CN104085500B - 船模四自由度旋臂试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转旋臂、旋臂与船模之间的测量机构，测量机构包括与旋臂拖车固接的中间座，升沉杆穿过中间座并可上下滑动，升沉杆下端底板上装有直线位移传感器，底板上端通过钢丝绳连接有配重；底板下端连接有四分量测力传感器，四分量测力传感器与纵摇座固接，纵摇座可转动设有与旋转电位器连接的纵摇轴，纵摇轴与中框固接，中框连接有横倾角调节机构。本发明还提供了通过五种试验工况下的旋臂试验测量纵向、横向、横摇、艏摇上的水动力，并进而通过相应的操纵运动方程求取水动力导数的试验方法。本发明能够实现船模纵倾角、升沉位移以及船模在四个运动方向上的水动力测量，能够预报船舶在所述四个运动方向上的操纵性能。

Description

船模四自由度旋臂试验装置及方法

技术领域

本发明涉及拘束船模试验技术领域，具体涉及用来测定船模作圆周运动时的水动力特性的船模旋臂试验，尤其涉及用于测量回转过程中船模升沉位移、纵倾姿态变化、船模在四个运动方向(包括纵向、横向、横摇、艏摇)上的水动力的试验装置以及通过该试验装置最终获得水动力导数的方法。

背景技术

拘束模型试验是目前获得船舶水动力导数的应用最为广泛的方法，即用机械的约束，强迫船模作规定的运动，如直线运动、回转运动等，在模型试验时，通过系统地改变船模的运动参数，测定作用在船模上的水动力，从而求得各水动力导数，而水动力导数是船舶操纵性的重要指标之一。拘束模型试验中的旋臂试验是在旋臂水池中进行的，水池中间某立柱处有一旋臂，船模以一定漂角和舵角安装在旋臂下方拖车上，试验时,旋臂以一定的角速度运动,强迫船模按一定回转半径、一定的漂角和舵角作定常回转运动，用多分力测力传感器可以测量作用在船模上的水动力。获取船模操纵性水动力后，通过回归分析可以获得该船操纵运动数学模型中的水动力系数，结合船舶运动方程可以预报该船的操纵性能。

目前，国内外静水中的操纵性预报大都采用二自由度或三自由度操纵运动方程，即纵向力X、横向力Y、艏摇力矩N三个水动力的操纵运动方程，然而，由于高速船、高重心船舶(如大型集装箱船、滚装船等)都具有较大的回转横倾以及配合真实海况下操纵控制的仿真技术研究，这种三自由度操纵运动方程无法完全预报高速船以及高重心船舶的操纵性能，因此，对于高速船以及高重心船舶航行时的船模旋臂试验，除了需要船模常规带艏摇角运动，还需要船模能在垂向及纵摇方向是自由运动的，同时能还要进行变横倾水动力试验，目前还没有这种船模四自由度操纵性旋臂试验的测量装置，并且由于船模内部控制及旋臂水池的安装条件有限，需要该旋臂试验测量装置不易过大，这加大了旋臂试验测量装置的设计难度。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种船模四自由度旋臂试验装置及方法，其能够实现船模纵倾角、升沉位移以及船模在四个运动方向(包括纵向、横向、横摇、艏摇)上的水动力的测量，能够预报船舶在所述四个运动方向上的操纵性能。

本发明的技术方案如下：

本发明之船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转的旋臂，旋臂一端连接在水池中的立柱上，另一端通过连接支杆与拖车及漂角调节机构连接，拖车及漂角调节机构与船模之间连接有测量机构，所述测量机构包括与拖车及漂角调节机构固接的中间座，升沉杆穿过中间座并可上下滑动，升沉杆的下端与底板固接，底板上装有直线位移传感器，底板上端与钢丝绳连接，钢丝绳另一端绕过滑轮后与配重杆连接，配重杆套设在导向座内，配重杆的下端固设有托盘，托盘用于放置配重，滑轮通过轴承装置装在安装座上，导向座与安装座固接；底板下端与连接杆连接，连接杆与四分量测力传感器固接，四分量测力传感器另一端与纵摇座固接，纵摇座上通过轴承装置装有纵摇轴，纵摇轴一端与旋转电位器连接，纵摇轴上固装有中框，中框的两端分别与横摇固定座固接，横摇固定座上固接有横摇角度盘，横摇固定座下端固接有模型底座，模型底座与船模连接。

