CN102982709B - 一种船模静力学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种静力学实验装置，尤其是一种适用于船模浮态调整实验教学和船模倾斜实验教学，也适用于浮体模型水力学性能试验研究的静力学实验装置。船模静力学实验装置，主要包括静力学水槽（1）、连接架（2）、姿态仪（3）和数据采集与分析处理部分，静力学水槽由两段对称的槽体通过螺栓连接构成，槽体的侧壁和底面用玻璃胶粘接玻璃壁；连接架由上横槽钢、下横槽钢和竖槽钢焊接而成，固定在静力学水槽上方的中间位置；姿态仪安装在连接架上。本发明不仅可以实现模型的横摇、纵摇运动，还能够实现升沉运动，同时，扇齿轮、角位移传感器、传动件的设置及轻质铝材料的选择，使姿态仪具有较小的阻尼影响，保证了测量的精度。

Description

一种船模静力学实验装置

技术领域

本发明专利涉及一种静力学实验装置，尤其是一种适用于船模浮态调整实验教学和船模倾斜实验教学，也适用于浮体模型水力学性能试验研究的静力学实验装置。

背景技术

近年来，国际海运事业蓬勃发展，各国不断加强海军建设，对船舶结构和性能的研究提出了迫切的需求。这样的背景下，各国加大了国内高校船舶专业的建设，并对各高校船舶专业教学质量，尤其是对培养学生创造性思维能力和动手能力的实验教学提出了较高的要求。

目前，船舶专业的实验教学主要包括船舶结构强度实验教学、船舶阻力性能实验教学、船舶耐波性能实验教学、船舶操纵性能实验教学等，关于船模浮态调整和船模倾斜的船舶静力学实验教学较少，而船舶载重量和重心位置又是实船验收中校核的关键，需要进行实船浮态调整试验和倾斜试验测量，开设船模静力学实验对专业知识的传授、学生动手能力的培养和学生未来的工作应用显得尤为重要。开发船模静力学实验装置成为解决上诉问题的关键。本专利的目的是发明一种适用于高等学校船舶专业实验教学的静力学实验装置，主要用于船模浮态调整实验教学和船模倾斜实验教学，也适用于浮体模型水力学性能的试验研究。

经检索发现，专利申请号为201020608632.3，授权公告号为CN202159449U的实用新型专利“流体静力学实验装置”，包括增压管主体3及设置在其下部的循环水槽1，循环泵2，右端的缓冲密封罐4、液位计5、水-空气U形压差计6、煤油-空气U形压差计7、水银-空气U形压差计8、水-水银双液柱压差计9、水-苯甲醇微差计10，水-空气单管压力计11、水封12和上部的导流管13。在导流管的管壁上开有多个测压孔，每个测压孔通过硅胶管与各自的测压玻璃管连接。本实用新型由于设置了多个测点，安装有多个压差计因此可演示U形管压差计、单管压力计、液位计、微差计、液封、连通器的工作原理，可进行正负压操作，并可测定某些液体的密度。论文“船模强制运动装置可行性方案分析与设计”中，涉及一种船模强制运动装置，该装置以AWD直线运动平台和曲柄滑块机构作为核心运动构件，实现船模的强制六个自由度运动。

本发明专利与申请号为201020608632.3，授权公告号为CN202159449U的实用新型专利“流体静力学实验装置”以及论文“船模强制运动装置可行性方案分析与设计”中涉及一种船模强制运动装置，在用途、工作原理、结构组成和形式上完全不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构强度高、易于加工和制造、便于拆装和搬运、使用和操作方便、测量精度高的静力学实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

船模静力学实验装置，主要包括静力学水槽(1)、连接架(2)、姿态仪(3)和数据采集与分析处理部分，静力学水槽由两段对称的槽体通过螺栓连接构成，两段槽体之间垫有防漏橡胶垫，槽体由竖钢和上、下角钢焊接构成骨架，槽体的侧壁和底面用玻璃胶粘接玻璃壁；连接架由上横槽钢、下横槽钢和竖槽钢焊接而成，固定在静力学水槽上方的中间位置；姿态仪安装在连接架上。

