CN104280206A - 船模水动力性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船模水动力性能测试装置，包括安装平台、固定平台、运动平台、六分力天平、万向铰链和六个电动缸；六个电动缸的上、下端分别通过万向铰链连接固定平台和运动平台，六分力天平安装于三个支点所组成的等边三角形中心，六分力天平刚性连接试验船模的重心；固定平台通过安装平台安装于拖车横梁上；六电动缸通过伸缩运动使得运动平台产生不同方向的位移和旋转，从而模拟船模的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇运动。本发明还提供了利用上述装置进行船模水动力性能的测试方法。本发明能够精确模拟船模多个自由度运动，并结合六分力天平，测量出船模在不同试验状态时的各种水动力参数，全面地表征船模水动力性能。

Description

船模水动力性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及船舶性能试验技术领域，具体涉及一种船模水动力性能测试装置及方法。

背景技术

船模水动力性能测试是指利用物理模型方法，确定船模性能研究和船舶设计中所要求的有关数据及资料的一种手段，它可以对船舶的综合航行性能进行系统的估算和评估。通过船模试验，不仅可以研究新的船型，探讨影响船舶航行性能的各种因素，而且可以对船舶在航行中所发生的物理过程获得更深刻的理解。它可以促进理论工程进一步发展，使工程计算中所应用的计算方法不断的完善，提高理论研究和工程设计能力，改进船舶的航行性能。因此，世界上造船工业比较发达的国家，无不重视船模试验池的建设并相应的发展各种船模水动力性能测试装置。

目前，船模各水动力性能的测试采用的是不同的测试装置，例如快速性试验采用的是阻力仪、耐波性试验采用的是适航仪、操纵性试验采用的是平面运动机构等，而每进行一项船模水动力性能的测试都要都要对设备进行重新拆卸和安装，试验效率很低。而船模的各水动力系数则主要采用平面运动机构来测量，但是平面运动机构只能使船模做纯升沉、纯俯仰、纯横荡、和纯首摇运动，所以船模的部分耦合水动力系数无法通过试验来测量，导致船舶水动力性能无法准确的评估。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种船模水动力性能综合测试装置，能够精确的带动船模产生横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡运动，并结合六分力天平，适合开展多种船模水动力性能试验，测量出船模在不同试验状态时的各种水动力参数，全面地表征船模水动力性能。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种船模水动力性能测试装置，包括安装平台、固定平台、运动平台、六分力天平、万向铰链和六个电动缸；

六个电动缸的上、下端分别通过万向铰链连接固定平台和运动平台。六个电动缸的上端点两两组成固定平台的三个支点，六个电动缸的下端点两两组成运动平台的三个支点，固定平台和运动平台上的三个支点均构成等边三角形，固定平台上形成的三角形大于运动平台上形成的三角形；六分力天平安装于运动平台的下表面，且位于运动平台三个支点所组成的等边三角形的中心，六分力天平刚性连接试验船模的重心；固定平台通过安装平台安装于拖车横梁上；拖车带动整个测试装置直线运动，同时六个电动缸通过伸缩运动使得运动平台产生不同方向的位移和旋转，从而模拟船模在空间上横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇运动。

进一步地，所述安装平台包括上连接件和下连接件；

上连接件采用开口朝下的U形架，U形架的封闭端左、右两边对称开有两个卡槽，该U形架的两侧壁与拖车横梁通过螺栓连接；

下连接件为开口朝上的U形架，U形架的中部设有截面为倒梯形的空心凸台，空心凸台的上端面固定连接上连接件的封闭端，该U形架的两侧壁与拖车横梁均通过螺栓连接；下连接件的下表面中心开有凹槽，固定平台的上表面加工有与凹槽匹配的凸台，以对固定平台进行定位。

进一步地，所述电动缸的行程和相邻电动缸之间的夹角使得运动平台的运动性能指标满足下表:。

姿态	位移	速度	加速度	振荡圆频率
					横摇	±20°	10～32°/s	5～51°/s2	0.5-1.6Hz

纵摇	±5°	2.5～8°/s	1.3～13°/s2	0.5-1.6Hz
					首摇	±15°	7.5～24°/s	3.8～38°/s2	0.5-1.6Hz
纵荡	±150mm	75-240mm/s	38-384mm/s2	0.5-1.6Hz
					横荡	±150mm	75-240mm/s	38-384mm/s2	0.5-1.6Hz
垂荡	±100mm	50-160mm/s	26-256mm/s2	0.5-1.6Hz

