CN105372037A - 船模试验中模拟风载荷的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船模试验中模拟风载荷的装置，包括闭环伺服系统模块和自动控制模块；其中，闭环伺服系统模块和自动控制模块用于设置在船模上；闭环伺服系统模块包括深浸没全回转螺旋桨和深浸没侧推螺旋桨；自动控制模块包括六自由度光学运动测量装置、推力分配模块、风载荷数据库以及推力-转速曲线存储单元；六自由度运动测量装置布置用于根据船速、艏向角以及设定的风速通过推力-转速曲线存储单元中存储的推力-转速曲线查询风载荷数据库求得船模所受到的风载荷，进而通过推力分配模块计算得到深浸没全回转螺旋桨和深浸没侧推螺旋桨的推力和角度。本发明能够实现风场的大范围覆盖，解决传统造风的不均匀及衰减问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程，具体地，涉及一种船模试验中模拟风载荷的装置。
背景技术
风作为重要的海洋环境条件之一，是进行船模试验中需要模拟的重要试验参数。目前，海洋工程中对风的模拟通常采用一组或多组固定在岸边或固定在拖车上的风机在一定区域内形成风场的方法实现。分析此种模拟技术，发现其不足点在于：
1、风场覆盖范围小，难以覆盖整个水池范围；
2、风场不均匀，存在衰减问题；
3、风机安装在拖车上的情况下，由于拖车的移动会带动风机运动，从而影响风场分布，所以拖车不能随意移动，给试验带来很多不便；
4、产生的风场湍流现象严重；
5、风机一般位于开敞水域上方，风机产生的风会在水池中产生风成波和风成流，影响流场，降低试验的精度；
6、整套设备造价高昂，且需要消耗大量电能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种船模试验中模拟风载荷的装置。旨在船舶模型试验中比较精确地模拟风载荷，以解决试验中设备造风能力有限、风场不均匀、覆盖范围有限、灵活性差、需要消耗大量电能等问题。
根据本发明提供的船模试验中模拟风载荷的装置，包括闭环伺服系统模块和自动控制模块；
其中，所述闭环伺服系统模块和所述自动控制模块用于设置在船模上；
所述闭环伺服系统模块包括深浸没全回转螺旋桨和深浸没侧推螺旋桨；
所述自动控制模块包括六自由度光学运动测量装置、推力分配模块、风载荷数据库以及推力-转速曲线存储单元；
所述六自由度运动测量装置布置用于根据船速、艏向角以及设定的风速通过推力-转速曲线存储单元中存储的推力-转速曲线查询风载荷数据库求得船模所受到的风载荷，进而通过推力分配模块计算得到深浸没全回转螺旋桨和深浸没侧推螺旋桨的推力和角度。
优选地，所述深浸没全回转螺旋桨包括舵机、第一伺服电机、第一固定框架、第一轴套、第一传动装置、转角传感器以及第一螺旋桨；
其中，所述第一伺服电机的第一电机轴穿过所述第一轴套通过所述第一传动装置驱动所述第一螺旋桨的叶片转动；
所述舵机、第一伺服电机设置在所述第一固定框架上；所述第一螺旋桨设置在所述第一轴套上；
所述舵机驱动所述第一轴套沿周向旋转，进而带动所述第一螺旋桨的底座沿周向旋转；所述转角传感器用于测量所述第一轴套的旋转角度。
优选地，所述舵机包括舵机主体、舵机轴和平带轮传动装置；
其中，所述舵机主体与固定框架的第一下底板相连接，所述舵机轴通过第一联轴器与舵机主体相连接，所述舵机轴通过平带轮传动装置驱动所述轴套相配合。
优选地，所述第一伺服电机包括第一伺服电机主体和第一电机轴；
其中，所述第一电机轴通过第二联轴器与第一伺服电机主体相连接，所述第一电机轴穿透第一固定框架的第一下底板且通过第一轴承与第一固定框架的第一下底板相连接。
优选地，所述第一固定框架包括第一下底板和第一下底板；
所述第一下底板通过第一焊接结构件与第一下底板焊接形成的第一箱型结构；
所述第一轴套通过第一轴承固定于固定所述第一下底板上。
优选地，所述第一传动装置为圆锥齿轮传动装置。
优选地，所述转角传感器固定于第一固定框架的第一下底板上。
优选地，所述第一螺旋桨包括第一螺旋桨主体和第一螺旋桨轴；
所述第一螺旋桨主体通过螺栓固定于第一螺旋桨轴上，所述第一螺旋桨轴通过第二轴承和第三轴承与所述第一轴套相连接，第一伺服电机的第一电机轴通过第一所述传动装置驱动所述第一螺旋桨轴转动。
