CN109781380A - 一种波浪滑翔机弹性水翼最优弹簧劲度系数的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪滑翔机弹性水翼最优弹簧劲度系数的试验方法，使用垂直激励小车、波浪滑翔机的水下牵引机模型、牵引线和水槽组成试验装置，利用垂直激励小车代替波浪滑翔机水面母船对水下牵引机模型施加垂荡激励，消除了因试验装置的尺寸限制导致的水面波浪对水下牵引机产生的影响，通过对比垂直激励小车的平均运动速度，运用控制变量法研究波浪滑翔机在规定工作环境下的最优弹簧劲度系数。本方法简单易行，能够更加准确、真实的对波浪滑翔机进行模拟实验，精确度高，方便定位。

Description

一种波浪滑翔机弹性水翼最优弹簧劲度系数的试验方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种波浪滑翔机弹性水翼最优弹簧劲度系数的试验方法。

背景技术

目前船舶与海洋工程结构物水动力性能试验主要依靠水池和水槽来进行，目前的水池和水槽试验设备可以满足传统船舶与海洋工程结构物的水动力试验要求，但是对于使用波浪能作为动力前进的航行器，例如波浪滑翔机，不能够满足其试验要求。

波浪滑翔机的航行速度主要由水下部分的运动性能决定的。而波浪滑翔机水下部分性能不仅与禁止角有关，还与弹性水翼上弹簧的劲度系数有关，同时也会受到实际海况的影响。因为波浪滑翔机由水下牵引机和水面母船两部分组成，在对水下牵引机进行水动力性能试验时拖车设备无法提供母船对水下滑翔机的升沉力以及运动作用，不能模拟水面母船与水下牵引机之间的相互作用情况；同时水槽试验也会因波浪滑翔机的尺度问题，而无法消除水面波浪以及水面母船对水下部分的试验干扰。并且波浪滑翔机的运动速度变化较大，在水槽和水池中无法精确定位。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的试验方法，消除水槽试验中水面波浪以及水面母船对水下部分的试验干扰，同时模拟水面母船对水下牵引机的垂直激荡作用，进而能够更加准确、真实的对波浪滑翔机进行模拟实验，研究水下牵引机弹性水翼的在规定工作环境下的最优弹簧劲度系数。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，由于在真实海况中，水面波浪几乎不对波浪滑翔机的水下牵引机的运动性能产生影响，所以在水池试验中需要消除因波浪滑翔机的尺寸限制而产生的水面波浪对水下牵引机的影响，可以在不制造波浪的情况下进行试验，用相似原理模拟水面母船与水下牵引机的相互作用情况，进而研究影响波浪滑翔机运动性能的弹性水翼上弹簧的劲度系数。

为实现上述目的，本发明提供了一种波浪滑翔机弹性水翼最优弹簧劲度系数的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：布置适用于本试验方法的试验装置，包括垂直激励小车、波浪滑翔机的水下牵引机模型、牵引线和水槽；

所述垂直激励小车包括拖车载体、垂荡激励控制设备和槽轮，所述垂荡激励控制设备固定在所述拖车载体上，所述槽轮固定在所述垂荡激励控制设备的转动轴上；所述水下牵引机模型包括机体和弹性水翼；所述水槽上方设置有导槽供所述垂直激励小车滑动，所述垂直激励小车与所述水下牵引机模型通过所述牵引线相连接。

