CN111521373B - 一种船模近场波形测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船模近场波形测量系统及其测量方法，包括测量系统，其具体的结构为：包括支撑架，所述支撑架的底部安装有Y向位移装置，所述支撑架的外壁面配合安装有Z向位移装置，Z向位移装置的外部配合安装有X向位移装置；通过测量系统与船模、拖车的配合工作，通过分别改变X、Y、Z三个方向的位移，以及浪高仪的数据测量和存储，可以方便的完成船模近场波形的测量工作，操作方便，为船舶破碎波的测量研究提供重要基础。

Description

一种船模近场波形测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量系统技术领域，尤其是一种船模近场波形测量系统及其测量方法。

背景技术

随着船舶能效设计指数(EEDI)指标的实施，提高船舶能效的需求越来越高，针对船舶型线的阻力性能优化一直是船舶设计的焦点。减小兴波阻力作为船型优化的主要方向，需要航行兴波特别是非定常破碎波的研究作为支撑。

对船模航行兴波场的精细测量可以为计算流体力学(CFD)提供可靠的验证数据，同时也可以支撑对破碎波机理的研究，为兴波阻力的分析与优化提供有效手段。对于高速船，在船模艏部到船中区域会出现翻卷、破碎、分离等非定常现象，传统的纵切法测量装置无法对波型中的非定常特征进行捕捉，需要开发一种能够跟随船模并可相对移动的波型测量装置。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种船模近场波形测量系统及其测量方法，从而对非定常波面进行时历测量，通过不同位置波高数据平均值与标准差重构波面分布，为船舶破碎波的测量研究提供重要基础。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船模近场波形测量系统，

包括测量系统，其具体的结构为：包括支撑架，所述支撑架的底部安装有Y向位移装置，所述支撑架的外壁面配合安装有Z向位移装置，Z向位移装置的外部配合安装有X向位移装置；

Y向位移装置的结构为：所述支撑架的底部间隔固定有Y向基座和电机固定座，所述电机固定座的外端面安装Y向步进电机，Y向步进电机的外部固定有Y向编码器，Y向步进电机的输出端穿过电机固定座和Y向基座连接Y向丝杆，所述Y向丝杆上套有Y向滑块，所述Y向滑块的底部固定有布置平台，所述布置平台上间隔安装有多个浪高仪；

Z向位移装置的结构为：所述支撑架的外端面处设置有U型板，所述U型板的开口朝向支撑架，所述U型板的顶面固定有Z向步进电机，所述Z向步进电机的顶部安装有Z向编码器，所述Z向步进电机的输出端连接有Z向丝杆，所述Z向丝杆转动安装在U型板的内部，所述Z向丝杆上套有Z向滑块，所述Z向滑块固定在支撑架的外端面，Z向丝杆的转动，带动Z向滑块上下滑动，带动Z向滑块与支撑架整体上下滑动；

X向位移装置的结构为：U型板的外端面固定有连接块，所述连接块固定有X向滑移模组，X向滑移模组安装固定墙板上。

其进一步技术方案在于：

还包括池壁，池壁内部布有水，在水面上设置有船模，所述船模的中心设置有与船底板垂直的立杆，所述立杆的顶部设置有行走梁，行走梁的两端配合安装有固定梁，行走梁沿着固定梁滑移，上述立杆、行走梁和固定梁构成拖车；测量系统位于船模一旁，固定墙板上安装有测控台。

所述Y向丝杆的两端还安装有与其平行Y向导柱，所述Y向导柱的一端头与Y向基座固定，其中一个Y向导柱的另一端头安装位移传感器，其中一个Y向导柱的另一端头安装限位块。

Z向丝杆的两端还安装有与其平行的Z向导柱，所述Z向导柱上套有Z向导块，所述Z向导块设置在支撑架的外端面。

所述布置平台的结构为：包括位于顶部的顶板，所述顶板的上表面与Y向滑块固定，所述顶板的下表面通过多个支撑柱连接有底板，所述底板上开有多个安装孔，所述安装孔内安装浪高仪。

所述支撑架的截面成三角形结构。

一种船模近场波形测量系统的测量方法，包括如下操作步骤：

第一步：试验前，船模放入池壁的水面中；

第二步：船模与拖车连接；

第三步：整个测量系统在固定墙板处安装到位；

第四步：对每个浪高仪进行零位采集；

第五步：Z向位移装置工作，启动Z向步进电机，即Z向丝杆转动带动Z向滑块移动，从而带动整个支撑架与底部的Y向位移装置同时在Z向方向发生位移，调整好Z向所需要的位置；