本发明还提供利用所述的船模水动力性能测试装置进行船模操纵性试验测试的方法，具体为：

开动拖车拖动安装平台，驱使船模直线运动；通过控制台输入控制程序，控制电动缸的伸缩与旋转来实现船模的横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡运动及其与拖车直线运动的各种组合运动；

通过六分力天平测出船模作自由运动时的三个力：横向力X，纵向力Y，垂向力Z；三个力矩：横倾力矩K，纵倾力矩M，偏航力矩N；通过控制台控制程序获取船模的三个速度：横向速度u，纵向速度v，垂向速度w；三个角速度：横倾角速度p，纵倾角速度q，偏航角速度r；三个加速度：横向加速度纵向加速度垂向加速度三个角加速度：横倾角加速度纵倾加角速度偏航加角速度

已知船模重量m，重力P，浮力B；重心纵向坐标x_G，浮心纵向坐标x_C；三个位移方向上的附加质量m_x，m_y，m_z；船模对三个坐标轴的惯性矩I_x，I_y，I_z及相应附加惯性矩J_x，J_y，J_z；

建立船模的运动方程为：

$(m+m_x)[\stackrel{.}{u}-\mathrm{vr}+\mathrm{wq}-x_G(q^2+r^2)]=X_{\stackrel{.}{u}}\stackrel{.}{u}+X_{\mathrm{uu}}{u}^2+X-(P-B)\sin \mathrm{\θ}$

$\begin{array}{c}(m+m_y)[\stackrel{\·}{v}-\mathrm{wp}+\mathrm{ur}+x_G(\mathrm{pq}+\stackrel{\·}{r})]=Y_{\stackrel{\·}{v}}\stackrel{\·}{v}+Y_{\stackrel{\·}{r}}\stackrel{\·}{r}+Y_{\stackrel{\·}{p}}\stackrel{\·}{p}+Y_{v}v+Y_{r}r+Y_{p}p+Y_w\left|v\sqrt{v^2+w^2}\right|\\ +Y+(P-B)\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\end{array}$

$(I_x+J_x)\stackrel{.}{p}+(I_z-I_y)\mathrm{qr}=K_{\stackrel{.}{p}}\stackrel{.}{p}+K_{\stackrel{.}{r}}\stackrel{.}{r}+K_{\stackrel{.}{v}}\stackrel{.}{v}+K_{p}p+K_{r}r+K_{v}v+K_{p\left|p\right|}p\left|p\right|+K$

利用上述运动方程，代入所有已知参数，推算出相应水动力系数，包括速度导数Y_v，K_v，N_v，Z_w，角速度导数Y_r，K_r，N_r，Y_p，K_p，N_p，Z_q，加速度导数角加速度导数 和耦合导数X_uu，Y_vv，Z_ww，K_p|p|，M_q|q|。

本发明还提供了利用所述的船模水动力性能测试装置进行船模阻力试验测试的方法，具体为：

开动拖车拖动安装平台，驱使船模直线运动；通过控制台输入控制程序，控制电动缸的伸缩与旋转来调整船模的运动姿态，通过六分力天平测出船模带姿态运动时所受到的阻力。

本发明还提供了利用所述的船模水动力性能测试装置进行船模自航试验测试的方法，具体为：

开动拖车拖动安装平台，驱使船模直线运动；通过控制台输入控制程序，控制电动缸的伸缩与旋转来调整船模的运动姿态，通过六分力天平测出船模带姿态自航时运动平台所施加的强制力。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现如下：

本发明装置通过安装平台装配在轨道拖车上，装置下方与试验船模刚性连接，在拖车带动下船模产生直线运动；在船模直线运动过程中，采用六个伺服电机驱动，可编程控制器控制，使伺服电机带动电动缸产生不同的伸缩运动，进而使整个电动缸产生不同方向的移动和旋转，通过万向铰链与运动平台的连接将电动缸的运动转化为船模空间上船模的横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡运动。将六分力天平安装于运动平台的三支点中心，不仅能够保证六分力天平和运动平台之间的连接强度，而且可以让六分力天平处于最佳工作环境，提高其测量精度，配合运动机构运动，能够实时采集到船模当前运动状态所受的力和力矩，结合各运动参数可以确定船模的各水动力导数，进而全面而准确的评估船模水动力性能。