优选地，所述深浸没侧推螺旋桨包括第二伺服电机、第二固定框架、第二轴套、第二传动装置以及第二螺旋桨；
其中，所述第二伺服电机包括第二伺服电机主体和第二电机轴，所述第二电机轴通过第二联轴器与第二伺服电机主体相连接；
所述第二电机轴穿过所述第二固定框架的第二下底板且通过第四轴承与第二固定框架的第二下底板相连接；
所述第二固定框架包括第二下底板和第二下底板；第二下底板通过焊接结构件与所述第二下底板焊接形成的第二箱型结构；
所述第二轴套通过第四轴承固定于第二固定框架的第二下底板上，所述第二传动装置采用圆锥齿轮传动装置；
所述第二螺旋桨包括第二螺旋桨主体和第二螺旋桨轴，所述第二螺旋桨主体通过螺栓固定于第二螺旋桨轴上，所述第二螺旋桨通过第五轴承和第六轴承与第二轴套相连接，所述第二螺旋桨轴传动与第二伺服电机的第二电机轴通过第二传动装置与所述第二螺旋桨轴转动。
优选地，所述第一下底板和所述第二下底板用于固定于所述船模的甲板上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够实现风场的大范围覆盖，解决传统造流的不均匀及衰减问题；
2、本发明能够模拟多种风场情况；
3、本发明能实时给出风载荷的数值，解决了传统试验中难以直接测量的问题；
4、本发明螺旋桨的埋深较大，不宜发生空泡等情况，并能减少桨与船之间的干扰，使模拟更加准确；
5、本发明风载荷的数据完全来源于风洞试验，可信度比传统方式高；
6、本发明在试验中能很快达到稳定，不需要等待的时间，提高了试验的效率；
7、本发明能极大地减小模拟风场所需的电能，绿色环保；
8、本发明避免船模上层建筑的建造，节约成本；
9、本发明改善风机的移动性，适用于多种试验条件；
10、本发明安装方便，对船的型线没有大的影响；
11、本发明为一个闭环控制系统，无需人工干预。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视示意图；
图3是本发明的俯视示意图；
图4本发明中深浸没全回转螺旋桨的结构示意图；
图5是本发中深浸没全回转螺旋桨的正视示意图；
图6是本发明中电机的结构示意图；
图7是本发明中固定框架的结构示意图；
图8是本发明中舵机的结构示意图；
图9是本发明中角传感器结构示意图；
图10是本发明中传动装置的结构示意图；
图11是本发明中深浸没侧推螺旋桨的结构示意图；
图12是本发明中深浸没侧推螺旋桨的正视示意图；
图13是本发明风载荷模拟流程图；
图14是本发明中深浸没螺旋桨布置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提供的船模试验中模拟风载荷的装置，包括闭环伺服系统模块和自动控制模块；
其中，所述闭环伺服系统模块和所述自动控制模块用于设置在船模上；
所述闭环伺服系统模块包括深浸没全回转螺旋桨1和深浸没侧推螺旋桨2；
所述自动控制模块包括六自由度光学运动测量装置、推力分配模块、风载荷数据库以及推力-转速曲线存储单元；
所述六自由度运动测量装置布置用于根据船速、艏向角以及设定的风速通过推力-转速曲线存储单元中存储的推力-转速曲线查询风载荷数据库求得船模所受到的风载荷，进而通过推力分配模块计算得到深浸没全回转螺旋桨1和深浸没侧推螺旋桨2的推力和角度。
所述深浸没全回转螺旋桨1包括舵机3、第一伺服电机4、第一固定框架8、第一轴套16、第一传动装置6、转角传感器7以及第一螺旋桨5；其中，所述第一伺服电机4的第一电机轴15穿过所述第一轴套16通过所述第一传动装置6驱动所述第一螺旋桨5的叶片转动；所述舵机3、第一伺服电机4设置在所述第一固定框架8上；所述第一螺旋桨5设置在所述第一轴套16上；所述舵机3驱动所述第一轴套16沿周向旋转，进而带动所述第一螺旋桨5的底座沿周向旋转；所述转角传感器7用于测量所述第一轴套16的旋转角度。
所述舵机3包括舵机主体9、舵机轴10和平带轮传动装置11；其中，所述舵机主体9与固定框架8的第一上底板12相连接，所述舵机轴10通过第一联轴器13与舵机主体9相连接，所述舵机轴10通过平带轮传动装置11驱动所述轴套16相配合。