步骤2：在所述机体和所述弹性水翼之间安装弹簧；

步骤3：利用相似定律计算真实海况波高对应试验中所述水下牵引机模型的振幅，并对所述垂荡激励控制设备进行设定；

步骤4：启动所述垂荡激励控制设备，利用所述垂直激励小车代替母船对所述水下牵引机模型施加垂直激励，测定所述垂直激励小车在所述水槽上方滑动固定距离所用的时间；

步骤5：改变所述水下牵引机模型的振幅，并重复步骤3至步骤4；

步骤6：更换不同劲度系数的弹簧，并重复步骤2至步骤5；

步骤7：根据对比所述垂直激励小车在安装不同劲度系数的弹簧下的速度，决定适应规定工作环境的最优弹簧劲度系数。

进一步地，所述步骤1中进一步包含以下步骤：

步骤1A：将所述牵引线的上端固定并缠绕在所述槽轮上；

步骤1B：将所述牵引线的下端固定在所述水下牵引机模型的物理重心处；

步骤1C：将所述垂直激励小车安装在所述水槽的导槽上；

步骤1D：将所述水下牵引机模型置于所述水槽中，并完全没入水中。

进一步地，在所述步骤1中，所述水槽的格数不小于3格，所述水槽的单格长度为1.5米。

进一步地，在所述步骤1中，所述牵引线的弹性系数大于10000N/m。

进一步地，在所述步骤1中，所述拖车载体的材质为铝合金。

进一步地，在所述步骤1中，所述拖车载体的宽度、所述水下牵引机模型的宽度与所述水槽的宽度相匹配。

进一步地，在所述步骤2中，所述弹簧安装完毕后，在所述机体在水中保持水平时，所述弹性水翼须保持水平。

进一步地，在所述步骤3中，所述水下牵引机模型的振幅小于所述水下牵引机模型没入水中的深度，保证所述垂直激励小车对所述水下牵引机模型的运动全程提供激励。

进一步地，在所述步骤4中，所述垂荡激励控制设备可控制所述槽轮正转和反转，所述槽轮正转和反转的角度一致。

10、如权利要求3所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤4中，用于计算所述垂直激励小车速度的所述水槽距离不少于三格。

本发明具有的有益技术效果是：

1、通过垂荡激励控制设备可以控制槽轮上所缠绕牵引线的收放速度和收放长度，实现对波浪滑翔机的水下牵引机的垂荡运动产生不同振幅的激励；

2、在不需要产生波浪的情况下，通过用垂直激励小车代替母船对水下牵引机模型进行垂直激励，避免了因水槽和波浪滑翔机的尺寸限制产生的水面波浪对水下牵引机模型的运动干扰，用控制变量法单独研究水下牵引机的弹性水翼上弹簧劲度系数对运动性能的影响，精确度高，易于定位。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中水下牵引机模型的弹簧安装部分剖面图；

图3是本发明的一个较佳实施例中垂直激励小车的部分结构示意图。

其中，1-拖车载体，2-垂荡激励控制设备，3-槽轮，4-水下牵引机模型，5-牵引线，6-水槽，41-机体，42-弹性水翼，43-弹簧。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一

如图1所示，本试验方法中所需的试验装置包括垂直激励小车、水下牵引机模型4、牵引线5和水槽6；垂直激励小车包括拖车载体1、垂荡激励控制设备2和槽轮3；如图2所示，本试验方法中所用的水下牵引机模型4包含机体41、弹性水翼42和弹簧43。

进行试验时，先配置试验所用的试验装置：

1、将牵引线5的上端固定并缠绕在槽轮3上；

2、将牵引线5的下端固定在水下牵引机模型4的物理重心处；

3、将垂直激励小车安装在水槽6的导槽上；

4、将水下牵引机模型4置于水槽6中，并完全没入水中。

在以上配置过程中，所选用的拖车载体1的材质为质量轻、强度高的铝合金，所选用的牵引线5的弹性系数大于10000N/m，拖车载体1的宽度、水下牵引机模型4的宽度与水槽6的宽度相匹配。

垂荡激励控制设备2包括激励控制部和激励输出部；激励控制部用于改变模拟垂荡激励的振幅大小；激励输出部有动力轴，槽轮3固定安装在激励输出部的动力轴上，激励控制部控制激励输出部的动力轴的转速和转动角度，将动力轴的转动角度与槽轮3的半径相乘，即为输出的振幅大小。

实施例二

将本试验方法研究的弹簧43安装在机体41和弹性水翼42之间，并且保证弹簧43在安装之后，机体41在水中保持水平的同时，弹性水翼42在弹簧43的作用下保持水平。安装完成后，利用相似定律计算真实海况波高对应试验中水下牵引机模型4的振幅，并由上述振幅的计算方法得出相应的动力轴转动角度，通过对垂荡激励控制设备2的激励控制部进行设定，产生符合试验要求的振幅，同时注意水下牵引机模型4的振幅须小于水下牵引机模型4浸入水中的深度，保证垂荡激励控制设备2在对水下牵引机模型4提供垂荡激励的全程，水下牵引机模型4均在水中；设定完毕后，启动垂荡激励控制设备2，激励输出部根据激励控制部的控制带动槽轮3的正反转动，以此控制缠绕在槽轮3上的牵引线5的收放，在这个过程中，在垂荡激励控制设备2的控制下，槽轮3在同一组试验中的正反转角度保持一致，以提供稳定的相同振幅；在牵引线5提升的过程中，带动水下牵引机模型4向上运动，在弹性水翼42向上运动的过程中，由于受到水的阻力作用，弹性水翼42会向下转动到达弹簧43限定的角度，在垂直方向上，由于弹性水翼42和水相对运动会在水翼上产生一个垂直向下的阻力和水平向前的推力，这个推力会推动弹性水翼42及水下牵引机模型4向前运动，并带动垂直激励小车向前运动；在向上运动的过程中，由于弹性水翼42和水在垂直方向的相对速度越来越小，弹性水翼42的产生的力矩也变小，当达到牵引线5提升的最大值时，连接弹性水翼42和机体41的弹簧43产生的回复力矩会将弹性水翼42拉回到平衡位置；当牵引线5下降时，水下牵引机模型4因重力作用也会向下运动，弹性水翼42则会在水的阻力下向上转动到达限定的角度，向下的过程会在垂直方向产生一个向上的阻力，在水平方向上产生一个向前的推力，推动弹性水翼42和水下牵引机模型4向前运动，并带动垂直激励小车向前运动。