姿态仪(3)包括垂向测量部分和角度测量部分，垂向测量部分包括1根竖杆(33)，竖杆两端装有拉线支柱(35)，拉线支柱之间装有拉线(37)，竖杆底部安装有竖杆连接座(34)，竖杆上套有支撑框架(29)，支撑框架上、下两端分别固定有4根支撑柱(30)，每根支撑柱上装有2根轴(31)，每根轴固定1个滚珠轴承(32)，支撑框架上方套有固定卡(44)，支撑框架的侧面安有1个线位移传感器支座(38)，线位移传感器支座上安有1个线位移传感器(39)和一个从动轮(43)；角度测量部分包括连接在竖杆连接座上的上连接板(46)，上连接板两侧固定有纵摇支撑板(48)，十字转轴(70)的横轴(72)两端套在2个纵摇支撑板的轴承孔中，十字转轴的纵轴(71)两端套在2个横摇支撑板(63)的轴承孔中，横摇支撑板下连有下连接板(58)，下连接板上活连接模型连接板(60)，纵摇支撑板的一侧有2根连接螺杆(49)，连接螺杆固定1块纵摇角位移传感器连接板(53)，十字转轴的横轴的一端装有纵摇扇齿轮(56)，纵摇扇齿轮与纵摇圆齿轮(57)齿合，纵摇圆齿轮与纵摇角位移传感器(51)连接，安装在纵摇角位移传感器连接板上，横摇支撑板上安有1块横摇角位移传感器连接板(64)，十字转轴的纵轴两端装有横摇轴承(66)，一个横摇轴承内侧的纵轴上装有横摇扇齿轮(67)，横摇扇齿轮与横摇圆齿轮(68)齿合，横摇圆齿轮与横摇角位移传感器(65)连接，安装在横摇角位移传感器连接板上。

静力学水槽的槽体为钢骨架结构，玻璃壁面；连接架为槽钢架；姿态仪为铝合金材料。

固定卡通过固定卡螺栓(45)夹紧竖杆,并将竖杆及附连构件搭于支撑框架上端的滚珠轴承上限位，模型连接板利用模型连接孔(61)，通过木螺钉与船模活连接。

固定卡通过固定卡螺栓(45)夹紧竖杆,并将竖杆及附连构件搭于支撑框架上端的滚珠轴承上限位，模型连接板利用模型连接孔(61)，通过木螺钉与船模活连接。

本发明的有益效果在于：

(1)采用了水槽、连接架、姿态仪和数据采集与分析处理部分的结构组成，使装置不仅适用于各类浮体模型水力学性能的试验研究，尤其适用于船模浮态调整实验教学和船模倾斜实验教学。

(2)水槽部分采用角钢骨架结构和玻璃壁面，降低了槽体自重，方便实验观察和操作，尤其是角钢骨架的连接方式保证了槽体结构的美观，增强了槽体结构的强度，而槽体的分段设置及连接方式又有利于增大槽体容积，方便槽体的拆装和移动。

(3)姿态仪的独特设计不仅可以实现模型的横摇、纵摇运动，还能够实现升沉运动，同时，扇齿轮、角位移传感器、传动件的设置及轻质铝材料的选择，不仅方便横摇、纵摇、横倾、纵倾、垂荡、升沉的测量，还使姿态仪具有较小的阻尼影响，保证了测量的精度。

(4)应用了电测技术和原件、设备，使实验中横摇、纵摇、横倾、纵倾、垂荡和升沉的测量具有较高的精度，采用东华DH5920数据采集与分析处理系统，使实验数据的采集集成于一个采集界面，方便采集数据读取和输出，提高了实验效率。