其进一步技术方案为：

至少两根升沉杆穿过中间座并可沿中间座上下滑动，多根升沉杆对称设在钢丝绳的两侧。

所述升沉杆的外周套接有轴承套一，升沉杆的外周与轴承套一的内周面之间设有直线轴承一，轴承套一固接在中间座上。

所述配重杆的外周套接有轴承套二，配重杆的外周与轴承套二的内周面之间设有直线轴承二，轴承套二固接在导向座上。

所述升沉杆的上端固接有限位套。

所述纵摇座开有开口向上的U形槽，所述U形槽的两侧壁上通过轴承及轴承盖分别装有一根纵摇轴，其中一根纵摇轴通过联轴器与旋转电位器的伸出轴连接，中框的两侧壁分别固装在两根纵摇轴上。

所述中框的侧壁一端与纵摇轴的轴肩抵接，另一端通过锁紧螺母锁紧在纵摇轴上。

本发明之船模四自由度旋臂试验方法，包含以下步骤：

第一步，开展船模五种工况下的四自由度旋臂试验：开展船模纯回转试验、回转变漂角试验、回转变漂角变舵角试验、回转变横倾角试验及回转变横倾角变漂角试验，通过测量机构中的四分量测力传感器测量作用在船模上的四自由度水动力，即纵向力X、横向力Y、横滚力矩K、艏摇力矩N，其中，纯回转试验工况下，测量船模在不同回转角速度下进行纯回转时的四自由度水动力；回转变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角下进行回转时的四自由度水动力；回转变漂角变舵角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同舵角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角试验工况下，测量船模在不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力；

第二步，将由第一步骤中五种试验工况采集到的四自由度水动力试验数据，分别按下述操纵运动方程进行数据回归处理，由此求取船舶的操纵性水动力导数，一共54个，即X′₀，X′_vv，X′_rr，X′_vr，X′_δδ，X′_rδ，X′_vδ，X′_φ，X′_rrφ，X′_vvφ，Y′_v，Y′_r，Y′_vvv，Y′_rrr，Y′_vrr，Y′_δ，Y′_δδδ，Y′_rrδ，Y′_vvδ，Y′_vrδ，Y′_φ，Y′_v|φ|，Y′_r|φ|，Y′_rrφ，Y′_vvφ，K′_v，K′_r，K′_vvv，K′_rrr，K′_δ，K′_δδδ，K′_rrδ，K′_vvδ，K′_vrδ，K′_φ，K′_v|φ|，K′_r|φ|，K′_rrφ，K′_vvφ，N′_v，N′_r，N′_vvv，N′_rrr，N′_vvr，N′_δ，N′_δδδ，N′_rrδ，N′_vvδ，N′_vrδ，N′_φ，N′_v|φ|，N′_r|φ|，N′_rrφ，N′_vvφ，操纵运动方程如下式：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^2(X_0^{\′}+X_{vv}^{\′}{v}^{\′2}+X_{rr}^{\′}{r}^{\′2}+X_{vr}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}+X_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^2+X_{r\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+X_{v\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}\mathrm{\δ}+X_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}\\ +X_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+X_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\\ Y=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^2(Y_v^{\′}{v}^{\′}+Y_r^{\′}{r}^{\′}+Y_{vvv}^{\′}{v}^{\′3}+Y_{rrr}^{\′}{r}^{\′3}+Y_{vrr}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′2}+Y_{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\δ}+Y_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^3+Y_{rr\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\δ}+Y_{vv\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\δ}\\ +Y_{vr\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+Y_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}+Y_{v\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{v}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+Y_{r\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{r}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+Y_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+Y_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\\ K=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^3(K_v^{\′}{v}^{\′}+K_r^{\′}{r}^{\′}+K_{vvv}^{\′}{v}^{\′3}+K_{rrr}^{\′}{r}^{\′3}+X_{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\δ}+K_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^3+K_{rr\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\δ}+K_{vv\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\δ}\\ +K_{vr\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+K_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}+K_{v\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{v}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+K_{r\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{r}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+K_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+K_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\\ N=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^3(N_v^{\′}{v}^{\′}+N_r^{\′}{r}^{\′}+N_{vvv}^{\′}{v}^{\′3}+N_{rrr}^{\′}{r}^{\′3}+N_{vvr}^{\′}{v}^{\′2}{r}^{\′}+N_{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\δ}+N_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^3+N_{rr\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\δ}\\ +N_{vv\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\δ}+N_{vr\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+N_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}+N_{v\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{v}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+N_{r\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{r}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+N_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+N_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\end{array}\right.;$

