CN111572726A - 一种船-船相互作用水动力测试装置及测试方法 - Google Patents

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刘义
刘震
夏召丹
王大建
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Abstract

本发明涉及一种船‑船相互作用水动力测试装置及测试方法，属于船舶设计技术领域。包括裸船体模型一、裸船体模型二、平面运动机构、拖车侧桥、水池拖车和四分力传感器；本发明利用平面运动机构测试喷水推进船模操纵性水动力的同时，在船模旁边搭设另一条喷水推进船模，通过测试船模在两船不同操纵状态时的水动力，为船舶操纵安全提供参考依据，并为安全船距行驶提供工程指导。本发明的测试装置构造简洁，测试方法合理，可以精确地得到喷水推进船模船‑船相互干扰水动力并得到相应的干扰力导数。同时，本发明可测试分析喷射尾流对喷水推进船模的船‑船相互干扰水动力的影响，其应用前景十分广阔。

Description

一种船-船相互作用水动力测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种船-船相互作用水动力测试装置及测试方法，属于船舶设计技术领域。
背景技术
与传统螺旋桨相比，喷水推进具备扛空泡能力小，传动机构简单，适应变工况能力强，操纵性能强等优势，所以搭载喷水推进设备的高速船无论是军用还是商用，均得到了广泛的接受。随着海上补给任务日益频繁，船-船水动力干扰问题不可忽视，严重时船-船水动力干扰问题还会危及船舶的航行安全，甚至发生事故。因此，两船靠近时的相互作用力规律及影响因素是学者研究的热点，但关于高速船之间的相互干扰力，目前国内外研究很少。因此，为了分析喷水推进船的船-船水动力干扰规律及影响因素，亟待开展一种适用于喷水推进船模的船-船相互作用水动力测试装置的研制。
发明内容
本发明的目的是为解决如何研究分析喷水推进船的船-船水动力干扰规律及影响的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种船-船相互作用水动力测试装置，包括裸船体模型一、裸船体模型二、平面运动机构、拖车侧桥、水池拖车和四分力传感器；所述裸船体模型一上方设有平面运动机构，平面运动机构连接水池拖车；裸船体模型二通过拖车侧桥连接水池拖车；所述裸船体模型一与平面运动机构之间设有四分力传感器。
优选地，所述裸船体模型一和裸船体模型二设为并行布置。
优选地，所述裸船体模型二与拖车侧桥之间设有导航系统。
优选地，所述导航系统包括导航板和导航杆；所述裸船体模型二的船艏和船艉处各设有一块导航板，导航板上垂直设有一根导航杆；前后2根导航杆与拖车侧桥连接。
优选地，所述平面运动机构固定连接水池拖车，裸船体模型一吊设于平面运动机构下方。
优选地，所述裸船体模型一和裸船体模型二的船体内部设有喷水推进装置、喷水推进装置控制系统和可移动式工装平台；所述裸船体模型的船体尾部设有喷水推进装置，喷水推进装置设有喷水推进装置控制系统；所述裸船体模型的船体中部设有可移动式工装平台，喷水推进装置与可移动式工装平台连接。
优选地，所述喷水推进装置的数量设为4个，对称设于裸船体模型的船体尾部。
优选地，所述可移动式工装平台包括动力测试仪、数据采集系统、伺服电机系统和动力控制系统；所述喷水推进装置与伺服电机系统之间设有动力测试仪，动力测试仪与数据采集系统连接；伺服电机系统与动力控制系统连接。
优选地，所述动力控制系统包括可编程逻辑控制器控制系统和控制计算机；所述控制计算机通过可编程逻辑控制器控制系统与伺服电机系统连接。
本发明还提供一种船-船相互作用水动力测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将两个喷水推进船模；裸船体模型一和裸船体模型二分别开展自航模试验，并分别得到多个船模航速对应的船模的电机转速；
步骤2：将平面运动机构悬挂于拖曳水池拖车上，将喷水推进船模裸船体模型一搭载到平面运动机构上，开展单船喷水推进船模操纵水动力试验，并记录单船纵向力Xs、横向力Ys、艏摇力矩Ns和横倾力矩Ks；
