CN108362473A - 一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水面上航行的航行器模型抗浪能力技术领域，涉及一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法。本发明可为水面飞行器机身或船体的外型设计提供直接可靠的模型试验数据，明确机身或船体的外型优化方向，有效地缩短型号及课题的研制周期。此外本发明还能为模型抗浪能力的性能研究提供技术保障，不仅可以快速精准地获得模型抗浪能力的性能参数，还能有效降低试验风险，具有潜在的巨大长远意义和价值。

Description

一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法
技术领域
本发明属于水面上航行的航行器模型抗浪能力技术领域，涉及一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法。
背景技术
在水动设计方案论证阶段，目前主要采用水面飞行器单船身的缩比模型在试验水池中进行抗浪能力的研究，而惯性矩相似与气动力模拟是试验的是关键。在以往的试验方法中主要采用在模型重心处加卸载的方式来模拟气动升力，通过采用三自由度(垂荡、纵摇和纵荡)的试验方法对水面飞行器单船身模型抗浪的能力进行水池试验，该方法中的纵荡不是完全自由，而是通过弹簧或弹性材料链接使模型在纵向上可以产生一定的前后移动。
现有的三自由度水池试验方法对飞行器模型抗浪能力的研究存在很大的不足。首先，通过卸载模拟升力的方式在静水中对水面飞行器单船身模型进行快速性试验是没有问题的，但在波浪试验中由于模型遭遇波浪后发生响应使得模拟升力变成动态力，而该动态力并不是试验速度下需要的实际卸载力，而且直接影响垂荡测量精确度。其次，三自由度试验方法中的纵向自由也同样不适用于耐波性试验的研究，因为纵向上可以发生移动，模型遭遇波浪后会前后窜动，如此模型的纵向速度与拖车的拖曳速度必然存在差异，而试验采集的阻力也会间断性的出现正值、零和负值的现象。再次，波浪下模型前后窜动就如同卸载模拟升力一样，必然导致纵向拉力传感器测得的阻力不准确。
发明内容
本发明的目的：本发明提出直接从模型的排水量中扣除重量来替代卸载的方式模拟气动升力，再通过采用两个自由度(垂荡和纵摇)的试验方法对模型进行抗浪能力试验，如此可以避免卸载和三自由度给抗浪能力试验带来的影响。
本发明的目的技术方案：一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)安装试验模型：
首先将纵向限位装置11固定在拖车3的测桥16上，限制水面飞行器单船身模型19在速度方向上前后移动，升沉杆12安装限位装置11的套筒内固定。安装好的升沉杆12可沿套筒内壁在竖直方向上下移动，且只能在竖直方向上下移动；
然后将电葫芦2固定在升沉杆12正上方的拖车3车顶，用电葫芦2自带的钢丝绳5上得挂钩系住升沉杆12上端的限位圈6，通过控制电葫芦2的升降开关可提升或降低升沉杆12及与其相连仪器、模型等的高度；
再次将导航片13安装在水面飞行器单船身模型19的前端，导航片13的中线安装在水面飞行器单船身模型19的中纵剖面上，安装过程中，将固定在拖车3上的导航杆10穿过水面飞行器单船身模型19上的导航片13，用以防止试验过程中水面飞行器单船身模型19产生偏航，导航杆10下端距离水面的高度应大于波浪的最大波幅，且不能过高而影响水面飞行器单船身模型19的纵摇运动；
最后将水面飞行器单船身模型19连接到升沉杆12的下端，使升沉杆12可随水面飞行器单船身模型19的升沉变化而在竖直方向上上下移动，且升沉杆12上下移动的距离要能反映水面飞行器单船身模型19的升沉变化并不可影响水面飞行器单船身模型19的纵摇运动；
b)通过采集系统4测量模型在波浪试验中的增阻、纵摇幅值、垂荡幅值以及首中尾的线加速度幅值来分析预报实机的抗浪能力；
c)模型水池试验：
把水面飞行器单船身模型19的配重压铁置于模型的指定位置，将电葫芦2的钢丝绳放松，模型自然稳定后横向移动压铁使模型左右的吃水一致，记录模型艏艉吃水，打开采集系统4并对采集系统4的拉力传感器14、拉线式位移传感器1、角度测量仪15和加速度传感器17进行采零；