第六步：X向位移装置工作，通过调节X向滑移模组将测量系统移动至船模艏柱位置；

第七步：正式开始试验，启动拖车至指定速度并控制浪高仪开始采集波高信息，采集约5-10秒，然后控制Y向位移装置工作，使浪高仪向左移动至船体舷侧位置，继续进行采集；

第八步：浪高仪继续向左移动20mm，然后采集；

第九步：采用第八步相同的方法，每间隔20mm采集一次，直至测量剖面全部采集完成；

第十步：控制Y向位移装置回位；

第十一步：驱动X向位移装置，改变X向方形的位移位置，X方向向船尾移动30mm，然后采用上述第七至第九步相同的操作方法，完成一个船模舷侧自由面上的横向剖面的采集工作；

第十二步：再次驱动X向位移装置，改变X向方形的位移位置，X方向向船尾移动，重复上述第七至第九步相同的操作方法，完成一个船模舷侧自由面上的横向剖面的采集工作，直至X方向上所有剖面浪高信息测量完成；

第十三步：结束试验。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过测量系统与船模、拖车的配合工作，通过分别改变X、Y、Z三个方向的位移，以及浪高仪的数据测量和存储，可以方便的完成船模近场波形的测量工作，操作方便，为船舶破碎波的测量研究提供重要基础。

本发明主要适用于在拖曳水池开展船模近场破碎波波面高度与分布范围的定量测量。

附图说明

图1为本发明的应用图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明Y向丝杆的安装示意图。

图4为本发明Z向丝杆的安装示意图。

图5为本发明船模近场的波形分布图。

其中：1、池壁；2、水面；3、行走梁；4、固定梁；5、立杆；6、船模；7、测量系统；8、测控台；9、位移传感器；10、Y向位移装置；11、Y向丝杆；12、Y向滑块；13、布置平台；14、支撑架；15、Y向基座；16、电机固定座；17、Z向编码器；18、Z向步进电机；19、U型板；20、Z向导块；21、连接块；22、X向滑移模组；23、Z向丝杆；24、固定墙板；25、浪高仪；26、Y向步进电机；27、Y向编码器；28、限位块；29、Y向导柱；30、Z向滑块；31、Z向导柱。

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-图5所示，本实施例的船模近场波形测量系统，

包括测量系统7，其具体的结构为：包括支撑架14，支撑架14的底部安装有Y向位移装置10，支撑架14的外壁面配合安装有Z向位移装置，Z向位移装置的外部配合安装有X向位移装置；

Y向位移装置10的结构为：支撑架14的底部间隔固定有Y向基座15和电机固定座16，电机固定座16的外端面安装Y向步进电机26，Y向步进电机26的外部固定有Y向编码器27，Y向步进电机26的输出端穿过电机固定座16和Y向基座15连接Y向丝杆11，Y向丝杆11上套有Y向滑块12，Y向滑块12的底部固定有布置平台13，布置平台13上间隔安装有多个浪高仪25；

Z向位移装置的结构为：支撑架14的外端面处设置有U型板19，U型板19的开口朝向支撑架14，U型板19的顶面固定有Z向步进电机18，Z向步进电机18的顶部安装有Z向编码器17，Z向步进电机18的输出端连接有Z向丝杆23，Z向丝杆23转动安装在U型板19的内部，Z向丝杆23上套有Z向滑块30，Z向滑块30固定在支撑架14的外端面，Z向丝杆23的转动，带动Z向滑块30上下滑动，带动Z向滑块30与支撑架14整体上下滑动；

X向位移装置的结构为：U型板19的外端面固定有连接块21，连接块21固定有X向滑移模组22，X向滑移模组22安装固定墙板24上。

还包括池壁1，池壁1内部布有水，在水面2上设置有船模6，船模6的中心设置有与船底板垂直的立杆5，立杆5的顶部设置有行走梁3，行走梁3的两端配合安装有固定梁4，行走梁3沿着固定梁4滑移，上述立杆5、行走梁3和固定梁4构成拖车；测量系统7位于船模6一旁，固定墙板24上安装有测控台8。

Y向丝杆11的两端还安装有与其平行Y向导柱29，Y向导柱29的一端头与Y向基座15固定，其中一个Y向导柱29的另一端头安装位移传感器9，其中一个Y向导柱29的另一端头安装限位块28。