步骤3：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在无喷射水流状态时，给定航速下的船模操纵水动力试验，并获得无喷射水流状态时裸船体模型一操纵运动水动力及相应的水动力导数；利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在存在喷射水流状态时，给定匹配拖车前进速度即船模航速，电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到喷水推进船模在一定水流量喷射作用下的裸船体模型一操纵水动力及相应的水动力导数；
步骤4：保持裸船体模型一不变，将喷水推进船模裸船体模型二搭载到拖曳水池拖车的侧桥上，用于开展喷水推进船模的船-船相互干扰水动力试验，并记录存在船-船干扰下的船模纵向力Xd、横向力Yd、艏摇力矩Nd和横倾力矩Kd；
步骤5：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在两个喷水推进船模裸船体模型一和裸船体模型二，均无喷射水流状态时，给定航速下的船模操纵水动力试验，并获得无喷射水流状态时裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在无喷射水流状态下得到的水动力获得两船均无喷射水流状态船-船相互干扰水动力；
步骤6：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在裸船体模型一存在喷射水流状态，裸船体模型二无喷射水流状态下给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在喷射水流状态得到的水动力获得裸船体模型一是喷射水流状态、裸船体模型二无喷射水流状态下船-船相互干扰水动力；
步骤7：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在裸船体模型一无喷水水流状态、裸船体模型二存在喷射水流状态下给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在无喷射水流状态得到的水动力获得裸船体模型一无喷射水流状态、裸船体模型二是喷射水流状态下船-船相互干扰水动力；
步骤8：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在裸船体模型一和裸船体模型二均存在喷射水流状态下，给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在有喷射水流状态得到的水动力获得两船存在喷射水流状态下船-船相互干扰水动力。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种能够准确地测试两条喷水推进船模的船-船干扰水动力测试装置和测试方法。利用平面运动机构测试喷水推进船模操纵性水动力的同时，在船模旁边搭设另一条喷水推进船模，通过测试船模在两船不同操纵状态时的水动力，为船舶操纵安全提供参考依据，并为安全船距行驶提供工程指导。本发明的喷水推进船模的船-船相互作用水动力测试装置构造简洁，测试方法合理，可以精确地得到喷水推进船模船-船相互干扰水动力并得到相应的干扰力导数。同时，本发明可测试分析喷射尾流对喷水推进船模的船-船相互干扰水动力的影响，其应用前景十分广阔。
附图说明
图1是本发明的喷水推进船模的船-船相互作用水动力测试装置示意图；
图2是本发明喷水推进船模的船-船相互作用水动力测试装置俯视结构示意图；
图3是本发明的喷水推进船模的船-船相互作用水动力测试装置的导航系统的结构示意图；
附图标记：1.平面运动机构2.拖车侧桥3.裸船体模型一4.裸船体模型二5.四分力传感器6.导航系统7.喷水推进装置8.可移动式工装平台9.喷水推进装置控制系统10.动力测试仪11.数据采集系统12.伺服电机系统13.可编程逻辑控制器(PLC)控制系统14.控制计算机15.导航板16.导航杆；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-3所示，本发明提供一种船-船相互作用水动力测试装置，包括裸船体模型一3、裸船体模型二4、平面运动机构1、拖车侧桥2、水池拖车和四分力传感器5；裸船体模型一3上方设有平面运动机构1，平面运动机构1连接水池拖车；裸船体模型二4通过拖车侧桥2连接水池拖车；裸船体模型一3与平面运动机构1之间设置有四分力传感器5；裸船体模型一3和裸船体模型二4设为并行布置；裸船体模型二4与拖车侧桥2之间设有导航系统6；导航系统6包括导航板15和导航杆16；裸船体模型二4的船艏和船艉处各设有一块导航板15，导航板15上垂直设置有一根导航杆16；前后2根导航杆16与拖车侧桥2连接。