CN110763429B - 一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法，包括模型设计，设计试验模型的缩尺比，按照仿生外形的推力部件进行全体的分段划分，确定测力天平的安装位置，在分部件接口处安装部件测力天平；根据确定的模拟状态与模拟参数计算试验所需的拖曳参数；调节拖车速度满足试验要求值，记录测力天平的数据；对天平测量的数据进行处理，对各部件的流体动力参数进行计算，获得完整的数据。本发明能够通过水池拖曳试验准确地测得仿生航行器在运动过程中各部件的流体动力参数，这些参数可以为舴体的结构设计和弹道设计提供依据。

Description

一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法
技术领域
本发明属于水下仿生实验技术领域，具体涉及一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法。
背景技术
海洋中鱼类低能耗的游动、瞬时加速与机动为现代水下武器所望尘莫及。纵观海洋世界演化历程，海洋中的水生动物经历了约10亿多年的自然选择，优胜劣汰，发展了各具特色的非凡能力。在仿海豚模式下，鱼体的前2/3几乎是刚性的，后1/3存在有限度的摆动，这种摆动在尾柄处的位移最大。尾鳍在尾柄的带动下，作大幅度的运动，推进力大部分由尾鳍产生。
对于空中和水下兵器而言，由于其本身没有变形，在飞行和航行过程中受到的流体动力无须考虑外形的变形影响。仿生外形在运动过程中，尾鳍作为身体的一部分，同时又作为产生前进动力的推力部件，流体动力随着自身的变形而发生相应的改变，传统的弹道动力学模型将不适用。目前，水下仿生外形的动力学建模采用多刚体的方式来开展。在当前学术研究领域，多刚体动力学模型主要应用于机器人领域，其一般均在空气中使用，外力项较简单。相比而言，水下多刚体运动耦合了复杂的流体动力，需要建立一种合理的描述方法。
发明内容
本发明提供一种应用于水下仿生航行体分部件测力的试验方法，能够通过水池拖曳试验准确地测得仿生航行器在运动过程中各部件的流体动力参数。
本发明方法通过以下步骤实现：
第一步:模型设计，设计试验模型的缩尺比，按照仿生外形的推力部件进行全体的分段划分，确定测力天平的安装位置，在分部件接口处安装部件测力天平；
第二步：根据确定的模拟状态与模拟参数计算试验所需的拖曳参数；
第三步：调节拖车速度满足试验要求值，记录测力天平的数据；
第四步：对天平测量的数据进行处理，对各部件的流体动力参数进行计算，获得完整的数据。
进一步地，第一步中，所述仿生外形分为前体1、尾柄2和尾鳍3三个部件，在前体1侧面安装第一天平6，前体1与尾柄2连接处安装第二天平4，尾柄2与尾鳍3连接处安装第三天平5；第一天平6的支杆与拖车相连，第一天平6的头部通过转角块与前体1相连；第二天平4的支杆与前体1相连，第二天平4的头部与尾柄2相连；第三天平5的支杆与尾柄2相连，第三天平5的头部通过角度转接块与尾鳍3相连；
进一步地，第二步中，所述模拟状态包括试验模型的攻角、侧滑角、尾柄摆动角度、尾鳍摆动角度、胸鳍舵偏角、背腹鳍舵偏角、拖车速度。
进一步地，第四步中，所述对天平测量的数据进行处理包括，
1)尾鳍测力，利用第三天平5测量尾鳍3不同偏转角的流体动力；
2)尾柄测力，利用第二天平4测量尾柄2和尾鳍3的流体动力，将第二天平4测得的流体动力减去第三天平5的流体动力，获得尾柄2的流体动力；
3)前体测力，利用第一天平6测量全部前体1的流体动力，将第一天平6测得的流体动力减去第二天平4的流体动力，获得前体1的流体动力。
进一步地，所述第一天平6采用侧壁支撑的方式，侧壁支撑采用流线型外形NACA16-009系列机翼。
本发明能够通过水池拖曳试验准确地测得仿生航行器在运动过程中各部件的流体动力参数，这些参数可以为舴体的结构设计和弹道设计提供依据。
附图说明
图1：仿生模型三刚体示意图；
图2：本发明天平安装主视图；
图3：本发明天平安装俯视图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
根据目前仿生外形的结构设计，水下仿生外形可分为前体(刚体1)、尾柄(刚体2)和尾鳍(刚体3)三个刚体部件，划分示意如图1。
对于图中所示的三刚体，每个刚体对应独立的参考点坐标、参考面积，且在多刚体动力学模型中，包含描述三个刚体运动的实时参数(如三分量速度、三分量角速度等)。对于三刚体，在流体动力建模时针对每个刚体部件开展，根据各部件的实时运动状态，计算得出作用在其上的流体动力，用于动力学方程的求解。
仿生模型分部件的流体动力参数通常由两种方法获取，分别是数值仿真方法和水池拖曳试验方法。其中，利用数值仿真技术获取流体动力的方法较为简单，对航行体进行整体建模，对分部件进行单独的积分计算即可。在水池拖曳试验中，为了得到部件的流体动力，需要考虑各部件之间的相互影响，要获得精确的测量值，需要对试验和测量方法进行详细的设计。因此本发明提出了一种应用于水下仿生航行体分部件测力的方法。
本发明方法包括如下步骤：
(1)鉴于国内现有水池试验尺寸的限制,设计好试验模型的缩尺比，按照仿生外形的推力部件进行全体的分段划分，确定前体1测力天平的安装位置，在分部件接口处安装部件测力天平，见图2、图3。改造现有的试验装置，采用侧壁支撑的方式，侧支撑的外形选择NACA16-009系列机翼翼型。
(2)试验前水池、试验模型和测量系统等各种试验设备检查与标定。根据确定的模拟状态与模拟参数计算试验所需的拖曳参数。具体包括试验模型的攻角、侧滑角、尾柄摆动角度、尾鳍摆动角度、胸鳍舵偏角、背腹鳍舵偏角、拖车速度等。
(3)调节拖车速度满足试验要求值，记录三套测力天平的数据；同时进行摄像、拍照等，记录模型在水中运行的整个过程。对天平测量的数据进行处理，按照整体减局部的方法对各部件的流体动力参数进行计算，获得完整的数据。
(4)尾鳍测力。利用第三天平5测量尾鳍3的流体动力，第三天平5的支杆与尾柄2相连，第三天平5的头部通过角度转接块与尾鳍3相连，可实现不同偏转角的需求。
(5)尾柄测力。利用第二天平4测量尾柄2和尾鳍3的流体动力，第二天平4的支杆与前体1相连，第二天平4的头部与尾柄2相连。尾柄2与天平相连处可预置不同的角度孔，实现尾柄2不同的摆动角度。将第二天平4测得的流体动力减去第三天平5的流体动力，即可获得尾柄2的流体动力。
(6)前体测力。利用第一天平6测量全部鱼体的流体动力，第一天平6的支杆7与拖车相连，第一天平6的头部通过转角块与前体1相连，实现前体1不同的摆动角度。将第一天平6测得的流体动力减去第二天平4的流体动力，即可获得前体1的流体动力。
(7)部件耦合测力。三部件在规定的范围内偏转，获得当前部件在前一部件处于有偏转角度影响的流体动力，研究各部件互相干扰状态下的影响规律。
以上方法的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

