CN106184614A - 一种船模阻力及姿态测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船模阻力及姿态测量装置及测量方法，该装置由S型阻力仪、拖曳支杆、拉线式位移测量机构、导航架组件及抱闸机构组成；该装置在拖曳水池测量船模阻力的同时还可以获取船模首尾纵倾及升沉姿态，利用阻力仪与抱闸机构的交互工作来实现稳速状态下的船模阻力测量，利用拉线式位移测量机构中由首尾带动丝线，使电位器输出对应电压并通过线性关系获取船模艏部及船模艉部的垂向位移变化值，并计算出船模纵倾角、升沉值及船模艏柱、船模艉住位移变化值，在拖曳过程中导航架机构能保证船模在纵向运动自由，利用滚动轴承保证了滚筒纵向滑动摩擦小，纵向运动自由。

Description

一种船模阻力及姿态测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及船模试验技术领域，尤其涉及一种适用于舰船快速性拖曳水池船模阻力试验参数的测量的船模阻力及姿态测量装置。

背景技术

拖曳水池开展船模阻力试验是舰船快速性试验研究的一种常规手段，对于具有一定航态变化的排水型船，在舰船快速性拖曳水池测量船模阻力的同时，往往需要兼测船模升沉和纵倾姿态以定性定量分析航态变化对阻力的影响。现有拖曳水池测量船模阻力试验参量的设备主要有如下几种：一种是采用专用设备四自由度适航仪(能够测量纵荡、升沉、纵摇、横摇的运动量及阻力量)，其主要针对的试验对象为试验速度较高，航态变化更为明显的快艇、多体船模型，除价格昂贵外，用这种装置测量常规高速船模时，约束自由度稍大(对快速性研究而言)，在此约束条件下测得的阻力试验数据会产生略微误差，另一种测量装置是采用进口专用阻力仪测量船模阻力，而在船模首尾布置常见的杆式位移传感器或非接触式光学检测装置，通过测量船模艏艉位移换算而得船模的升沉和纵倾角信息，但在船模的实际拖曳运行中，因阻力测点由阻力仪拖点固定，船模首尾程“弧形”纵倾运动，而不是垂向的“直上直下”运动，容易造成杆式位移传感器升沉杆与轴套卡住，阻碍船模的自由运动，从而导致无法准确测量艏艉位移，还有一种非接触式光学检测测量机构，测量精度高，但这种装置价格昂贵，安装也不便。因此，亟待建立一套可靠、经济和实用的船模阻力及姿态测量装置，并使之常态化。

发明内容

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种船模阻力及姿态测量装置及测量方法，利用本装置在拖曳水池测量船模阻力的同时获取船模首尾纵倾和升沉姿态，其具有成本低廉、结构简单等优点。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船模阻力及姿态测量装置，由设置于船模上的用于输出应变信号阻力值的S型阻力仪、拖曳支杆、用于测量船模姿态的拉线式位移测量机构、用于保证船模在纵向运动自由，横向运动约束的导航架组件及抱闸机构组成；