总的来说，整个装置结构简单，基本运动仅为六个电动缸的线性运动，但叠加之后能够合成船模的三维运动；对机构的所有操控指令程序化，自动化程度高，操作方便。应用本发明，能够模拟船舶的真实运动，取代现有的多种水动力性能试验装置，包括操纵性试验装置，自航试验装置，拖曳试验装置等，提高试验效率。而且可以测量出更加全面的水动力参数，精度高，范围广，具有非常好的应用前景。

附图说明

图1为船模水动力性能测试装置结构示意图；

图2为安装平台上半部分示意图；

图3为安装平台下半部分示意图；

图4为安装平台与拖车横梁装配示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明船模水动力性能测试装置较佳实施例包括安装平台1、固定平台2、电动缸3、运动平台4、六分力天平5和万向铰链6。

六个电动缸3的上下端分别通过万向铰链6连接固定平台1和运动平台4。六个电动缸3的上端点两两组成固定平台2的三个支点，六个电动缸3的下端点两两组成运动平台4的三个支点，固定平台2和运动平台4上的三个支点均构成等边三角形，固定平台2上形成的三角形大于运动平台4上形成的三角形。六个电动缸3结构相同，包括相接的伺服电机31和推杆32。通过外部控制器控制，使伺服电机31带动推杆32产生伸缩运动，进而使整个电动缸3产生不同方向的位移和旋转，利用电动缸3与运动平台4的连接转化为船模空间上横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇运动。

六分力天平5置于运动平台4的下方，且位于运动平台三个支点所组成的等边三角形的中心，六分力天平5刚性连接于试验船模的重心处。六分力天平5用于测量试验船模的三个方向的力和力矩。

固定平台2固定连接安装平台1。在本发明较佳实施方式中，为了减轻结构重量和便于安装，安装平台1分为上连接件和下连接件两个部分，如图2～图4所示。为了保证安装平台上半部分与拖车横梁的紧密连接，上连接件采用开口朝下的U形架，U形架的封闭端左、右两边对称开有两个卡槽，该U形架的两侧壁与拖车横梁通过螺栓连接。为了保证安装平台下连接件与上连接件的紧密连接和连接强度，下连接件为开口朝上的U形架，U形架的中部设有截面为倒梯形的空心凸台，空心凸台的上端面可通过譬如螺栓固定连接上连接件的封闭端，该U形架的两侧壁与拖车横梁均通过螺栓连接。为了保证安装精度，下连接件的下表面中心开有凹槽，固定平台的上表面加工有与凹槽匹配的凸台，以对船模水动力性能测试装置进行定位，并通过螺栓连接保证结构强度。

考虑到船模试验时船模尺寸，水池长度和运动频率的影响，对运动平台的位移，速度，加速度和振荡圆频率有范围限定。本发明依据船模水动力性能试验特点，列出船模水动力性能测试装置的运动性能指标，如下表所示(位移e＝A cos ht，(角)速度f＝-Ah sin ht，(角)加速度g＝-Ah² cos ht，为了表示方便表格里的e和f值显示的是峰值变化)：

船模水动力性能测试装置运动性能指标

姿态	位移(e)	速度(f)	加速度(g)	振荡圆频率(h)
					横摇	±20°	10～32°/s	5～51°/s2	0.5-1.6Hz
纵摇	±5°	2.5～8°/s	1.3～13°/s2	0.5-1.6Hz
					首摇	±15°	7.5～24°/s	3.8～38°/s2	0.5-1.6Hz
纵荡	±150mm	75-240mm/s	38-384mm/s2	0.5-1.6Hz
					横荡	±150mm	75-240mm/s	38-384mm/s2	0.5-1.6Hz
垂荡	±100mm	50-160mm/s	26-256mm/s2	0.5-1.6Hz

本发明运动平台的运动模型表示如下:

定义第i个电动缸的伸缩长度l_i；运动平台的六个运动量：纵向位移x，横向位移y，垂向位移z，横摇角纵摇角θ,首摇角ψ；固定平面的六个连接点B_i在以固定平台中心为原点的坐标系下的坐标表示为(B_ix,B_iy,0)；运动平面的六个连接点P_i在以运动平台中心为原点的坐标系下的坐标表示为(P_ix,P_iy,0)，上述参量存在如下关系：

$l_i=\sqrt{{(\stackrel{\‾}{x_i}+a_i)}^2+{(\stackrel{\‾}{y_i}+b_i)}^2+{(\stackrel{\‾}{z_i}+c_i)}^2},i=\mathrm{1,2,3,4,5,6}$