(5)本发明的装置容易加工和制造，成本较低，使用和操作方便。

附图说明

图1船模静力学实验装置结构总图；

图2静力学水槽单段槽体结构图；

图3连接架结构图；

图4垂向测量部分结构图；

图5支撑框架及其附连构件结构图；

图6角度测量部分结构图；

图7十字转轴结构图；

图8数据采集与分析处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利的实施方案进行详细说明：

如图1-8所示，本发明专利包括静力学水槽1、连接架2、姿态仪3和数据采集与分析处理部分。

图中：1.静力学水槽，2.连接架，3.姿态仪，4.计算机，5.数据采集器,6.供电电源,7.数据线，8.数据采集与分析处理软件，9.1号竖钢，10.2号竖钢，11.3号竖钢，12.4号竖钢，13.1号下角钢，14.2号下角钢，15.3号下角钢，16.4号下角钢，17.1号上角钢，18.2号上角钢，19.3号上角钢，20.侧结构加强板，21.底结构加强板，22.结构加强角钢，23.上横槽钢，24.下横槽钢，25.竖槽钢，26.连接座，27.槽体连接孔，28.支撑框架连接孔，29.支撑框架，30.支撑柱，31.轴，32.滚珠轴承，33.竖杆,34.竖杆连接座，35.拉线支柱，36.拉线孔，37.拉线，38.线位移传感器支座，39.线位移传感器，40.线位移传感器转轴，41.连接架连接孔，42.角度测量部分连接孔，43.从动轮，44.固定卡，45.固定卡螺栓，46.上连接板，47.上连接板孔，48.纵摇支撑板，49.连接螺杆，50.螺帽，51.纵摇角位移传感器，52.纵摇角位移传感器转轴，53.纵摇角位移传感器连接板，54.纵摇轴承，55.纵摇轴承孔，56.纵摇扇齿轮，57.纵摇圆齿轮，58.下连接板，59.下连接螺栓，60.模型连接板，61.模型连接孔，62.木螺钉，63.横摇支撑板，64.横摇角位移传感器连接板，65.横摇角位移传感器，66.横摇轴承，67.横摇扇齿轮，68.横摇圆齿轮，69.横摇轴承孔，70.十字转轴，71.纵轴，72.横轴，73.下连接板孔，74.横摇角位移传感器转轴。

静力学水槽1采用钢骨架结构，玻璃壁面。静力学水槽1分为对称的两段，每段包括4根竖钢(1号竖钢9、2号竖钢10、3号竖钢11、4号竖钢12)、4根下角钢(1号下角钢13、2号下角钢14、3号下角钢15、4号下角钢16)、3根上角钢(1号上角钢17、2号上角钢18、3号上角钢19)、4块侧结构加强版20、1块底结构加强版21、1根结构加强角钢22。1号竖钢9和2号竖钢10选用T形钢，3号竖钢11和4号竖钢12选用角钢。1号下角钢13、2号下角钢14、3号下角钢15的角口向上朝内，4号下角钢16的角口向下朝内，1号上角钢17、3号上角钢19的角口向下朝外，2号上角钢18的角口向下朝内。4块侧结构加强板20分别焊于1号竖钢9和1号下角钢13、2号竖钢10和3号下角钢15、3号竖钢11和3号下角钢15、4号竖钢12和1号下角钢13之间。底结构加强板21一端焊于1号下角钢13的中间处，另一端焊于3号下角钢15的中间处。结构加强角钢22一端焊于1号竖钢9的下端，另一端焊于2号竖钢10的下端。两段槽体对应的3号竖钢11、4号竖钢12、4号下角钢16分别相对，并通过螺栓活连接。两段槽体对应的3号竖钢11、4号竖钢12和4号下角钢16间垫有防漏橡胶垫。玻璃板置于每段槽体的底面和三侧壁面上，与上、下角钢及竖钢间通过玻璃胶粘接和水密防漏。