所述S型阻力仪的一端与拖曳支杆固接，所述S型阻力仪的另一端通过钢丝绳与船模水平连接；

所述拉线式位移测量机构包括定滑轮，所述定滑轮与电位器的轴心连接，于所述定滑轮上绕接丝线，所述丝线的一端连接预紧砝码，所述丝线的另一端与船模连接；

所述导航架组件由一对带有轴承的轴承座组成，于一对轴承座之间连接两根圆柱滚筒；

所述抱闸机构由夹紧装置及刹车板组成，所述刹车板设置于船模上，所述夹紧装置设置于拖曳支杆上。

其进一步技术方案在于：

于互为相邻的两根圆柱滚筒之间还设置用于保持船模前进方向的导航杆；

所述轴承座内带有的轴承为滚动轴承；

所述拉线式位移测量机构及导航架组件分别设置于船模艏部及船模艉部；

所述轴承座由水平板及垂直板连接构成“L”形板，于所述水平板上开设安装孔，所述轴承均设置于垂直板内；

一种利用权利要求1所述船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法包括以下步骤：

将由S型阻力仪、拖曳支杆、拉线式位移测量机构、抱闸机构构成的船模阻力测量装置置于拖曳水池拖车的专用测桥卡轨上，导航架组件和刹车板安装在船模上；拖车加速使固定在测桥卡轨上的阻力测量装置运动，从而带动与阻力测量装置连接的船模运动，拖车加速过程中夹紧装置将刹车板夹紧，使流体作用力无法传递至S型阻力仪；待拖车速度稳定后松开夹紧装置，使船模阻力作用于S型阻力仪中，由S型阻力仪输出应变信号阻力值；同时，拖车拖曳过程中，由船模艏部或船模艉部的纵向运动带动丝线使定滑轮转动，定滑轮转动带动电位器的轴心随转，由电位器上各端子输出不同电压线性对应垂向位移变化值，然后通过计算公式计算出纵倾角θ，船模艏柱位移变化值ΔFP，船模艉柱位移变化值ΔAP及船模升沉值σ。

纵倾角θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{D-E}{2L_1}$

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；E为丝线与船模艉部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L₁为船模中心点O、丝线与船模艏部的连接点FM/丝线与船模艉部的连接点AM之间的距离；

所述船模艏柱位移变化值值ΔFP的计算公式为：

ΔFP＝D-L₁·actanθ+L·actanθ

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L₁为船模中心点O、丝线与船模艏部的连接点FM/丝线与船模艉部的连接点AM之间的距离；

所述船模艉柱位移变化值ΔAP的计算公式为：

ΔAP＝D-L₁·actanθ-L·actanθ

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L为船模中心点距船模艏柱纵向位置/船模艉住纵向位置的纵向距离；

所述升沉值σ的计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\Δ}FP+\mathrm{\Δ}AP}{2}$

其中：ΔFP为船模艏柱位移变化值，ΔAP为船模艉柱位移变化值。

本发明的有益效果如下：

本发明结构简单、使用方便，成本低廉，其在拖曳水池测量船模阻力的同时还可以获取船模首尾纵倾及升沉姿态，利用阻力仪与抱闸机构的交互工作来实现稳速状态下的船模阻力测量，利用拉线式位移测量机构中由首尾带动丝线，使电位器输出对应电压并通过线性关系获取船模艏部及船模艉部的垂向位移变化值，并计算出船模纵倾角、升沉值及船模艏柱、船模艉住位移变化值，在拖曳过程中导航架机构能保证船模在纵向运动自由，利用滚动轴承保证了滚筒纵向滑动摩擦小，纵向运动自由。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中导航机构的主视图。

图3为图2中导航机构的前视图。

图4为本发明中拉线式位移测量机构的主视图。

图5为图4的侧视图。

图6为本发明中船模姿态近似测量原理图。

图7为本发明中位移信号输出电路图。

其中：1、S型阻力仪；2、钢丝绳；3、拖曳支杆；4、电位器；5、预紧砝码；6、丝线；7、定滑轮；8、导航杆；9、刹车板；10、夹紧装置；11、导航架组件；1101、轴承座；1102、滚动轴承；1103、圆柱滚筒；1104、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种船模阻力及姿态测量装置由设置于船模上的用于输出应变信号阻力值的S型阻力仪1、拖曳支杆3、用于测量船模姿态的拉线式位移测量机构、用于保证船模在纵向运动自由的导航架组件及抱闸机构组成；

如图1所示，S型阻力仪1的一端与拖曳支杆3固接，S型阻力仪1的另一端通过钢丝绳2与船模水平连接。

如图4、图5所示，拉线式位移测量机构包括定滑轮7，定滑轮7与电位器4的轴心连接，于定滑轮7上绕接丝线6，丝线6的一端连接预紧砝码5，丝线6的另一端与船模连接；上述砝码5为50g预紧砝码，由定滑轮7产生逆时针预紧力，使丝线6与船模之间保持拉紧状态，该预紧力较小，不会额外限制船模姿态。

