zhuǎn)變漂角變舵角試驗、回轉(zhuǎn)變橫傾角試驗及回轉(zhuǎn)變橫傾角變漂角試驗,通過測 量機構(gòu)中的四分量測力傳感器測量作用在船模上的四自由度水動力，即縱向力X、橫向力 Y、橫滾力矩K、艏搖力矩N，其中，純回轉(zhuǎn)試驗工況下，測量船模在不同回轉(zhuǎn)角速度下進行純 回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變漂角試驗工況下，測量船模在不同漂角下進行回轉(zhuǎn)時的 四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變漂角變舵角試驗工況下，測量船模在不同漂角及不同舵角下進行 回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變橫傾角試驗工況下，測量船模在不同橫傾角下進行回轉(zhuǎn) 時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變橫傾角變漂角試驗工況下，測量船模在不同漂角及不同橫傾 角下進行回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；
[0016] 第二步，將由第一步驟中五種試驗工況采集到的四自由度水動力試驗數(shù)據(jù)，分別 按下述操縱運動方程進行數(shù)據(jù)回歸處理，由此求取船舶的操縱性水動力導(dǎo)數(shù)，一共54個，

【權(quán)利要求】
1. 船模四自由度旋臂試驗裝置，包括可回轉(zhuǎn)的旋臂（1)，旋臂（1) 一端連接在水池中的 立柱（2)上，另一端通過連接支桿（3)與拖車及漂角調(diào)節(jié)機構(gòu)（4)連接，拖車及漂角調(diào)節(jié)機 構(gòu)（4)與船模（6)之間連接有測量機構(gòu)（5)，其特征在于：所述測量機構(gòu)（5)包括與拖車及 漂角調(diào)節(jié)機構(gòu)（4)固接的中間座（502)，升沉桿（503)穿過中間座（502)并可上下滑動，升 沉桿（503)的下端與底板（504)固接，底板（504)上裝有直線位移傳感器（501)，底板（504) 上端與鋼絲繩（505)連接，鋼絲繩（505)另一端繞過滑輪（506)后與配重桿（507)連接，配 重桿（507)套設(shè)在導(dǎo)向座（508)內(nèi)，配重桿（507)的下端固設(shè)有托盤（509)，托盤（509)用 于放置配重（510)，滑輪（506)通過軸承裝置裝在安裝座（511)上，導(dǎo)向座（508)與安裝座 (511)固接；底板（504)下端與連接桿（512)連接，連接桿（512)與四分量測力傳感器（513) 固接，四分量測力傳感器（513)另一端與縱搖座（514)固接，縱搖座（514)上通過軸承裝置 裝有縱搖軸（515)，縱搖軸（515) -端與旋轉(zhuǎn)電位器（516)連接，縱搖軸（515)上固裝有中 框（517)，中框（517)的兩端分別與橫搖固定座（518)固接，橫搖固定座（518)上固接有橫 搖角度盤（519)，橫搖固定座（518)下端固接有模型底座（520)，模型底座（520)與船模連 接。
2. 按權(quán)利要求1所述的船模四自由度旋臂試驗裝置，其特征在于：至少兩根升沉桿 (503)穿過中間座（502)并可沿中間座（502)上下滑動，多跟升沉桿（503)對稱設(shè)在鋼絲繩 (505)的兩側(cè)。
3. 按權(quán)利要求1所述的船模四自由度旋臂試驗裝置，其特征在于：所述升沉桿（503) 的外周套接有軸承套一（521)，升沉桿（503)的外周與軸承套一（521)的內(nèi)周面之間設(shè)有直 線軸承一（522)，軸承套一（521)固接在中間座（502)上。
4. 按權(quán)利要求1所述的船模四自由度旋臂試驗裝置，其特征在于：所述配重桿（507) 的外周套接有軸承套二（523)，配重桿（507)的外周與軸承套二（523)的內(nèi)周面之間設(shè)有直 線軸承二（524)，軸承套二（523)固接在導(dǎo)向座（508)上。
5. 按權(quán)利要求1所述的船模四自由度旋臂試驗裝置，其特征在于：所述升沉桿（503) 的上端固接有限位套（525)。
6. 按權(quán)利要求1所述的船模四自由度旋臂試驗裝置，其特征在于：所述縱搖座（514) 開有開口向上的U形槽，所述U形槽的兩側(cè)壁上通過軸承及軸承蓋（526)分別裝有一根縱 搖軸（515)，其中一根縱搖軸（515)通過聯(lián)軸器（527)與旋轉(zhuǎn)電位器（516)的伸出軸連接， 中框（517)的兩側(cè)壁分別固裝在兩根縱搖軸（515)上。
7. 按權(quán)利要求6所述的船模四自由度旋臂試驗裝置，其特征在于：所述中框（517)的 側(cè)壁一端與縱搖軸（515)的軸肩抵接，另一端通過鎖緊螺母（528)鎖緊在縱搖軸（515)上。
8. 利用權(quán)利要求1至7任一權(quán)利要求所述的船模四自由度旋臂試驗裝置進行船模四自 由度旋臂試驗的方法，其特征在于，包含以下步驟： 第一步，開展船模五種工況下的四自由度旋臂試驗：開展船模純回轉(zhuǎn)試驗、回轉(zhuǎn)變漂角 試驗、回轉(zhuǎn)變漂角變舵角試驗、回轉(zhuǎn)變橫傾角試驗及回轉(zhuǎn)變橫傾角變漂角試驗，通過測量機 構(gòu)（5)中的四分量測力傳感器（513)測量作用在船模（6)上的四自由度水動力，即縱向力 X、橫向力Y、橫滾力矩K、艏搖力矩N，其中，純回轉(zhuǎn)試驗工況下，測量船模在不同回轉(zhuǎn)角速度 下進行純回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變漂角試驗工況下，測量船模在不同漂角下進行 回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變漂角變舵角試驗工況下，測量船模在不同漂角及不同舵 角下進行回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變橫傾角試驗工況下，測量船模在不同橫傾角下 進行回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力；回轉(zhuǎn)變橫傾角變漂角試驗工況下，測量船模在不同漂角及 不同橫傾角下進行回轉(zhuǎn)時的四自由度水動力； 第二步，將由第一步驟中五種試驗工況采集到的四自由度水動力試驗數(shù)據(jù)，分別按 下述操縱運動方程進行數(shù)據(jù)回歸處理，由此求取船舶的操縱性水動力導(dǎo)數(shù)，一共54個，即
式中，X，Y，K，N分別為作用在船模（6)上的四自由度水動力，P為水的密度，V為船模 試驗速度，L為船模長度，v為船模速度在船模y軸上的分量，r為船?；剞D(zhuǎn)角速度，Φ為船 模的橫傾角。V為船模速度分量v的無因次化形式，r'為船模回轉(zhuǎn)角速度r的無因次化 形式，X' 分別為作用在船模四個運動方向上水動力對下標所示變 量的導(dǎo)數(shù)。
9.按權(quán)利要求8所述的船模四自由度旋臂試驗方法，其特征在于：在第二步驟之后，進 行回轉(zhuǎn)變漂角試驗工況下的重復(fù)試驗，進行四自由度旋臂試驗不確定度分析。
【文檔編號】B63B9/02GK104085500SQ201410326819
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】趙橋生, 吳寶山, 杜茉, 馮駿, 王英杰 申請人:中國船舶重工集團公司第七○二研究所