连接架2包括1根上横槽钢23、1根下横槽钢24、2根竖槽钢25。上横槽钢23和下横槽钢24上分别开有2个支撑框架连接孔28，与支撑框架29上的连接架连接孔41通过螺栓活连接。上横槽钢23和下横槽钢24的槽口向下，两根竖槽钢25的槽口向内。上横槽钢23和下横槽钢24的两端分别与两根竖槽钢25的上端焊连。每个竖槽钢25的下端焊连有一个连接座26，连接座26上开有两个槽体连接孔27，通过螺栓与静力学水槽1的槽体活连接。

姿态仪3为轻质铝合金材料，包括垂向测量部分和角度测量部分。垂向测量部分包括1个支撑框架29、8根支撑柱30、16根轴31、16个滚珠轴承32、1根竖杆33、1个竖杆连接座34、2根拉线支柱35、1根拉线37、1个线位移传感器支座38、1个线位移传感器39、1个从动轮43、1个固定卡44。16根支撑柱30分别位于支撑框架29的两端，支撑框架29的每个端立面上焊连有1个支撑柱30，每个支撑柱30的两侧分别焊连1个轴31，滚珠轴承32套于轴31上，并能绕轴31转动。竖杆33通过滚珠轴承32限位于支撑框架29内，并通过滚珠轴承32实现上下滑动。竖杆连接座34固连于竖杆33的下端，上面开有角度测量部分连接孔42，通过螺栓与角度测量部分活连接。拉线支柱35活连接于竖杆33的两端附近。每个拉线支柱35上开有1个拉线孔36，拉线37系于拉线孔36内，拉线37绕过从动轮43，拉线37随竖杆33上下运动，带动从动轮43转动。支撑框架29的一个侧面上开有4个连接架连接孔41，与连接架2活链接，另一个侧面上活连接有线位移传感器支座38，线位移传感器39活连接固定于线位移传感器支座38上。从动轮43与线位移传感器转轴40无相对位移活连接。固定卡44为对称结构，通过固定卡螺栓45连接和夹紧竖杆33，搭于滚珠轴承32上，定位竖杆33及其附连构件。角度测量部分包括1块上连接板46、2个纵摇支撑48、2根连接螺杆49、2个螺帽50、1个纵摇角位移传感器51、1块纵摇角位移传感器连接板52、2个纵摇轴承54、1个纵摇扇齿轮56、1个纵摇圆齿轮57、1块下连接板58、1块模型连接板60、2个横摇支撑63、1块横摇角位移传感器连接板64、1个横摇角位移传感器65、2个横摇轴承66、1个横摇扇齿轮67、1个横摇圆齿轮68、1个十字转轴70。上连接板46上开有4个上连接板孔47，每个纵摇支撑板48上开有1个纵摇轴承孔55，十字转轴70包括2个纵轴71和2个横轴72。2个纵摇支撑48的上端分别与上连接板46固连。纵摇轴承54套于十字转轴70的横轴72上，与十字转轴70的横轴72一起嵌于纵摇轴承孔55内。连接螺杆49一端活连接于纵摇支撑板48上，另一端通过螺帽50固定纵摇角位移传感器连接板53，纵摇角位移传感器51活连接于纵摇角位移传感器连接板53上。纵摇扇齿轮56位于横轴72的端部，纵摇支撑板48的外侧。纵摇圆齿轮57与纵摇角位移传感器转轴52无相对运动活连接，纵摇扇齿轮56与纵摇圆齿轮57齿合。船模发生纵摇时，十字转轴70的横轴72在纵摇轴承54内转动，带动轴端的纵摇扇齿轮56，进而带动纵摇圆齿轮57和纵摇角位移传感器转轴52转动，实现纵倾和纵摇的测量。模型连接板60上开有模型连接孔61，模型连接板60与船模通过木螺钉62活连接。下连接板58与模型连接板60通过下连接螺栓59活连接。横摇角位移传感器连接板64固连于一侧横摇支撑板63的上端，横摇角位移传感器65活连接固定于横摇角位移传感器连接板64上。两个横摇支撑板63的下端与下连接板58固连，每个横摇支撑板63上开有横摇轴承孔69。横摇轴承66套在十字转轴70的纵轴71上，嵌于横摇轴承孔69内。横摇扇齿轮67活连接固定于十字转轴70的纵轴71上，位于横摇支撑板63的内侧。横摇角位移传感65和横摇圆齿轮68通过横摇角位移传感器连接板64固定于横摇支撑板63上。横摇圆齿轮68与横摇角位移传感器转轴74无相对转动活连接。船模发生横摇时，下连接板58、横摇支撑板63、横摇角位移传感器连接板64、横摇角位移传感器65及横摇圆齿轮68构成的整体，通过横摇轴承66绕十字转轴70的纵轴71转动。纵轴71上的横摇扇齿轮67与横摇圆齿轮68产生相对运动，进而带动横摇角位移传感器转轴74转动，实现横倾和横摇的测量。线位移传感器39、纵摇角位移传感器51、横摇角位移传感器65均采用WDD35型角位移传感器。