如图2、图3所示，导航架组件由一对带有轴承的轴承座1101组成，于一对轴承座1101之间连接两根圆柱滚筒1103。于互为相邻的两根圆柱滚筒1103之间还设置用于保持船模前进方向的导航杆11，轴承座1101内带有的轴承为滚动轴承1102，轴承座1101由水平板及垂直板连接构成“L”形板，于水平板上开设安装孔1104，轴承均设置于垂直板内。导航架组件保证船模在纵向运动(纵倾和升沉)自由(偏航方向受限，横摇局部受限)，滚动轴承1102的布置保证纵向滑动摩擦小、纵向运动自由。导航架组件安装在船模的艏部和艉部。

抱闸机构由夹紧装置10及刹车板9组成，刹车板9设置于船模上。

上述拉线式位移测量机构分别设置于拖车测桥卡轨上。

实施例：

利用船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法如下：

如图6、图7所示，由S型阻力仪1、拖曳支杆3、拉线式位移测量机构、抱闸机构构成的船模阻力测量装置置于拖曳水池拖车的专用测桥卡轨上；导航架组件和刹车板安装在船模上；拖车加速使固定在测桥卡轨上的阻力测量装置运动，从而带动与阻力测量装置连接的船模运动，拖车加速过程中夹紧装置10将刹车板9夹紧，使流体作用力无法传递至S型阻力仪1；待拖车速度稳定后松开夹紧装置10，使船模阻力作用于S型阻力仪1中，由S型阻力仪1输出应变信号阻力值，在测量船模阻力的同时，由于水面兴波的影响，船模产生纵倾姿态变化，从而由船模艏部或船模艉部的纵向运动带动丝线6使定滑轮7转动，定滑轮7转动带动电位器4的轴心随转，由电位器4上各端子输出不同电压线性对应垂向位移变化值，然后通过计算公式计算出纵倾角θ，船模艏柱位移变化值ΔFP，船模艉柱位移变化值ΔAP及船模升沉值σ。

图7中船模中心点为O，丝线与船模艏部的连接点为FM，丝线与船模艉部的来拿接点为AM，船模艏柱的纵向位置为FP，船模艉住的纵向位置为AP，船模姿态变化后的艏柱纵向位置为FP’，船模姿态变化后的艉住纵向位置为AP’。

上述纵倾角θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{D-E}{2L_1}$

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；E为丝线与船模艉部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L₁为船模中心点O、丝线与船模艏部的连接点FM/丝线与船模艉部的连接点AM之间的距离。

上述船模艏柱位移变化值值ΔFP的计算公式为：

ΔFP＝D-L₁·actanθ+L·actanθ

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L₁为船模中心点O、丝线与船模艏部的连接点FM/丝线与船模艉部的连接点AM之间的距离。

上述船模艉柱位移变化值ΔAP的计算公式为：

ΔAP＝D-L₁·actanθ-L·actanθ

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L为船模中心点O距船模艏柱纵向位置/船模艉住纵向位置的纵向距离。

上述升沉值σ的计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\Δ}FP+\mathrm{\Δ}AP}{2}$

其中：ΔFP为船模艏柱位移变化值，ΔAP为船模艉柱位移变化值。

在拖曳过程中船模速度V_m＝2.996m/s，L₁＝2147.1mm，L＝2860.1mm，此时由电位器4输出的电压通过线性关系转换测得D＝-16.6mm，E＝-36.5mm，根据纵倾角计算公式可以计算出纵倾角θ＝0.267°；由船模艏柱位移变化值ΔFP，船模艉柱位移变化值ΔAP计算公式可以得出艏柱位移变化值ΔFP＝-11.241mm，艉柱位移变化值ΔAP＝-37.847mm；最后由升沉值计算公式得出升沉σ＝-24.544mm。

需要说明的是，姿态测量直接输出值是电压，因此，使用前，需要对该姿态测量装置进行标定，即以拉动多个丝线长度(如0mm,5mm,10mm,15mm,20mm,25mm,30mm,35mm,40mm等，)获得对应的电压值，然后上述数据对，绘出电压与位移的线性标定曲线图，则在实际使用时，则可根据测得的电位器输出电压值间接获得实际位移值。