式中，X，Y，K，N分别为作用在船模(6)上的四自由度水动力，ρ为水的密度，V为船模试验速度，L为船模长度，v为船模速度在船模y轴上的分量，r为船模回转角速度，φ为船模的横倾角，v′为船模速度分量v的无因次化形式，r′为船模回转角速度r的无因次化形式，X′_下标，Y′_下标，K′_下标，N′_下标分别为作用在船模四个运动方向上水动力对下标所示变量的导数。

其进一步技术方案为：

在第二步骤之后，进行回转变漂角试验工况下的重复试验，进行四自由度旋臂试验不确定度分析。

本发明的技术效果：

本发明所述试验装置中船模在垂向及纵摇方向是自由运动的，同时还能进行变横倾水动力试验，通过多分量测力传感器的设置，能够准确获取船舶的操纵性水动力，尤其是船舶在高傅汝德数航行时的船模操纵性水动力，同时通过纵摇方向上测量装置及垂向上测量装置的设置，能够对船模在回转运动过程中的升沉位移及纵倾角进行测量；相比现有技术中的三自由度旋臂试验，本发明除了能够获取船模在纵向、横向、纵摇方向上的水动力，还能够获取横摇运动方向上的水动力，并进而通过相应的操纵运动方程式求取相应的水动力导数，进而能够预报船舶的包括横摇在内的操纵性能，能够满足静水中水面船舶操纵性预报的要求，尤其是能够满足高速船以及高重心船舶静水中操纵性能的预报要求；本发明在进行水动力性能的测量过程中采用了随动式重量平衡机构的设置，克服了升沉杆、直线位移传感器、纵摇座等测量部件的自身重量对升沉位移测量产生的影响，且配重的位移采用了直线轴承导向，试验过程中不会随拖车高速运动而晃动，从而提高了测量的稳定性；本发明所述测量机构连接在旋臂拖车及被测船模之间，整个测量机构结构小巧，能够满足旋臂水池的试验要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意简图。