数据采集与分析处理部分包括计算机4、数据采集与分析处理系统、供电电源6和数据线7。计算机4采用ThinkPad便携式计算机，配有1394数据线接口。数据采集与分析处理系统采用东华DH5920数据采集系统，包括数据采集器5和数据采集与分析处理软件8。数据采集器5对线位移传感器39、纵摇角位移传感器51和横摇角位移传感器65的数字信号进行采集，数据采集与分析处理软件8安装于计算机4内，对数字信号进行峰值、谷值、峰峰值和平均值的分析。供电电源6采用济南能华15V直流稳压供电电源，对线位移传感器39、纵摇角位移传感器51和横摇角位移传感器65进行供电。

一种船模静力学实验装置的工作原理及工作工程：

一种船模静力学实验装置主要用于船模浮态调整实验教学和船模倾斜实验教学，也可用于浮体模型水力学性能的试验研究。以实验教学应用为例，实验前，首先对线位移传感器39、纵摇角位移传感器51、横摇角位移传感器65进行标定，然后向静力学水槽1内充入自来水，充水量以满足实验要求为准。充完水后，将船模放入静力学水槽1内，槽内水体将船模浮起。将垂向测量部分的固定卡44松开并摘下，竖杆33及其附连构件在滚珠轴承32的限制下垂直落下，直至下连接板58与船模上的模型连接板60接触，找准船模位置，用下连接螺栓59连接下连接板58与船模上的模型连接板60。模型连好后，启动计算机4、数据采集器5、供电电源6和数据采集与分析处理软件8，数据采集与分析处理软件8采集初始状态。船模浮态调整或倾斜实验时，若船模发生横倾，船模带动下连接板58、横摇支撑板63、横摇角位移传感器连接板64、横摇角位移传感器65、横摇圆齿轮68、横摇轴承66构成的整体绕十字转轴70的纵轴71转动，纵轴71上的横摇扇齿轮67与横摇圆齿轮68发生相对运动，横摇角位移传感器65的角度感应发生变化，在计算机4上，数据采集与分析处理软件8通过数据采集器5采集横摇角位移传感器65上的角度感应，测得模型的横倾；若船模发生纵倾，船模带动下连接板58、横摇支撑板63、横摇角位移传感器连接板64、横摇角位移传感器65、横摇轴承66、横摇扇齿轮67、横摇圆齿轮68、十字转轴70构成的整体通过横轴72在纵摇轴承54内转动，横轴72上的纵摇扇齿轮56带动纵摇支撑板48上的纵摇圆齿轮57和纵摇角位移传感器转轴52转动，纵摇角位移传感器51的角度感应发生变化，在计算机4上，数据采集与分析处理软件8通过数据采集器5采集纵摇角位移传感器51上的角度感应，测得模型的纵倾。若模型发生升沉变化，船模经角度测量部分传递，带动竖杆33经滚珠轴承32限位，在支撑框架29内滑动，经竖杆33上拉线支柱35的作用，拉线37垂向运动，带动从动轮43和线位移传感器转轴40转动，线位移传感器39的角度感应发生变化，在计算机4上，数据采集与分析处理软件8通过数据采集器5采集线位移传感器39上的角度感应，测得模型的升沉变化。如果实验为动态测量，则测量的为横摇、纵摇和垂荡。实验结束后，关闭数据采集与分析处理软件8、数据采集器5、供电电源6和计算机4，解开下连接板58与模型连接板60的下连接螺栓59。抬起竖杆33及其附连构件，旋紧固定卡螺栓45，用固定卡44卡住竖杆33，竖杆33及其附连构件通过固定卡44搭于滚珠轴承32上。根据需要抬出船模和抽水，实验完毕。