平面运动机构1固定连接水池拖车，裸船体模型一3吊设于平面运动机构1下方。裸船体模型一3和裸船体模型二4的船体内部设有喷水推进装置7、喷水推进装置控制系统9和可移动式工装平台8；裸船体模型的船体尾部设有喷水推进装置7，喷水推进装置7设有喷水推进装置控制系统9；裸船体模型的船体中部设有可移动式工装平台8，喷水推进装置7与可移动式工装平台8连接。喷水推进装置7的数量设为4个，对称设于裸船体模型的船体尾部。可移动式工装平台8包括动力测试仪10、数据采集系统11、伺服电机系统12和动力控制系统；喷水推进装置7与伺服电机系统12之间设有动力测试仪10，动力测试仪10与数据采集系统11连接；伺服电机系统12与动力控制系统连接；动力控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)控制系统13和控制计算机14；控制计算机14通过可编程逻辑控制器控制系统13与伺服电机系统12连接。
如图1-3所示；平面运动机构1固定在水池拖车上，用于测试喷水推进船模的船-船相互作用水动力；拖车侧桥2安装在拖车上，用于固定喷水推进船模；裸船体模型一3悬挂于平面运动机构1上，用于承载喷水推进船模PMM操纵性水动力试验测试装置的其它构件；裸船体模型二4固定搭载于拖车侧桥2上，用于实现两船并行操纵运动；四分力传感器5安装在平面运动机构1与喷水推进船模裸船体模型一连接处，可测量船体纵向力、横向力、艏摇力矩和横倾力矩；导航系统6装载在裸船体模型二的船头和船尾，通过导航系统6固定到侧桥2上，约束船沿着纵向行驶；喷水推进装置7为4个，对称安装在裸船体模型的后方，为船体模型提供推力；可移动式工装平台8放置于两个裸船体模型(模型一和模型二)推进装置的前部，用于安装动力测试仪10和伺服电机系统12。
如图2所示，喷水推进装置控制系统9用于控制喷水推进装置7推力的大小和方向；动力测试仪10固定在喷水推进装置7前方，用于测量喷泵内桨轴的转速、推力和扭矩；数据采集系统11用于采集动力测试仪10测得的桨轴的转速、推力和扭矩以及平面运动机构1测得的船体水动力；伺服电机系统12固定在动力测试仪10的前方，为喷水推进装置7提供动力；可编程逻辑控制器(PLC)控制系统13用于控制伺服电机系统12的转速。控制计算机14与PLC控制系统13相连，用于向PLC控制系统13发送伺服电机转动脉冲信号。本实施例的喷水推进控制系统采用遥控系统进行控制。
如图3所示，导航系统6包括导航板15和导航杆16。其中，导航板15安装于裸船体模型二的船艏和船艉处，用于固定导航杆16；导航杆16固定在侧桥2上，通过放置在裸船体模型二的导航板15里起到限制裸船体模型二横向运动和艏摇运动的作用。
如图1-3所示的平面运动机构1固定在水池拖车上，用于测试喷水推进船模的操纵运动水动力、船-船相互干扰力及对应的水动力系数；拖车侧桥2固定在水池拖车上，用于固定喷水推进船模；两条裸船体模型，一条裸船体模型(模型一3)悬挂于平面运动机构1上，用于承载喷水推进船模进行PMM操纵运动水动力试验测试装置的其它构件；另一条裸船体模型(模型二4)固定搭载于拖车侧桥2上，用于实现两船并行操纵运动；四分力传感器5安装在平面运动机构1与喷水推进船模(船模一3)连接处，可测量船体纵向力X、横向力Y、艏摇力矩N和横倾力矩K；裸船体模型(模型二4)船头和船尾装载导航系统6，导航系统6连接到侧桥2上，约束船沿着纵向行驶；两条裸船模型(模型一3和模型二4)每个搭载喷水推进装置7四个，左右对称地安装在裸船体模型的后方，为船体模型提供推力；喷水推进装置控制系统9用于控制喷水推进装置7产生的推力大小和方向；动力测试仪10固定于上述喷水推进装置7前方，通过专用轴支架与喷水推进装置7相连，用于测量喷泵内桨轴的转速、推力和扭矩。数据采集系统11用于同时采集模型一3和模型二4的动力测试仪10测得的桨轴的转速、推力和扭矩以及模型一3中平面运动机构1测得的船体横向、纵向水动力及艏摇、横倾力矩；伺服电机系统12固定在动力测试仪10的前方，为喷水推进装置7提供动力；可移动式工装平台8设置于两个裸船体模型(模型一3和模型二4)推进装置前面，用于安装动力测试仪10和伺服电机系统12；可编程逻辑控制器(PLC)控制系统13用于控制伺服电机系统12的转速。控制计算机14与PLC控制系统13相连，用于向PLC控制系统13发送所述伺服电机转动脉冲信号。
本实例的适用于喷水推进船模PMM操纵性水动力试验测试装置的测试方法为；包括以下步骤：