图2为本发明所述测量机构的结构示意图。

图3为图2的侧视结构示意图。

图4为图2中A-A剖视图。

其中：1、旋臂；2、立柱；3、连接支杆；4、拖车及漂角调节机构；5、测量机构；501、直线位移传感器；502、中间座；503、升沉杆；504、底板；505、钢丝绳；506、滑轮；507、配重杆；508、导向座；509、托盘；510、配重；511、安装座；512、连接杆；513、四分量测力传感器；514、纵摇座；515、纵摇轴；516、旋转电位器；517、中框；518、横摇固定座；519、横摇角度盘；520、模型底座；521、轴承套一；522、直线轴承一；523、轴承套二；524、直线轴承二；525、限位套；526、轴承及轴承盖；527、联轴器；528、锁紧螺母；529、拖车转盘；530、防撞垫；531、安装支座；6、船模；7、电机。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1，本发明之船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转的旋臂1，旋臂1由装在旋臂上的电机7驱动回转，旋臂1一端连接在水池中的立柱2上，另一端通过连接支杆3与拖车及漂角调节机构4连接，拖车及漂角调节机构4与船模6之间连接有测量机构5，见图2、图3、图4，所述测量机构5包括与拖车及漂角调节机构4的中间座502，具体地，中间座502与拖车转盘529固接，升沉杆503穿过中间座502并可沿中间座502上下滑动，升沉杆503的下端与底板504固接，底板504上装有直线位移传感器501，底板504上端通过吊钩及耳环组件与钢丝绳505连接，钢丝绳505另一端绕过滑轮506后，通过吊钩及耳环组件与配重杆507连接，配重杆507套设在导向座508内，配重杆507的下端固设有托盘509，托盘509用于放置配重510，至少两个滑轮506通过轴承装置装在安装座511上，导向座508与安装座511固接，安装座511固定支撑在拖车及漂角调节机构4中拖车上,钢丝绳505一侧的配重510用于平衡钢丝绳505另一侧的升沉杆503以及随升沉杆503一起升降运动的测量装置的重量；底板504下端与连接杆512固接，连接杆512与四分量测力传感器513固接，四分量测力传感器513另一端与纵摇座514固接，纵摇座514上通过轴承装置装有纵摇轴515，纵摇轴515一端与旋转电位器516连接，纵摇轴515上固装有中框517，中框517的两端分别与横摇固定座518固接，横摇固定座518上固接有横摇角度盘519，横摇固定座518下端固接有模型底座520，模型底座520用来连接船模，横摇角度盘519用来调节船模的横倾角。

为了使整个测量装机构结构平衡，至少两根升沉杆503穿过中间座502并可沿中间座502上下滑动，多根升沉杆503对称设在钢丝绳505的两侧。

进一步地，为了提高对升沉杆及配重杆升沉运动的导向精度，升沉杆503的外周套接有轴承套一521，升沉杆503的外周与轴承套一521的内周面之间设有直线轴承一522，轴承套一521固接在中间座502上，配重杆507的外周套接有轴承套二523，配重杆507的外周与轴承套二523的内周面之间设有直线轴承二524，轴承套二523固接在导向座508上；升沉杆503的上端固接有限位套525，用于升沉杆503升降运动的限位，同时，在限位套525上装有防撞垫530。

具体地，纵摇座514开有开口向上的U形槽，所述U形槽的两侧壁上通过轴承及轴承盖526分别装有一根纵摇轴515，其中一根纵摇轴515通过联轴器527与旋转电位器516的伸出轴连接，旋转电位器516通过安装支座531与纵摇座514固接，中框517的两侧壁分别固装在两根纵摇轴515上；中框517的侧壁一端与纵摇轴515的轴肩抵接，另一端通过锁紧螺母528锁紧在纵摇轴515上。

为了减轻整个测量机构的重量，中间座502及底板504为多孔板，通过在中间座503及底板504上多个孔的设置，减小机构的重量。

本发明之船模四自由度旋臂试验装置中，旋臂1、水池立柱2、旋臂1与拖车及漂角调节机构4的结构及连接方式均为现有技术，测量前，所述测量机构5中，配重510的重量根据升沉杆503以及固装在升沉杆503下端的测量装置(包括底板504、连接杆512、四分量测力传感器513、直线位移传感器501、纵摇轴515、旋旋电位器516、横摇角度盘519及用于安装连接上述部件的纵摇座514、横摇固定座518、模型底座520、安装支座531)的重量总和而定，调节中,517与横摇角度盘519的固定位置，使被测船模6调节至所需横倾角，纯回转试验工况下，漂角及舵角均为零，漂角及舵角是本领域的基本概念，。漂角指船模6纵轴与旋臂1的回转半径的圆周切线方向的夹角，舵角指舵面与模型纵轴之间的夹角。