打开采集系统4的摄像系统9，调整摄像头的角度和焦距，使模型可清楚地呈现在各个摄像头的画面中，检查试验现场，确认试验状态准确无误，记录水温，拉消波板并造波，待波浪传至拖车3前方不远处，采集系统4开始采集数据，摄像系统9开始录像，启动拖车加速到试验速度并尽可能长时间维持模型以试验速度在波浪中运动以保证模型遭遇足够数量的波浪，拖车3减速直至静止，停止采集系统4采集和摄像系统9摄像，利用电葫芦2将模型提升至离开水面的高度，放下消波板，拖车返回船坞，待水面平静，重复以上步骤直至试验完成；
记录拖曳速度、水温等参数，每趟试验结束后，记录各录像机中本次录像对应时间轴位置，待整个试验结束后，对所收集的各参数值有效性进行分析，剔除失效数据及干扰信号，获得模型在波浪试验中纵摇、重心垂荡和加速度的响应幅值，对试验数据进行处理，并由此预报水面飞行器单船身实机的抗浪能力。
所述纵向限位装置11的套筒内壁由多组滚珠组成，滚珠可减小碳管7与套筒内壁的摩擦力。
所述升沉杆12由碳管7和限位圈6组成，安装时先用限位圈6固定两根碳管7的一端，再使两碳管的另一端穿过纵向限位装置11的套筒，从套筒穿出后用另一个限位圈6将两个碳管7的端面固定。
所述导航片13的槽宽略大于导航杆10的直径，并且安装过程中应避免导航片13与导航杆10存在明显摩擦。
所述步骤b)的采集系统4包括摄像系统9、拉线式位移传感器1、拉力传感器14、角度测量仪15、加速度传感器17；摄像系统9的摄像头主要安装在水面飞行器单船身模型19左前方、左后方、右前方和右后方的支架8上，并保证其在运行过程中不晃动，通过电脑控制从四个方位同时录制模型的运动情况，以便随时查看试验现象；拉线式位移传感器1安装在升沉杆12上方，用以测量升沉杆12在竖直方向上位移的时时变化；把角度测量仪15的下端面固定到水面飞行器单船身模型19上，并使角度测量仪15上下端面的铰接点与水面飞行器单船身模型19的理论重心位置重合；拉力传感器14的下端面与角度测量仪15的上端面用螺栓固连，上端面用螺栓固定到升沉杆12下端的限位圈6上，安装完成后，水面飞行器单船身模型19可绕着角度测量仪15上的铰接点进行俯仰运动，拉线式位移传感器1测得的位移为水面飞行器单船身模型19重心的升沉变化。
所述模型的运动情况主要包括喷溅、波浪响应。利用摄像系统9可以从四个方位记录模型的实时运动情况并进行录制，试验中可直接通过观看摄像系统9显示器画面实时了解模型的喷溅及波浪响应情况。通过摄像角度和水面飞行器单船身模型19升沉的变化还可大致绘出喷溅区域。试验结束后还可通过摄像系统9回放模型试验过程详细观察水面飞行器单船身模型19的喷溅和波浪响应情况。
本发明的有益效果：本发明可为水面飞行器机身或船体的外型设计提供直接可靠的模型试验数据，明确机身或船体的外型优化方向，有效地缩短型号及课题的研制周期。此外本发明还能为模型抗浪能力的性能研究提供技术保障，不仅可以快速精准地获得模型抗浪能力的性能参数，还能有效降低试验风险，具有潜在的巨大长远意义和价值。
附图说明
图1为本发明测试安装情况示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：如图1所示，一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)安装试验模型：
首先将纵向限位装置11固定在拖车3的测桥16上，该限位装置可限制水面飞行器单船身模型19在速度方向上前后移动，但不能限制模型在竖直方向上的上下移动，纵向限位装置11的套筒内壁由多组滚珠组成，滚珠可减小碳管7与套筒内壁的摩擦力。碳管7和限位圈6的组合装置称为升沉杆12，升沉杆安装时先用限位圈6固定两根碳管7的一端，再使两碳管的另一端穿过纵向限位装置11的套筒，从套筒穿出后用另一个限位圈6将两个碳管7的端面固定。安装好的升沉杆可沿套筒内壁在竖直方向上下移动，且只能在竖直方向上下移动。升沉杆12在满足试验需要的强度和刚度条件下总质量要求尽可能轻。
然后将电葫芦2固定在升沉杆12正上方的拖车3车顶，用电葫芦2自带的钢丝绳5上得挂钩系住升沉杆12上端的限位圈6，通过控制电葫芦2的升降开关可提升或降低升沉杆12及与其相连仪器、模型等的高度。