步骤1：将两个喷水推进船模；裸船体模型一和裸船体模型二分别开展自航模试验，并分别得到多个船模航速对应的船模的电机转速；
步骤2：将平面运动机构悬挂于拖曳水池拖车上，将喷水推进船模裸船体模型一搭载到平面运动机构上，开展单船喷水推进船模操纵水动力试验，并记录单船纵向力Xs、横向力Ys、艏摇力矩Ns和横倾力矩Ks；
步骤3：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在无喷射水流状态时，给定航速下的船模操纵水动力试验，并获得无喷射水流状态时裸船体模型一操纵运动水动力及相应的水动力导数；利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在存在喷射水流状态时，给定匹配拖车前进速度即船模航速，电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到喷水推进船模在一定水流量喷射作用下的裸船体模型一操纵水动力及相应的水动力导数；
步骤4：保持裸船体模型一不变，将喷水推进船模裸船体模型二搭载到拖曳水池拖车的侧桥上，用于开展喷水推进船模的船-船相互干扰水动力试验，并记录存在船-船干扰下的船模纵向力Xd、横向力Yd、艏摇力矩Nd和横倾力矩Kd；
步骤5：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在两个喷水推进船模裸船体模型一和裸船体模型二，均无喷射水流状态时，给定航速下的船模操纵水动力试验，并获得无喷射水流状态时裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在无喷射水流状态下得到的水动力获得两船均无喷射水流状态船-船相互干扰水动力；
步骤6：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在裸船体模型一存在喷射水流状态，裸船体模型二无喷射水流状态下给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在喷射水流状态得到的水动力获得裸船体模型一是喷射水流状态、裸船体模型二无喷射水流状态下船-船相互干扰水动力；
步骤7：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在裸船体模型一无喷水水流状态、裸船体模型二存在喷射水流状态下给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在无喷射水流状态得到的水动力获得裸船体模型一无喷射水流状态、裸船体模型二是喷射水流状态下船-船相互干扰水动力；
步骤8：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在裸船体模型一和裸船体模型二均存在喷射水流状态下，给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在有喷射水流状态得到的水动力获得两船存在喷射水流状态下船-船相互干扰水动力。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：包括裸船体模型一、裸船体模型二、平面运动机构、拖车侧桥、水池拖车和四分力传感器；所述裸船体模型一上方设有平面运动机构，平面运动机构连接水池拖车；裸船体模型二通过拖车侧桥连接水池拖车；所述裸船体模型一与平面运动机构之间设有四分力传感器。
2.如权利要求1所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述裸船体模型一和裸船体模型二设为并行布置。
3.如权利要求2所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述裸船体模型二与拖车侧桥之间设有导航系统。
4.如权利要求3所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述导航系统包括导航板和导航杆；所述裸船体模型二的船艏和船艉处各设有一块导航板，导航板上垂直设有一根导航杆；前后2根导航杆与拖车侧桥连接。
5.如权利要求4所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述平面运动机构固定连接水池拖车，裸船体模型一吊设于平面运动机构下方。