其中，所述测量机构5的测量过程如下：试验开始后，电机7驱动旋臂1回转，旋臂1带动拖车回转运动，拖车带动中间座502回转运动，由于升沉杆503的中间连接作用，中间座502带动底板504做回转运动，由此带动与底板504连接为一体的纵摇测量机构、横摇测量机构以及船模6一起做回转运动，通过利用安装在连接杆512和纵摇座514上的四分量测力传感器513，测定在该回转角速度下作用在被测船模6上的四自由度操纵性水动力，即纵向力X、横向力Y、横滚力矩K、艏摇力矩N，通过回转角速度的改变，可以测定被测模型在不同回转角速度下的四自由度操纵性水动力；在运动过程中，当被测船模6发生升沉变化，被测船模6带动升沉杆503上下移动，由底板504上的直线位移传感器501测定被测船模6的升沉位移；当被测船模6发生纵倾时，船模带动中框517纵摇运动，继而带动与中框517固接的纵摇轴515转动，在联轴器527的传递作用下，旋转电位器516的电阻发生变化，由数据采集与分析处理控制系统采集旋转电位器516的电阻变化，从而测得被测船模6的纵倾角度。

利用本发明之船模四自由度旋臂试验装置测定船模水动力并进而求取水动力导数的船模四自由度旋臂试验方法，包含以下步骤：

第一步，开展船模五种工况下的四自由度旋臂试验：开展船模纯回转试验、回转变漂角试验、回转变漂角变舵角试验、回转变横倾角试验及回转变横倾角变漂角试验，通过测量机构5中的四分量测力传感器513测量作用在船模6上的四自由度水动力，即纵向力X、横向力Y、横滚力矩K、艏摇力矩N，其中，纯回转试验工况下，测量船模在不同回转角速度下进行纯回转时的四自由度水动力；回转变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角下进行回转时的四自由度水动力；回转变漂角变舵角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同舵角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角试验工况下，测量船模在不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力；

第二步，将由第一步骤中五种试验工况采集到的四自由度水动力试验数据，分别按下述操纵运动方程进行数据回归分析处理，由此求取船舶的操纵性水动力导数，一共54个，即X′₀，X′_vv，X′_rr，X′_vr，X′_δδ，X′_rδ，X′_vδ，X′_φ，X′_rrφ，X′_vvφ，Y′_v，Y′_r，Y′_vvv，Y′_rrr，Y′_rrr，Y′_δ，Y′_δδδ，Y′_rrδ，Y′_vvδ，Y′_vrδ，Y′_φ，Y′_v|φ|，Y′_r|φ|，Y′_rrφ，Y′_vvφ，K^′ _v，K^′ _r，K′_vvv，K′_rrr，K′_δ，K′_δδδ，K′_rrδ，K′_vvδ，K′_vrδ，K′_φ，K′_v|φ|，K′_r|φ|，K′_rrφ，K′_vvφ，N′_v，N′_r，N′_vvv，N′_rrr，N′_vvr，N′_δ，N′_δδδ，N′_rrδ，N′_vvδ，N′_vrδ，N′_φ，N′_v|φ|，N′_r|φ|，N′_rrφ，N′_vvφ，操纵运动方程如下式：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^2(X_0^{\′}+X_{vv}^{\′}{v}^{\′2}+X_{rr}^{\′}{r}^{\′2}+X_{vr}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}+X_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^2+X_{r\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+X_{v\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}\mathrm{\δ}+X_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}\\ +X_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+X_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\\ Y=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^2(Y_v^{\′}{v}^{\′}+Y_r^{\′}{r}^{\′}+Y_{vvv}^{\′}{v}^{\′3}+Y_{rrr}^{\′}{r}^{\′3}+Y_{vrr}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′2}+Y_{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\δ}+Y_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^3+Y_{rr\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\δ}+Y_{vv\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\δ}\\ +Y_{vr\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+Y_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}+Y_{v\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{v}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+Y_{r\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{r}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+Y_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+Y_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\\ K=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^3(K_v^{\′}{v}^{\′}+K_r^{\′}{r}^{\′}+K_{vvv}^{\′}{v}^{\′3}+K_{rrr}^{\′}{r}^{\′3}+X_{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\δ}+K_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^3+K_{rr\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\δ}+K_{vv\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\δ}\\ +K_{vr\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+K_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}+K_{v\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{v}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+K_{r\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{r}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+K_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+K_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\\ N=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{L}^3(N_v^{\′}{v}^{\′}+N_r^{\′}{r}^{\′}+N_{vvv}^{\′}{v}^{\′3}+N_{rrr}^{\′}{r}^{\′3}+N_{vvr}^{\′}{v}^{\′2}{r}^{\′}+N_{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\δ}+N_{\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}\mathrm{\δ}}^{\′}{\mathrm{\δ}}^3+N_{rr\mathrm{\δ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\δ}\\ +N_{vv\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\δ}+N_{vr\mathrm{\δ}}^{\′}{v}^{\′}{r}^{\′}\mathrm{\δ}+N_{\mathrm{\φ}}^{\′}\mathrm{\φ}+N_{v\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{v}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+N_{r\left|\mathrm{\φ}\right|}^{\′}{r}^{\′}\left|\mathrm{\φ}\right|+N_{rr\mathrm{\φ}}^{\′}{r}^{\′2}\mathrm{\φ}+N_{vv\mathrm{\φ}}^{\′}{v}^{\′2}\mathrm{\φ})\end{array}\right.;$