实施例三

在垂荡激励控制设备2对水下牵引机模型4施加垂荡激励时，垂直激励小车会向前运动，因水槽6供垂直激励小车滑动的边缘表面并非完全平整，并且水槽6一格长度仅1.5米，故测量小车通过三格分别需要的时间，并计算其平均速度以表征波浪滑翔机弹性水翼性能。此时记录垂直激励小车通过3格水槽所需的平均时间，计算出在特定的弹簧43的劲度系数和特定的水下牵引机模型4的振幅下，垂直激励小车的运动速度，以此表征波浪滑翔机的运动性能。使用控制变量法，更换不同劲度系数的弹簧43，或改变水下牵引机模型4的振幅，研究波浪滑翔机在规定工作环境下的最优弹簧劲度系数。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种波浪滑翔机弹性水翼最优弹簧劲度系数的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：布置适用于本试验方法的试验装置，包括垂直激励小车、波浪滑翔机的水下牵引机模型、牵引线和水槽；

所述垂直激励小车包括拖车载体、垂荡激励控制设备和槽轮，所述垂荡激励控制设备固定在所述拖车载体上，所述槽轮固定在所述垂荡激励控制设备的转动轴上；所述水下牵引机模型包括机体和弹性水翼；所述水槽上方设置有导槽供所述垂直激励小车滑动，所述垂直激励小车与所述水下牵引机模型通过所述牵引线相连接。

步骤2：在所述机体和所述弹性水翼之间安装弹簧；

步骤3：利用相似定律计算真实海况波高对应试验中所述水下牵引机模型的振幅，并对所述垂荡激励控制设备进行设定；

步骤4：启动所述垂荡激励控制设备，利用所述垂直激励小车代替母船对所述水下牵引机模型施加垂直激励，测定所述垂直激励小车在所述水槽上方滑动固定距离所用的时间；

步骤5：改变所述水下牵引机模型的振幅，并重复步骤3至步骤4；

步骤6：更换不同劲度系数的弹簧，并重复步骤2至步骤5；

步骤7：根据对比所述垂直激励小车在安装不同劲度系数的弹簧下的速度，决定适应规定工作环境的最优弹簧劲度系数。

2.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述步骤1中进一步包含以下步骤：

步骤1A：将所述牵引线的上端固定并缠绕在所述槽轮上；

步骤1B：将所述牵引线的下端固定在所述水下牵引机模型的物理重心处；

步骤1C：将所述垂直激励小车安装在所述水槽的导槽上；

步骤1D：将所述水下牵引机模型置于所述水槽中，并完全没入水中。

3.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述水槽的格数不小于3格，所述水槽的单格长度为1.5米。

4.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述牵引线的弹性系数大于10000N/m。

5.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述拖车载体的材质为铝合金。

6.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述拖车载体的宽度、所述水下牵引机模型的宽度与所述水槽的宽度相匹配。

7.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述弹簧安装完毕后，在所述机体在水中保持水平时，所述弹性水翼须保持水平。

8.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述水下牵引机模型的振幅小于所述水下牵引机模型没入水中的深度，保证所述垂直激励小车对所述水下牵引机模型的运动全程提供激励。

9.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述垂荡激励控制设备可控制所述槽轮正转和反转，所述槽轮正转和反转的角度一致。

10.如权利要求3所述的试验方法，其特征在于，在所述步骤4中，用于计算所述垂直激励小车速度的所述水槽距离不少于三格。