CN112093002B

CN112093002B - 一种水面模型强迫横摇试验装置

Info

Publication number: CN112093002B
Application number: CN202011031136.0A
Authority: CN
Inventors: 朱建良; 鲁江; 曾柯; 魏泽; 王田华; 倪文胜
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN112093002A

Abstract

本发明涉及一种水面模型强迫横摇试验装置，包括安装基座，所述安装基座的中部开有孔，所述孔内安装有垂向振荡机构，所述垂向振荡机构一端的底部通过组合传感器连接纵横摇组合机构。本发明结构紧凑、合理，操作方便，利用伺服电机的特性直接驱动使试验模型实现强迫横摇运动，横摇运动的轨迹由计算机控制，减少了中间环节，消除了横摇运动在拐点处存在的停滞现象，大大提高了装置的运动精度和测量精度。

Description

一种水面模型强迫横摇试验装置

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，尤其是一种水面模型强迫横摇试验装置。

背景技术

强迫横摇试验是获得船舶运动方程水动力系数的试验手段，是船舶水动力学理论研究不可缺少的一个验证手段。近年来船舶大幅横摇运动及倾覆，尤其大幅参数横摇运动成为船舶学术界的一个热点，其强烈的非线性因素导致数值预报一直是一个难点，而大幅横摇角度下的横摇阻尼及水动力是影响数值运动预报的一个关键因素。目前ITTC波浪稳性委员会已把大幅横摇阻尼的预报作为其重要研究任务之一，强迫横摇试验是验证大幅横摇阻尼预报的一个有效手段。

目前，波浪中船舶大幅参数横摇直接数值预报结果和试验比对发现，小角度低航速下横摇运动结果吻合较好，在对数值运动方程进行了复原力计算方法改进和多自由度运动方程耦合之后，大幅参数横摇直接数值计算还是和试验结果存在偏差，尤其是参数横摇发生后大幅横摇角度以及高航速情况下预报精度较差，其中一个主要原因是因为计算中横摇阻尼采用的是静水中自由横摇衰减系数，只能满足小角度横摇预报精度要求，对于大幅横摇运动例如横摇角度超过25度以后的横摇阻尼系数的变化规律和对运动预报的影响这都是目前研究的重点和难点。本发明对船舶模型作强迫横摇运动试验，通过测试传感器等测试设备获得船舶模型大幅横摇运动时的水动力参数以及阻尼系数等，解决了这个难点。

船舶模型强迫横摇运动即指强迫船模围绕重心作如下正弦运动：

φ(t)＝φ_A sinωt

目前国内外船舶模型强迫横摇试验装置大多采用偏心轮或凸轮机构或曲柄连杆机构，电机驱动利用偏心轮、凸轮机构或曲柄连杆机构传动原理来使船舶模型实现强迫横摇运动的方式，这种方式的缺点是偏心轮、凸轮机构或曲柄连杆机构在作直线运动转化为横摇往复运动即正弦运动时在拐点处存在的停滞现象，造成横摇运动轨迹与要求的正弦运动轨迹误差大，最后得到的测量数据误差也大。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种新型水面模型强迫横摇试验装置，从而实现对水面模型纵摇、垂荡固定约束或自由运动，纵荡、横荡和艏摇固定约束，强迫横摇或横摇自由随动，横摇角度可以固定或自由，并可变换不同固定横倾角度等多种功能。

本发明所采用的技术方案如下：

一种水面模型强迫横摇试验装置，包括安装基座，所述安装基座的中部开有孔，所述孔内安装有垂向振荡机构，所述垂向振荡机构一端的底部通过组合传感器连接纵横摇组合机构。

其进一步技术方案在于：

所述安装基座的结构为：包括基架，所述基架呈框架型结构，所述基架的上表面四个角处分别安装有吊环螺钉，所述基架的下表面四个角处分别通过第一固定螺钉固定有锁紧机构。

所述锁紧机构的结构为：包括定位导轨座、抱爪、顶块、第二固定螺钉、调节螺钉、锁紧螺杆、压缩弹簧、中间套、第一挡圈及手轮，所述锁紧螺杆的外圆周面上套接有中间套，所述中间套的外部套有轴套，轴套的外部套有顶块，所述顶块通过第二固定螺钉与轴套和中间套同时锁紧，所述轴套两端的锁紧螺杆上套有对称的抱爪，所述抱爪的上端通多调节螺钉与顶块顶住，其中一个抱爪的外端安装有第一挡圈和手轮，两个抱爪的外端分别安装有定位导轨座。