Claims (4)

1.一种船模静力学实验装置，主要包括静力学水槽(1)、连接架(2)、姿态仪(3)和数据采集与分析处理部分，其特征是：静力学水槽由两段对称的槽体通过螺栓连接构成，两段槽体之间垫有防漏橡胶垫，槽体由竖钢和上、下角钢焊接构成骨架，槽体的侧壁和底面用玻璃胶粘接玻璃壁；连接架由上横槽钢、下横槽钢和竖槽钢焊接而成，固定在静力学水槽上方的中间位置；姿态仪安装在连接架上,所述的姿态仪(3)包括垂向测量部分和角度测量部分，垂向测量部分包括1根竖杆(33)，竖杆两端装有拉线支柱(35)，拉线支柱之间装有拉线(37)，竖杆底部安装有竖杆连接座(34)，竖杆上套有支撑框架(29)，支撑框架上、下两端分别固定有4根支撑柱(30)，每根支撑柱上装有2根轴(31)，每根轴固定1个滚珠轴承(32)，支撑框架上方套有固定卡(44)，支撑框架的侧面安有1个线位移传感器支座(38)，线位移传感器支座上安有1个线位移传感器(39)和一个从动轮(43)；角度测量部分包括连接在竖杆连接座上的上连接板(46)，上连接板两侧固定有纵摇支撑板(48)，十字转轴(70)的横轴(72)两端套在2个纵摇支撑板的轴承孔中，十字转轴的纵轴(71)两端套在2个横摇支撑板(63)的轴承孔中，横摇支撑板下连有下连接板(58)，下连接板上活连接模型连接板(60)，纵摇支撑板的一侧有2根连接螺杆(49)，连接螺杆固定1块纵摇角位移传感器连接板(53)，十字转轴的横轴的一端装有纵摇扇齿轮(56)，纵摇扇齿轮与纵摇圆齿轮(57)齿合，纵摇圆齿轮与纵摇角位移传感器(51)连接，安装在纵摇角位移传感器连接板上，横摇支撑板上安有1块横摇角位移传感器连接板(64)，十字转轴的纵轴两端装有横摇轴承(66)，一个横摇轴承内侧的纵轴上装有横摇扇齿轮(67)，横摇扇齿轮与横摇圆齿轮(68)齿合，横摇圆齿轮与横摇角位移传感器(65)连接，安装在横摇角位移传感器连接板上。

2.根据权利要求1所述的一种船模静力学实验装置，其特征是：所述的静力学水槽的槽体为钢骨架结构，玻璃壁面；连接架为槽钢架；姿态仪为铝合金材料。

3.根据权利要求1所述的一种船模静力学实验装置，其特征是：所述的固定卡通过固定卡螺栓(45)夹紧竖杆,并将竖杆及附连构件搭于支撑框架上端的滚珠轴承上限位，模型连接板利用模型连接孔(61)，通过木螺钉与船模活连接。

4.根据权利要求2所述的一种船模静力学实验装置，其特征是：所述的固定卡通过固定卡螺栓(45)夹紧竖杆,并将竖杆及附连构件搭于支撑框架上端的滚珠轴承上限位，模型连接板利用模型连接孔(61)，通过木螺钉与船模活连接。