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，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种船模阻力及姿态测量装置，其特征在于：由设置于船模上的用于输出应变信号阻力值的S型阻力仪(1)、拖曳支杆(3)、用于测量船模姿态的拉线式位移测量机构、用于保证船模在纵向运动自由,横向运动约束的导航架组件及抱闸机构组成；

所述S型阻力仪(1)的一端与拖曳支杆(3)固接，所述S型阻力仪(1)的另一端通过钢丝绳(2)与船模水平连接；

所述拉线式位移测量机构包括定滑轮(7)，所述定滑轮(7)与电位器(4)的轴心连接，于所述定滑轮(7)上绕接丝线(6)，所述丝线(6)的一端连接预紧砝码(5)，所述丝线(6)的另一端与船模连接；

所述导航架组件由一对带有轴承的轴承座(1101)组成，于一对轴承座(1101)之间连接两根圆柱滚筒(1103)；

所述抱闸机构由夹紧装置(10)及刹车板(9)组成，所述刹车板(9)设置于船模上，所述夹紧装置(10)设置于拖曳支杆(3)上。

2.如权利要求1所述的一种船模阻力及姿态测量装置，其特征在于：于互为相邻的两根圆柱滚筒(1103)之间还设置用于保持船模前进方向的导航杆(11)。

3.如权利要求1所述的一种船模阻力及姿态测量装置，其特征在于：所述轴承座(1101)内带有的轴承为滚动轴承(1102)。

4.如权利要求1所述的一种船模阻力及姿态测量装置，其特征在于：所述拉线式位移测量机构及导航架组件分别设置于船模艏部及船模艉部。

5.如权利要求1所述的一种船模阻力及姿态测量装置，其特征在于：所述轴承座(1101)由水平板及垂直板连接构成“L”形板，于所述水平板上开设安装孔(1104)，所述轴承均设置于垂直板内。

6.一种利用权利要求1所述船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法，其特征在于：

将由S型阻力仪(1)、拖曳支杆(3)、拉线式位移测量机构、抱闸机构构成的船模阻力测量装置置于拖曳水池拖车的专用测桥卡轨上，导航架组件和刹车板安装在船模上；拖车加速使固定在测桥卡轨上的阻力测量装置运动，从而带动与阻力测量装置连接的船模运动，拖车加速过程中夹紧装置(10)将刹车板(9)夹紧，使流体作用力无法传递至S型阻力仪(1)；待拖车速度稳定后松开夹紧装置(10)，使船模阻力作用于S型阻力仪(1)中，由S型阻力仪(1)输出应变信号阻力值；同时，拖车拖曳过程中，由船模艏部或船模艉部的纵向运动带动丝线(6)使定滑轮(7)转动，定滑轮(7)转动带动电位器(4)的轴心随转，由电位器(4)上各端子输出不同电压线性对应垂向位移变化值，然后通过计算公式计算出纵倾角θ，船模艏柱位移变化值ΔFP，船模艉柱位移变化值ΔAP及船模升沉值σ。

7.一种利用权利要求1所述船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法，其特征在于：纵倾角θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{D-E}{2L_1}$

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；E为丝线与船模艉部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L₁为船模中心点O、丝线与船模艏部的连接点FM/丝线与船模艉部的连接点AM之间的距离。

8.一种利用权利要求1所述船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法，其特征在于：所述船模艏柱位移变化值值ΔFP的计算公式为：

ΔFP＝D-L₁·actanθ+L·actanθ其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L₁为船模中心点O、丝线与船模艏部的连接点FM/丝线与船模艉部的连接点AM之间的距离。

9.一种利用权利要求1所述船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法，其特征在于：所述船模艉柱位移变化值ΔAP的计算公式为：

ΔAP＝D-L₁·actanθ-L·actanθ

其中：D为丝线与船模艏部连接点垂向位移变化值(相对于船模静止时的垂向位置)；L为船模中心点距船模艏柱纵向位置/船模艉住纵向位置的纵向距离。

10.一种利用权利要求1所述船模阻力及姿态测量装置进行测量的方法，其特征在于：所述升沉值σ的计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\Δ}FP+\mathrm{\Δ}AP}{2}$

其中：ΔFP为船模艏柱位移变化值，ΔAP为船模艉柱位移变化值。