6.如权利要求5所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述裸船体模型一和裸船体模型二的船体内部设有喷水推进装置、喷水推进装置控制系统和可移动式工装平台；所述裸船体模型的船体尾部设有喷水推进装置，喷水推进装置设有喷水推进装置控制系统；所述裸船体模型的船体中部设有可移动式工装平台，喷水推进装置与可移动式工装平台连接。
7.如权利要求6所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述喷水推进装置的数量设为4个，对称设于裸船体模型的船体尾部。
8.如权利要求7所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述可移动式工装平台包括动力测试仪、数据采集系统、伺服电机系统和动力控制系统；所述喷水推进装置与伺服电机系统之间设有动力测试仪，动力测试仪与数据采集系统连接；伺服电机系统与动力控制系统连接。
9.如权利要求8所述的一种船-船相互作用水动力测试装置，其特征在于：所述动力控制系统包括可编程逻辑控制器控制系统和控制计算机；所述控制计算机通过可编程逻辑控制器控制系统与伺服电机系统连接。
10.一种船-船相互作用水动力测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将两个喷水推进船模；裸船体模型一和裸船体模型二分别开展自航模试验，并分别得到多个船模航速对应的船模的电机转速；
步骤2：将平面运动机构悬挂于拖曳水池拖车上，将喷水推进船模裸船体模型一搭载到平面运动机构上，开展单船喷水推进船模操纵水动力试验，并记录单船纵向力Xs、横向力Ys、艏摇力矩Ns和横倾力矩Ks；
步骤3：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在无喷射水流状态时，给定航速下的船模操纵水动力试验，并获得无喷射水流状态时裸船体模型一操纵运动水动力及相应的水动力导数；利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在存在喷射水流状态时，给定匹配拖车前进速度即船模航速，电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到喷水推进船模在一定水流量喷射作用下的裸船体模型一操纵水动力及相应的水动力导数；
步骤4：保持裸船体模型一不变，将喷水推进船模裸船体模型二搭载到拖曳水池拖车的侧桥上，用于开展喷水推进船模的船-船相互干扰水动力试验，并记录存在船-船干扰下的船模纵向力Xd、横向力Yd、艏摇力矩Nd和横倾力矩Kd；
步骤5：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在两个喷水推进船模裸船体模型一和裸船体模型二，均无喷射水流状态时，给定航速下的船模操纵水动力试验，并获得无喷射水流状态时裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在无喷射水流状态下得到的水动力获得两船均无喷射水流状态船-船相互干扰水动力；
步骤6：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一，在裸船体模型一存在喷射水流状态，裸船体模型二无喷射水流状态下给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在喷射水流状态得到的水动力获得裸船体模型一是喷射水流状态、裸船体模型二无喷射水流状态下船-船相互干扰水动力；
步骤7：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在裸船体模型一无喷水水流状态、裸船体模型二存在喷射水流状态下给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在无喷射水流状态得到的水动力获得裸船体模型一无喷射水流状态、裸船体模型二是喷射水流状态下船-船相互干扰水动力；
步骤8：利用平面运动机构开展喷水推进船模裸船体模型一在裸船体模型一和裸船体模型二均存在喷射水流状态下，给定匹配拖车前进速度即船模航速的电机转速下的操纵性水动力试验，进而得到裸船体模型一操纵运动水动力，通过对比单船裸船体模型一在有喷射水流状态得到的水动力获得两船存在喷射水流状态下船-船相互干扰水动力。
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