再次将导航片13安装在水面飞行器单船身模型19的前端，导航片13的中线安装在水面飞行器单船身模型19的中纵剖面上，以保证运动过程中水面飞行器单船身模型19中纵剖面与拖车前行的方向平行。安装过程中，将固定在拖车3上的导航杆10穿过水面飞行器单船身模型19上的导航片13，用以防止试验过程中水面飞行器单船身模型19产生偏航。导航片13的槽宽略大于导航杆10的直径，并且安装过程中应避免导航片13与导航杆10存在明显摩擦。导航杆10下端距离水面的高度应大于波浪的最大波幅，且不能过高而影响水面飞行器单船身模型19的纵摇运动。
最后将水面飞行器单船身模型19连接到升沉杆12的下端，使升沉杆12可随水面飞行器单船身模型19的升沉变化而在竖直方向上上下移动，且升沉杆12上下移动的距离要能反映水面飞行器单船身模型19的升沉变化并不可影响水面飞行器单船身模型19的纵摇运动。
b)安装试验采集设备：
水面飞行器抗浪能力的研究主要是通过测量其模型在波浪试验中的增阻、纵摇幅值、垂荡幅值以及首中尾的线加速度幅值来分析预报实机的抗浪能力，所以水面飞行器单船身模型19波浪试验的基本相关采集设备得包含摄像系统9、拉线式位移传感器1、拉力传感器14、角度测量仪15、加速度传感器17。摄像系统9的摄像头主要安装在水面飞行器单船身模型19左前方、左后方、右前方和右后方的支架8上，并保证其在运行过程中不晃动，通过电脑控制从四个方位同时录制模型的运动情况(包括喷溅、波浪响应等)，以便随时查看试验现象；拉线式位移传感器1安装在升沉杆12上方，用以测量升沉杆12在竖直方向上位移的时时变化；把角度测量仪15的下端面固定到水面飞行器单船身模型19上，并使角度测量仪15上下端面的铰接点与水面飞行器单船身模型19的理论重心位置重合；拉力传感器14的下端面与角度测量仪15的上端面用螺栓固连，上端面用螺栓固定到升沉杆12下端的限位圈6上。安装完成后，水面飞行器单船身模型19可绕着角度测量仪15上得铰接点进行俯仰运动，拉线式位移传感器1测得的位移为水面飞行器单船身模型19重心的升沉变化。
c)模型水池试验：
把水面飞行器单船身模型19的配重亚铁置于模型的指定位置，将电葫芦2的钢丝绳放松，模型自然稳定后横向移动压铁使模型左右的吃水一致，记录模型艏艉吃水，打开采集系统4并对拉力传感器14、拉线式位移传感器1、角度测量仪15和加速度传感器17进行采零。
打开摄像系统9，调整摄像头的角度和焦距，使模型可清楚地呈现在各个摄像头的画面中。检查试验现场，确认试验状态准确无误，记录水温，拉消波板并造波，待波浪传至拖车3前方不远处，采集系统4开始采集数据，摄像系统9开始录像，启动拖车加速到试验速度并尽可能长时间维持模型以试验速度在波浪中运动以保证模型遭遇足够数量的波浪，拖车3减速直至静止，停止采集系统4采集和摄像系统9摄像。利用电葫芦2将模型提升至离开水面的高度，放下消波板，拖车返回船坞，待水面平静，重复以上步骤直至试验完成。
记录拖曳速度、水温等参数，每趟试验结束后，记录各录像机中本次录像对应时间轴位置。待整个试验结束后，对所收集的各参数值有效性进行分析，剔除失效数据及干扰信号，获得模型在波浪试验中纵摇、重心垂荡和加速度的响应幅值。对试验数据进行处理，并由此预报水面飞行器单船身实机的抗浪能力。

Claims (6)

1.一种水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)安装试验模型：
首先将纵向限位装置(11)固定在拖车(3)的测桥(16)上，限制水面飞行器单船身模型(19)在速度方向上前后移动，升沉杆(12)安装限位装置(11)的套筒内固定。安装好的升沉杆(12)可沿套筒内壁在竖直方向上下移动，且只能在竖直方向上下移动；
然后将电葫芦(2)固定在升沉杆(12)正上方的拖车(3)车顶，用电葫芦(2)自带的钢丝绳(5)上得挂钩系住升沉杆(12)上端的限位圈(6)，通过控制电葫芦(2)的升降开关可提升或降低升沉杆(12)及与其相连仪器、模型等的高度；
再次将导航片(13)安装在水面飞行器单船身模型(19)的前端，导航片(13)的中线安装在水面飞行器单船身模型(19)的中纵剖面上，安装过程中，将固定在拖车(3)上的导航杆(10)穿过水面飞行器单船身模型(19)上的导航片(13)，用以防止试验过程中水面飞行器单船身模型(19)产生偏航，导航杆(10)下端距离水面的高度应大于波浪的最大波幅，且不能过高而影响水面飞行器单船身模型(19)的纵摇运动；