Z向丝杆23的两端还安装有与其平行的Z向导柱31，Z向导柱31上套有Z向导块20，Z向导块20设置在支撑架14的外端面。

布置平台13的结构为：包括位于顶部的顶板，顶板的上表面与Y向滑块12固定，顶板的下表面通过多个支撑柱连接有底板，底板上开有多个安装孔，安装孔内安装浪高仪25。

支撑架14的截面成三角形结构。

本实施例的船模近场波形测量系统的测量方法，包括如下操作步骤：

第一步：试验前，船模6放入池壁1的水面2中；

第二步：船模6与拖车连接；

第三步：整个测量系统7在固定墙板24处安装到位；

第四步：对每个浪高仪25进行零位采集；

第五步：Z向位移装置工作，启动Z向步进电机18，即Z向丝杆23转动带动Z向滑块30移动，从而带动整个支撑架14与底部的Y向位移装置10同时在Z向方向发生位移，调整好Z向所需要的位置；

第六步：X向位移装置工作，通过调节X向滑移模组22将测量系统7移动至船模6艏柱位置；

第七步：正式开始试验，启动拖车至指定速度并控制浪高仪25开始采集波高信息，采集约5-10秒，然后控制Y向位移装置10工作，使浪高仪25向左移动至船体舷侧位置，继续进行采集；

第八步：浪高仪25继续向左移动20mm，然后采集；

第九步：采用第八步相同的方法，每间隔20mm采集一次，直至测量剖面全部采集完成；

第十步：控制Y向位移装置10回位；

第十一步：驱动X向位移装置，改变X向方形的位移位置，X方向向船尾移动30mm，然后采用上述第七至第九步相同的操作方法，完成一个船模舷侧自由面上的横向剖面的采集工作；

第十二步：再次驱动X向位移装置，改变X向方形的位移位置，X方向向船尾移动，重复上述第七至第九步相同的操作方法，完成一个船模舷侧自由面上的横向剖面的采集工作，直至X方向上所有剖面浪高信息测量完成；

第十三步：结束试验。

本发明所述的X方向表示水平面上沿船模6的首尾方向，

Y方向表示水平面上沿船模6的左右方向，

本发明的具体结构和功能如下：

包括浪高仪25、布置平台13、位移传感器9、Y向位移装置10、支撑架14、Z向位移装置、X向位移装置、测控台8。

其中浪高仪25安装于布置平台13上，用于波形数据的测量，浪高仪25的数量、安装矩阵及排列间距根据具体测试方案确定。

Y向位移装置10由Y向丝杆11、Y向导柱29、Y向滑块12、Y向步进电机26、Y向编码器27组成，

Y向滑块12带动布置平台13左右移动，Y向步进电机26控制Y向丝杆11的转动。

Y向位移装置10最左端为位移传感器9，反馈浪高仪25的位移情况。

支撑架14由一块三角板和两块方板组成，板上开有大量减重孔，支撑架14的两块方板分别与Y向位移装置10和Z向位移装置相连，三角板为整个装置提供足够的刚度。

Z向位移装置由Z向丝杆23、Z向导块20、Z向步进电机18、Z向编码器17、U型板19组成，Z向步进电机18控制Z向丝杆23转动，Z向导块20通过Z向丝杆23带动浪高仪25的上下移动，U型板19为Z向位移装置提供支撑。

X向位移装置主要通过X向滑移模组22驱动发生位移。

测控台8负责浪高仪25的全部X、Y、Z三向的运动控制以及浪高仪25的数据测量和存储。

实际使用过程中：按照测量方法的步骤进行测量，对于每个测点分别计算其测量时间段内的波高平均值(MEAN)与标准差(RMS)，将测点的X、Y以及波高平均值与标准差作图可以获得船模6近场的波形分布(如图5所示)，图中平均值较大与较小的区域分别对应于船模6兴波的波峰与波谷，标准差较大的区域表明波形振荡较大，存在波浪破碎现象，为破碎波区域。通过该系统的测量可以准确获得船模6近场破碎波的分布区域以及波形特征。

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，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种船模近场波形测量系统，其特征在于：

包括测量系统(7)，其具体的结构为：包括支撑架(14)，所述支撑架(14)的底部安装有Y向位移装置(10)，所述支撑架(14)的外壁面配合安装有Z向位移装置，Z向位移装置的外部配合安装有X向位移装置；

Y向位移装置(10)的结构为：所述支撑架(14)的底部间隔固定有Y向基座(15)和电机固定座(16)，所述电机固定座(16)的外端面安装Y向步进电机(26)，Y向步进电机(26)的外部固定有Y向编码器(27)，Y向步进电机(26)的输出端穿过电机固定座(16)和Y向基座(15)连接Y向丝杆(11)，所述Y向丝杆(11)上套有Y向滑块(12)，所述Y向滑块(12)的底部固定有布置平台(13)，所述布置平台(13)上间隔安装有多个浪高仪(25)；