其中： $\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x_i}\\ \stackrel{\‾}{y_i}\\ \stackrel{\‾}{z_i}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x-B_{\mathrm{ix}}\\ y-B_{\mathrm{iy}}\\ z\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{a}_i\\ b_i\\ c_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{11}{P}_{\mathrm{ix}}+{\mathrm{\λ}}_{12}{P}_{\mathrm{iy}}\\ {\mathrm{\λ}}_{21}{P}_{\mathrm{ix}}+{\mathrm{\λ}}_{22}{P}_{\mathrm{iy}}\\ {\mathrm{\λ}}_{31}{P}_{\mathrm{ix}}+{\mathrm{\λ}}_{32}{P}_{\mathrm{iy}}\end{array}\right]$

基于上述船模水动力性能测试装置运动性能指标和运动平台运动模型，本领域技术人员可以合理设计电动缸的行程和相邻电动缸之间的夹角。

船模水动力性能测试包括阻力试验、自航试验和操纵性试验等等，其中操纵性试验在现有技术中的测试难度最大，而应用本发明测试装置可以完成包括操纵性试验在内的各种测试。下面详细说明。

1、船模操纵性试验测试

进行操纵性试验测试时，开动拖车拖动安装平台，首先驱使整个装置产生直线运动。通过控制台输入特定程序，控制电动缸的伸缩与旋转来实现船模特定运动，包括横摇，纵摇，首摇，横荡，纵荡和垂荡运动及其与拖车直线运动的各种组合运动。

通过六分力天平测出船模作自由运动时的三个力：横向力X，纵向力Y，垂向力Z；三个力矩：横倾力矩K，纵倾力矩M，偏航力矩N。通过控制台程序控制系统获取船模的三个速度：横向速度u，纵向速度v，垂向速度w；三个角速度：横倾角速度p，纵倾角速度q，偏航角速度r；三个加速度：横向加速度纵向加速度垂向加速度三个角加速度：横倾角加速度纵倾加角速度偏航加角速度

已知船模重量m，重力P，浮力B；重心纵向坐标x_G，浮心纵向坐标x_C；三个位移方向上的附加质量m_x，m_y，m_z；船模对三个坐标轴的惯性矩I_x，I_y，I_z及相应附加惯性矩J_x，J_y，J_z。

船模的运动方程为：

$(m+m_x)[\stackrel{.}{u}-\mathrm{vr}+\mathrm{wq}-x_G(q^2+r^2)]=X_{\stackrel{.}{u}}\stackrel{.}{u}+X_{\mathrm{uu}}{u}^2+X-(P-B)\sin \mathrm{\θ}$

$\begin{array}{c}(m+m_y)[\stackrel{\·}{v}-\mathrm{wp}+\mathrm{ur}+x_G(\mathrm{pq}+\stackrel{\·}{r})]=Y_{\stackrel{\·}{v}}\stackrel{\·}{v}+Y_{\stackrel{\·}{r}}\stackrel{\·}{r}+Y_{\stackrel{\·}{p}}\stackrel{\·}{p}+Y_{v}v+Y_{r}r+Y_{p}p+Y_w\left|v\sqrt{v^2+w^2}\right|\\ +Y+(P-B)\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\end{array}$

$(I_x+J_x)\stackrel{.}{p}+(I_z-I_y)\mathrm{qr}=K_{\stackrel{.}{p}}\stackrel{.}{p}+K_{\stackrel{.}{r}}\stackrel{.}{r}+K_{\stackrel{.}{v}}\stackrel{.}{v}+K_{p}p+K_{r}r+K_{v}v+K_{p\left|p\right|}p\left|p\right|+K$

利用上述运动方程，代入所有已知参数，推算出相应水动力系数(即各运动参数的变化引起的水动力变化率)，包括速度导数Ｙ_v，K_v，N_v，Z_w，角速度导数Y_r，K_r，N_r，Y_p，K_p，N_p，Z_q，加速度导数 角加速度导数和耦合导数X_uu，Y_vv，Z_ww，K_p|p|，Mq_|q|。

2、船模阻力试验测试

进行阻力试验测试时，开动拖车拖动安装平台，驱使整个装置产生直线运动。通过控制台输入特定程序，控制伺服电机带动六个电动缸，利用电动缸的伸缩与旋转来调整船模的运动姿态，如横倾，纵倾，偏航等，从而可以实现带姿态的船模阻力试验测试。通过六分力天平测出船模带姿态运动时所受到的阻力。