所述第一伺服电机4包括第一伺服电机主体14和第一电机轴15；其中，所述第一电机轴15通过第二联轴器17与第一伺服电机主体14相连接，所述第一电机轴15穿透第一固定框架8的第一下底板18且通过第一轴承19与第一固定框架的第一下底板18相连接。
所述第一固定框架8包括第一下底板18和第一上底板12；所述第一下底板18通过第一焊接结构件与第一上底板12焊接形成的第一箱型结构24；所述第一轴套16通过第一轴承19固定于固定所述第一下底板18上。
所述第一传动装置6为圆锥齿轮传动装置。所述转角传感器7固定于第一固定框架8的第一下底板18上。所述第一螺旋桨5包括第一螺旋桨主体20和第一螺旋桨轴21；所述第一螺旋桨主体20通过螺栓固定于第一螺旋桨轴21上，所述第一螺旋桨轴21通过第二轴承22和第三轴承23与第一轴套16相连接，第一伺服电机4的第一电机轴15通过第一所述传动装置6驱动所述第一螺旋桨轴21转动。
所述深浸没侧推螺旋桨2包括第二伺服电机、第二固定框架、第二轴套、第二传动装置以及第二螺旋桨；其中，所述第二伺服电机包括第二伺服电机主体和第二电机轴，所述第二电机轴通过第二联轴器与第二伺服电机主体相连接；所述第二电机轴穿过所述第二固定框架的第二下底板26且通过第四轴承与第二固定框架的第二下底板26相连接；所述第二固定框架包括第二下底板26和第二上底板；第二下底板26通过焊接结构件与所述第二上底板焊接形成的第二箱型结构28；所述第二轴套通过第四轴承固定于第二固定框架的第二上底板上，所述第二传动装置采用圆锥齿轮传动装置；所述第二螺旋桨包括第二螺旋桨主体和第二螺旋桨轴，所述第二螺旋桨主体通过螺栓固定于第二螺旋桨轴上，所述第二螺旋桨通过第五轴承和第六轴承与第二轴套相连接，所述第二螺旋桨轴传动与第二伺服电机的第二电机轴通过第二传动装置与所述第二螺旋桨轴转动。
所述第一下底板12和所述第二上底板27用于固定于所述船模的甲板29上。
本发明提供的船模试验中模拟风载荷的装置的工作原理，如图13所示，模型试验中提前设定试验风速，由六自由度光学运动采集系统实时测量计算得到船速和转角，将试验风速、流速、船速和转角输入于工作站，并结合风洞试验得到的风载荷数据库，输出风载荷的合力，再通过推力分配模块得到所有螺旋桨的推力大小和方向，其中推力大小成分通过已建立的推力-转速曲线查得相应的电机转速并输入转速闭环伺服系统，通过伺服电机及其自带的伺服电机编码器确保电机的转速即为需要的转速；其中推力方向(转角)成分类似地输入转角闭环伺服系统，通过舵机及转角传感器确保舵机的转角即为需要的转角，从而实现对风载荷的实时模拟；风载荷作用于船模，使船模产生六自由度运动，并通过六自由度光学运动测量系统进行测量，作为计算下一时刻风载荷的输入，从而实现自动控制。
自动控制模块中推力分配模块，在能达到试验中风载荷模拟效果的前提下，本发明的深浸没螺旋桨布置方式如图14所示，在船舶的艉部安装一个深浸没全回转螺旋桨，在艏部中线处安装一个深浸没侧推螺旋桨。深浸没全回转螺旋桨的推力可以再360°范围内任意改变，深浸没侧推螺旋桨的推力则仅在90°和270°方向上。根据两桨安装位置，由推力分配模块即可求得两深浸没螺旋桨要发出的推力和相应转角。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，包括闭环伺服系统模块和自动控制模块；
其中，所述闭环伺服系统模块和所述自动控制模块用于设置在船模上；
所述闭环伺服系统模块包括深浸没全回转螺旋桨(1)和深浸没侧推螺旋桨(2)；
所述自动控制模块包括六自由度光学运动测量装置、推力分配模块、风载荷数据库以及推力-转速曲线存储单元；
所述六自由度运动测量装置布置用于根据船速、艏向角以及设定的风速通过推力-转速曲线存储单元中存储的推力-转速曲线查询风载荷数据库求得船模所受到的风载荷，进而通过推力分配模块计算得到深浸没全回转螺旋桨(1)和深浸没侧推螺旋桨(2)的推力和角度。
2.根据权利要求1所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述深浸没全回转螺旋桨(1)包括舵机(3)、第一伺服电机(4)、第一固定框架(8)、第一轴套(16)、第一传动装置(6)、转角传感器(7)以及第一螺旋桨(5)；