Claims (4)

1.一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法，通过以下步骤实现：
第一步:模型设计，设计试验模型的缩尺比，按照仿生外形的推力部件进行全体的分段划分，确定测力天平的安装位置，在分部件接口处安装部件测力天平；
第二步：根据确定的模拟状态与模拟参数计算试验所需的拖曳参数；
第三步：调节拖车速度满足试验要求值，记录测力天平的数据；
第四步：对天平测量的数据进行处理，对各部件的流体动力参数进行计算，获得完整的数据；
第一步中，所述仿生外形分为前体(1)、尾柄(2)和尾鳍(3)三个部件，在前体(1)侧面安装第一天平(6)，前体(1)与尾柄(2)连接处安装第二天平(4)，尾柄(2)与尾鳍(3)连接处安装第三天平(5)；第一天平(6)的支杆与拖车相连，第一天平(6)的头部通过转角块与前体(1)相连；第二天平(4)的支杆与前体(1)相连，第二天平(4)的头部与尾柄(2)相连；第三天平(5)的支杆与尾柄(2)相连，第三天平(5)的头部通过角度转接块与尾鳍(3)相连。
2.如权利要求1所述的一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法，其特征在于，第二步中，所述模拟状态包括试验模型的攻角、侧滑角、尾柄摆动角度、尾鳍摆动角度、胸鳍舵偏角、背腹鳍舵偏角、拖车速度。
3.如权利要求1所述一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法，其特征在于，第四步中，所述对天平测量的数据进行处理包括，
1)尾鳍测力，利用第三天平(5)测量尾鳍(3)不同偏转角的流体动力；
2)尾柄测力，利用第二天平(4)测量尾柄(2)和尾鳍(3)的流体动力，将第二天平(4)测得的流体动力减去第三天平(5)的流体动力，获得尾柄(2)的流体动力；
3)前体测力，利用第一天平(6)测量全部前体(1)的流体动力，将第一天平(6)测得的流体动力减去第二天平(4)的流体动力，获得前体(1)的流体动力。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种用于水池拖曳试验模型分部件的测力方法，其特征在于，所述第一天平(6)采用侧壁支撑的方式，侧壁支撑采用流线型外形NACA16-009系列机翼。
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