式中，X，Y，K，N分别为作用在船模6上的四自由度水动力，ρ为水的密度，V为船模试验速度，L为船模长度，v为船模速度在船模y轴上的分量，r为船模回转角速度，φ为船模的横倾角，v′为船模速度分量v的无因次化形式，r′为船模回转角速度r的无因次化形式，X′_下标，Y′_下标，K′_下标，N′_下标分别为作用在船模四个运动方向上水动力对下标所示变量的导数，如X′_vv为纵向运动水动力对船模速度分量v的二阶导数，X′_vvφ为纵向运动水动力对船模速度分量v和船模横倾角φ的耦合导数。其中，回归分析是统计学上分析数据的常用方法。

在第二步骤之后，进行回转变漂角试验工况下的重复试验，进行四自由度旋臂试验不确定度分析。

本发明能够测量在静水中自由机动运动时作用在船模上的四个运动方向上的水动力，并进而求取相应的水动力导数，相比现有技术中的三自由度旋臂试验，本发明除了能够获取船模在纵向、横向、纵摇方向上水动力，还能够获取横摇运动方向上的水动力，并进而通过相应的操纵运动方程式求取相应的水动力导数，进而能够预报船舶的包括横摇在内的操纵性能，能够满足静水中水面船舶操纵性预报的要求，尤其是能够满足高速船以及高重心船舶静水中操纵性能的预报要求。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转的旋臂(1)，旋臂(1)一端连接在水池中的立柱(2)上，另一端通过连接支杆(3)与拖车及漂角调节机构(4)连接，拖车及漂角调节机构(4)与船模(6)之间连接有测量机构(5)，其特征在于：所述测量机构(5)包括与拖车及漂角调节机构(4)固接的中间座(502)，升沉杆(503)穿过中间座(502)并可上下滑动，升沉杆(503)的下端与底板(504)固接，底板(504)上装有直线位移传感器(501)，底板(504)上端与钢丝绳(505)连接，钢丝绳(505)另一端绕过滑轮(506)后与配重杆(507)连接，配重杆(507)套设在导向座(508)内，配重杆(507)的下端固设有托盘(509)，托盘(509)用于放置配重(510)，滑轮(506)通过轴承装置装在安装座(511)上，导向座(508)与安装座(511)固接；底板(504)下端与连接杆(512)连接，连接杆(512)与四分量测力传感器(513)固接，四分量测力传感器(513)另一端与纵摇座(514)固接，纵摇座(514)上通过轴承装置装有纵摇轴(515)，纵摇轴(515)一端与旋转电位器(516)连接，纵摇轴(515)上固装有中框(517)，中框(517)的两端分别与横摇固定座(518)固接，横摇固定座(518)上固接有横摇角度盘(519)，横摇固定座(518)下端固接有模型底座(520)，模型底座(520)与船模连接。