其中，所述第一伺服电机(4)的第一电机轴(15)穿过所述第一轴套(16)通过所述第一传动装置(6)驱动所述第一螺旋桨(5)的叶片转动；
所述舵机(3)、第一伺服电机(4)设置在所述第一固定框架(8)上；所述第一螺旋桨(5)设置在所述第一轴套(16)上；
所述舵机(3)驱动所述第一轴套(16)沿周向旋转，进而带动所述第一螺旋桨(5)的底座沿周向旋转；所述转角传感器(7)用于测量所述第一轴套(16)的旋转角度。
3.根据权利要求2所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述舵机(3)包括舵机主体(9)、舵机轴(10)和平带轮传动装置(11)；
其中，所述舵机主体(9)与固定框架(8)的第一上底板(12)相连接，所述舵机轴(10)通过第一联轴器(13)与舵机主体(9)相连接，所述舵机轴(10)通过平带轮传动装置(11)驱动所述轴套(16)相配合。
4.根据权利要求2所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述第一伺服电机(4)包括第一伺服电机主体(14)和第一电机轴(15)；
其中，所述第一电机轴(15)通过第二联轴器(17)与第一伺服电机主体(14)相连接，所述第一电机轴(15)穿透第一固定框架(8)的第一下底板(18)且通过第一轴承(19)与第一固定框架的第一下底板(18)相连接。
5.根据权利要求2所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述第一固定框架(8)包括第一下底板(18)和第一上底板(12)；
所述第一下底板(18)通过第一焊接结构件与第一上底板(12)焊接形成的第一箱型结构(24)；
所述第一轴套(16)通过第一轴承(19)固定于固定所述第一下底板(18)上。
6.根据权利要求2所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述第一传动装置(6)为圆锥齿轮传动装置。
7.根据权利要求5所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述转角传感器(7)固定于第一固定框架(8)的第一下底板(18)上。
8.根据权利要求2所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述第一螺旋桨(5)包括第一螺旋桨主体(20)和第一螺旋桨轴(21)；
所述第一螺旋桨主体(20)通过螺栓固定于第一螺旋桨轴(21)上，所述第一螺旋桨轴(21)通过第二轴承(22)和第三轴承(23)与所述第一轴套(16)相连接，第一伺服电机(4)的第一电机轴(15)通过第一所述传动装置(6)驱动所述第一螺旋桨轴(21)转动。
9.根据权利要求1所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述深浸没侧推螺旋桨(2)包括第二伺服电机、第二固定框架、第二轴套、第二传动装置以及第二螺旋桨；
其中，所述第二伺服电机包括第二伺服电机主体和第二电机轴，所述第二电机轴通过第二联轴器与第二伺服电机主体相连接；
所述第二电机轴穿过所述第二固定框架的第二下底板(26)且通过第四轴承与第二固定框架的第二下底板相连接；
所述第二固定框架包括第二下底板(26)和第二上底板(27)；第二上底板通过焊接结构件与所述第二下底板(26)焊接形成的第二箱型结构；
所述第二轴套通过第四轴承固定于第二固定框架的第二下底板(26)上，所述第二传动装置采用圆锥齿轮传动装置；
所述第二螺旋桨包括第二螺旋桨主体和第二螺旋桨轴，所述第二螺旋桨主体通过螺栓固定于第二螺旋桨轴上，所述第二螺旋桨通过第五轴承和第六轴承与第二轴套相连接，所述第二螺旋桨轴传动与第二伺服电机的第二电机轴通过第二传动装置与所述第二螺旋桨轴转动。
10.根据权利要求9所述的船模试验中模拟风载荷的装置，其特征在于，所述第一上底板(12)和所述第二上底板(27)用于固定于所述船模的甲板(29)上。
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