3、船模自航试验测试

进行自航试验测试时，开动拖车拖动安装平台，驱使整个装置产生直线运动。通过控制台输入特定程序，控制伺服电机带动六个电动缸，利用电动缸的伸缩与旋转来调整船模的运动姿态，如横倾，纵倾等，从而可以实现带姿态的船模自航试验。通过六分力天平测出船模带姿态自航时运动平台所施加的强制力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船模水动力性能测试装置，其特征在于，包括安装平台、固定平台、运动平台、六分力天平、万向铰链和六个电动缸； 

六个电动缸的上、下端分别通过万向铰链连接固定平台和运动平台。六个电动缸的上端点两两组成固定平台的三个支点，六个电动缸的下端点两两组成运动平台的三个支点，固定平台和运动平台上的三个支点均构成等边三角形，固定平台上形成的三角形大于运动平台上形成的三角形；六分力天平安装于运动平台的下表面，且位于运动平台三个支点所组成的等边三角形的中心，六分力天平刚性连接试验船模的重心；固定平台通过安装平台安装于拖车横梁上；拖车带动整个测试装置直线运动，同时六个电动缸通过伸缩运动使得运动平台产生不同方向的位移和旋转，从而模拟船模在空间上横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇运动。 

2.根据权利要求1所述的船模水动力性能测试装置，其特征在于，所述安装平台包括上连接件和下连接件； 

上连接件采用开口朝下的U形架，U形架的封闭端左、右两边对称开有两个卡槽，该U形架的两侧壁与拖车横梁通过螺栓连接； 

下连接件为开口朝上的U形架，U形架的中部设有截面为倒梯形的空心凸台，空心凸台的上端面固定连接上连接件的封闭端，该U形架的两侧壁与拖车横梁均通过螺栓连接；下连接件的下表面中心开有凹槽，固定平台的上表面加工有与凹槽匹配的凸台，以对固定平台进行定位。 

3.根据权利要求1或2所述的船模水动力性能测试装置，其特征在于，所述电动缸的行程和相邻电动缸之间的夹角使得运动平台的运动性能指标满足下表：

。

4.一种利用权利要求1至3任意一项权利要求所述的船模水动力性能测试装置进行船模操纵性试验测试的方法，其特征在于，具体为： 

开动拖车拖动安装平台，驱使船模直线运动；通过控制台输入控制程序，控制电动缸的伸缩与旋转来实现船模的横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡运动及其与拖车直线运动的各种组合运动； 

通过六分力天平测出船模作自由运动时的三个力：横向力X，纵向力Y，垂向力Z；三个力矩：横倾力矩K，纵倾力矩M，偏航力矩N；通过控制台控制程序获取船模的三个速度：横向速度u，纵向速度v，垂向速度w；三个角速度：横倾角速度p，纵倾角速度q，偏航角速度r；三个加速度：横向加速度纵向加速度垂向加速度三个角加速度：横倾角加速度纵倾加角速度偏航加角速度

已知船模重量m，重力P，浮力B；重心纵向坐标x_G，浮心纵向坐标x_C；三个位移方向上的附加质量m_x，m_y，m_z；船模对三个坐标轴的惯性矩I_x，I_y，I_z及相应附加惯性矩J_x，J_y，J_z； 

建立船模的运动方程为： 

利用上述运动方程，代入所有已知参数，推算出相应水动力系数，包括速度导数Y_v，K_v，N_v，Z_w，角速度导数Y_r，K_r，N_r，Y_p，K_p，N_p，Z_q，加速度导数角加速度导数 和耦合导数X_uu，Y_vv，Z_ww，K_p|p|，M_q|q|。 

5.一种利用权利要求1至3任意一项权利要求所述的船模水动力性能测试装置进行船模阻力试验测试的方法，其特征在于，具体为： 

开动拖车拖动安装平台，驱使船模直线运动；通过控制台输入控制程序，控制电动缸的伸缩与旋转来调整船模的运动姿态，通过六分力天平测出船模带姿态运动时所受到的阻力。 

6.一种利用权利要求1至3任意一项权利要求所述的船模水动力性能测试装置进行船模自航试验测试的方法，其特征在于，具体为： 

开动拖车拖动安装平台，驱使船模直线运动；通过控制台输入控制程序，控制电动缸的伸缩与旋转来调整船模的运动姿态，通过六分力天平测出船模带姿态自航时运动平台所施加的强制力。