Z向位移装置的结构为：所述支撑架(14)的外端面处设置有U型板(19)，所述U型板(19)的开口朝向支撑架(14)，所述U型板(19)的顶面固定有Z向步进电机(18)，所述Z向步进电机(18)的顶部安装有Z向编码器(17)，所述Z向步进电机(18)的输出端连接有Z向丝杆(23)，所述Z向丝杆(23)转动安装在U型板(19)的内部，所述Z向丝杆(23)上套有Z向滑块(30)，所述Z向滑块(30)固定在支撑架(14)的外端面，Z向丝杆(23)的转动，带动Z向滑块(30)上下滑动，带动Z向滑块(30)与支撑架(14)整体上下滑动；

X向位移装置的结构为：U型板(19)的外端面固定有连接块(21)，所述连接块(21)固定有X向滑移模组(22)，X向滑移模组(22)安装在固定墙板(24)上。

2.如权利要求1所述的一种船模近场波形测量系统，其特征在于：还包括池壁(1)，池壁(1)内部布有水，在水面(2)上设置有船模(6)，所述船模(6)的中心设置有与船底板垂直的立杆(5)，所述立杆(5)的顶部设置有行走梁(3)，行走梁(3)的两端配合安装有固定梁(4)，行走梁(3)沿着固定梁(4)滑移，上述立杆(5)、行走梁(3)和固定梁(4)构成拖车；测量系统(7)位于船模(6)一旁，固定墙板(24)上安装有测控台(8)。

3.如权利要求1所述的一种船模近场波形测量系统，其特征在于：所述Y向丝杆(11)的两端还安装有与其平行Y向导柱(29)，所述Y向导柱(29)的一端头与Y向基座(15)固定，其中一个Y向导柱(29)的另一端头安装位移传感器(9)，其中一个Y向导柱(29)的另一端头安装限位块(28)。

4.如权利要求1所述的一种船模近场波形测量系统，其特征在于：Z向丝杆(23)的两端还安装有与其平行的Z向导柱(31)，所述Z向导柱(31)上套有Z向导块(20)，所述Z向导块(20)设置在支撑架(14)的外端面。

5.如权利要求1所述的一种船模近场波形测量系统，其特征在于：所述布置平台(13)的结构为：包括位于顶部的顶板，所述顶板的上表面与Y向滑块(12)固定，所述顶板的下表面通过多个支撑柱连接有底板，所述底板上开有多个安装孔，所述安装孔内安装浪高仪(25)。

6.如权利要求1所述的一种船模近场波形测量系统，其特征在于：所述支撑架(14)的截面成三角形结构。

7.一种利用权利要求1所述的船模近场波形测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

第一步：试验前，船模(6)放入池壁(1)的水面(2)中；

第二步：船模(6)与拖车连接；

第三步：整个测量系统(7)在固定墙板(24)处安装到位；

第四步：对每个浪高仪(25)进行零位采集；

第五步：Z向位移装置工作，启动Z向步进电机(18)，即Z向丝杆(23)转动带动Z向滑块(30)移动，从而带动整个支撑架(14)与底部的Y向位移装置(10)同时在Z向方向发生位移，调整好Z向所需要的位置；

第六步：X向位移装置工作，通过调节X向滑移模组(22)将测量系统(7)移动至船模(6)艏柱位置；

第七步：正式开始试验，启动拖车至指定速度并控制浪高仪(25)开始采集波高信息，采集5-10秒，然后控制Y向位移装置(10)工作，使浪高仪(25)向左移动至船体舷侧位置，继续进行采集；

第八步：浪高仪(25)继续向左移动20mm，然后采集；

第九步：采用第八步相同的方法，每间隔20mm采集一次，直至测量剖面全部采集完成；

第十步：控制Y向位移装置(10)回位；

第十一步：驱动X向位移装置，改变X向方形的位移位置，X方向向船尾移动30mm，然后采用上述第七至第九步相同的操作方法，完成一个船模舷侧自由面上的横向剖面的采集工作；

第十二步：再次驱动X向位移装置，改变X向方形的位移位置，X方向向船尾移动，重复上述第七至第九步相同的操作方法，完成一个船模舷侧自由面上的横向剖面的采集工作，直至X方向上所有剖面浪高信息测量完成；

第十三步：结束试验。

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