2.按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：至少两根升沉杆(503)穿过中间座(502)并可沿中间座(502)上下滑动，多根升沉杆(503)对称设在钢丝绳(505)的两侧。

3.按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述升沉杆(503)的外周套接有轴承套一(521)，升沉杆(503)的外周与轴承套一(521)的内周面之间设有直线轴承一(522)，轴承套一(521)固接在中间座(502)上。

4.按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述配重杆(507)的外周套接有轴承套二(523)，配重杆(507)的外周与轴承套二(523)的内周面之间设有直线轴承二(524)，轴承套二(523)固接在导向座(508)上。

5.按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述升沉杆(503)的上端固接有限位套(525)。

6.按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述纵摇座(514)开有开口向上的U形槽，所述U形槽的两侧壁上通过轴承及轴承盖(526)分别装有一根纵摇轴(515)，其中一根纵摇轴(515)通过联轴器(527)与旋转电位器(516)的伸出轴连接，中框(517)的两侧壁分别固装在两根纵摇轴(515)上。

7.按权利要求6所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述中框(517)的侧壁一端与纵摇轴(515)的轴肩抵接，另一端通过锁紧螺母(528)锁紧在纵摇轴(515)上。

8.利用权利要求1至7任一权利要求所述的船模四自由度旋臂试验装置进行的船模四自由度旋臂试验方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，开展船模五种工况下的四自由度旋臂试验：开展船模纯回转试验、回转变漂角试验、回转变漂角变舵角试验、回转变横倾角试验及回转变横倾角变漂角试验，通过测量机构(5)中的四分量测力传感器(513)测量作用在船模(6)上的四自由度水动力，即纵向力X、横向力Y、横滚力矩K、艏摇力矩N，其中，纯回转试验工况下，测量船模在不同回转角速度下进行纯回转时的四自由度水动力；回转变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角下进行回转时的四自由度水动力；回转变漂角变舵角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同舵角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角试验工况下，测量船模在不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力；

第二步，将由第一步骤中五种试验工况采集到的四自由度水动力试验数据，分别按下述操纵运动方程进行数据回归处理，由此求取船舶的操纵性水动力导数，一共54个，即X′₀，X′_vv，X′_rr，X′_vr，X′_δδ，X′_{r δ}，X′_{v δ}，X′_φ，X′_{rr φ}，X′_{vv φ}，Y′_v，Y′_r，Y′_vvv，Y′_rrr，Y′_vrr，Y′_δ，Y′_δδδ，Y′_{rr δ}，Y′_{vv δ}，Y′_{vr δ}，Y′_φ，Y′v_{| φ |}，Y′r_{| φ |}，Y′_{rr φ}，Y′_{vv φ}，K′_v，K′_r，K′_vvv，K′_rrr，K′_δ，K′_δδδ，K′_{rr δ}，K′_{vv δ}，K′_{vr δ}，K′_φ，K′_{v| φ |}，K′_{r| φ |}，K′_{rr φ}，K′_{vv φ}，N′_v，N′_r，N′_vvv，N′_rrr，N′_vvr，N′_δ，N′_δδδ，N′_{rr δ}，N′_{vv δ}，N′_{vr δ}，N′_φ，N′_{v| φ |}，N′_{r| φ |}，N′_{rr φ}，N′_{vv φ}，操纵运动方程如下式：

式中，X，Y，K，N分别为作用在船模(6)上的四自由度水动力，ρ为水的密度，V为船模试验速度，L为船模长度，v为船模速度在船模y轴上的分量，r为船模回转角速度，φ为船模的横倾角，v′为船模速度分量v的无因次化形式，r′为船模回转角速度r的无因次化形式，X′_下标，Y′_下标，K′_下标，N′_下标分别为作用在船模四个运动方向上水动力对下标所示变量的导数。

9.按权利要求8所述的船模四自由度旋臂试验方法，其特征在于：在第二步骤之后，进行回转变漂角试验工况下的重复试验，进行四自由度旋臂试验不确定度分析。