最后将水面飞行器单船身模型(19)连接到升沉杆(12)的下端，使升沉杆(12)可随水面飞行器单船身模型(19)的升沉变化而在竖直方向上上下移动，且升沉杆(12)上下移动的距离要能反映水面飞行器单船身模型(19)的升沉变化并不可影响水面飞行器单船身模型(19)的纵摇运动；
b)通过采集系统(4)测量模型在波浪试验中的增阻、纵摇幅值、垂荡幅值以及首中尾的线加速度幅值来分析预报实机的抗浪能力；
c)模型水池试验：
把水面飞行器单船身模型(19)的配重亚铁置于模型的指定位置，将电葫芦(2)的钢丝绳放松，模型自然稳定后横向移动压铁使模型左右的吃水一致，记录模型艏艉吃水，打开采集系统(4)并对采集系统(4)的拉力传感器(14)、拉线式位移传感器(1)、角度测量仪(15)和加速度传感器(17)进行采零；
打开采集系统(4)的摄像系统(9)，调整摄像头的角度和焦距，使模型可清楚地呈现在各个摄像头的画面中，检查试验现场，确认试验状态准确无误，记录水温，拉消波板并造波，待波浪传至拖车(3)前方不远处，采集系统(4)开始采集数据，摄像系统(9)开始录像，启动拖车加速到试验速度并尽可能长时间维持模型以试验速度在波浪中运动以保证模型遭遇足够数量的波浪，拖车(3)减速直至静止，停止采集系统(4)采集和摄像系统(9)摄像，利用电葫芦(2)将模型提升至离开水面的高度，放下消波板，拖车返回船坞，待水面平静，重复以上步骤直至试验完成；
记录拖曳速度、水温等参数，每趟试验结束后，记录各录像机中本次录像对应时间轴位置，待整个试验结束后，对所收集的各参数值有效性进行分析，剔除失效数据及干扰信号，获得模型在波浪试验中纵摇、重心垂荡和加速度的响应幅值，对试验数据进行处理，并由此预报水面飞行器单船身实机的抗浪能力。
2.如权利要求1所述的水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，所述纵向限位装置(11)的套筒内壁由多组滚珠组成，滚珠可减小碳管(7)与套筒内壁的摩擦力。
3.如权利要求1或2所述的水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，所述升沉杆(12)由碳管(7)和限位圈(6)组成，安装时先用限位圈(6)固定两根碳管(7)的一端，再使两碳管的另一端穿过纵向限位装置(11)的套筒，从套筒穿出后用另一个限位圈(6)将两个碳管(7)的端面固定。
4.如权利要求3所述的水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，所述导航片(13)的槽宽略大于导航杆(10)的直径，并且安装过程中应避免导航片(13)与导航杆(10)存在明显摩擦。
5.如权利要求1所述的水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，所述步骤b)的采集系统(4)包括摄像系统(9)、拉线式位移传感器(1)、拉力传感器(14)、角度测量仪(15)、加速度传感器(17)；摄像系统(9)的摄像头主要安装在水面飞行器单船身模型(19)左前方、左后方、右前方和右后方的支架(8)上，并保证其在运行过程中不晃动，通过电脑控制从四个方位同时录制模型的运动情况，以便随时查看试验现象；拉线式位移传感器(1)安装在升沉杆(12)上方，用以测量升沉杆(12)在竖直方向上位移的时时变化；把角度测量仪(15)的下端面固定到水面飞行器单船身模型(19)上，并使角度测量仪(15)上下端面的铰接点与水面飞行器单船身模型(19)的理论重心位置重合；拉力传感器(14)的下端面与角度测量仪(15)的上端面用螺栓固连，上端面用螺栓固定到升沉杆(12)下端的限位圈(6)上，安装完成后，水面飞行器单船身模型(19)可绕着角度测量仪(15)上的铰接点进行俯仰运动，拉线式位移传感器(1)测得的位移为水面飞行器单船身模型(19)重心的升沉变化。
6.如权利要求5所述的水面飞行器抗浪能力的单船身模型水池试验方法，其特征在于，所述模型的运动情况包括喷溅、波浪响应等。
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