所述基架为钢结构焊接件组成的矩形平台。

有定位导轨座下方为梯形凹槽，定位导轨座的上方设置有螺钉孔，所述螺钉孔内通过第一固定螺钉与基架连接。

所述垂向振荡机构的结构为：包括固定块、第三固定螺钉、升降位移传感器、拉线耳座、滑轮组、一号螺钉、细钢丝绳、立柱、吊耳、直线导轨、抱箍、升降杆、导向杆、导向套和配重砝码，立柱的外圆周面设置有三块固定块，所述固定块与安装基座通过第三固定螺钉锁紧，所述立柱的上端安装有对称的滑轮组，在立柱的一侧安装一垂向直线导轨，直线导轨承受四方向的载荷，所述直线导轨上安装抱箍，抱箍固定升降杆，所述升降杆的底部连接组合传感器，升降杆顶部安装吊耳，吊耳连接细钢丝绳，细钢丝绳经过两个滑轮组的导向后另一端连接导向杆，导向杆由导向套实施导向，导向杆的下端配有配重砝码。

升降杆下端的侧面安装一个拉线耳座，拉线耳座连接升降位移传感器的拉线一端，升降位移传感器固定在安装基座上。

纵横摇组合机构的结构为：包括U型纵摇轴承座、纵摇锁紧块、二号螺钉、电机、分度盘、定位销、第二挡圈、三号螺钉、纵摇轴、前轴承、前支承座、底板、四号螺钉、前联轴节、横摇螺钉、力矩传感器、横摇角度传感器、后联轴节、后支承座、后轴承、一号轴承盖、圆螺母、电机座、横摇轴、横摇轴承、二号轴承盖、五号螺钉、六号螺钉、七号螺钉、传感器架、纵摇角度传感器、弹性联轴节；U型纵摇轴承座上部连接组合传感器，U型纵摇轴承座的下部通过横摇轴承连接两横摇轴，横摇轴承由二号轴承盖压紧固定，摇轴的外端通过弹性联轴节连接纵摇角度传感器，纵摇角度传感器由传感器架支撑固定，两横摇轴中间连接固定电机座，电机座的一侧端面高度伺服电机，伺服电机外接横摇角度传感器，伺服电机的输出轴连接后联轴节，同时后联轴节由一对后轴承支撑，后轴承由一号轴承盖和圆螺母压紧固定，一对后轴承由后支承座支撑，后联轴节的法兰面连接力矩传感器，力矩传感器的另一端连接前联轴节，力矩传感器和前联轴节通过横摇螺钉固定；前联轴节的轴孔连接纵摇轴，纵摇轴安装一对前轴承，一对前轴承由前支承座支撑，在纵摇轴的端部设有分度盘，在分度盘上设计有分度等分定位孔，用定位销可预设按要求所需要的角度，分度盘用第二挡圈和三号螺钉固定，前支承座和后支承座的下端连接底板，底板设有十个安装孔，每个安装孔内固定试验模型。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，利用伺服电机的特性直接驱动使试验模型实现强迫横摇运动，横摇运动的轨迹由计算机控制，减少了中间环节，消除了横摇运动在拐点处存在的停滞现象，大大提高了装置的运动精度和测量精度。

本发明设计了随动式垂向振荡机构，可以在波浪条件下使船舶模型随波浪作上下振荡运动，同时设置了锁紧机构，可以对升降实现锁紧，以满足不同的需求。利用配重砝码的重量来平衡升降杆及下端连接的传感器和纵横摇组合机构的重量，消除了垂荡机构自身质量的干扰影响，确保了试验测量数据的可靠性和重复性，可大大提高试验精度。

本发明设计了可以预设一个船舶模型横摇角度的功能，同时设置了横摇锁紧机构可以对横摇运动进行锁紧，以满足不同的需求。

本发明通过设置在装置上的各种传感器可直接获得船舶模型的水动力参数有模型纵向阻力、模型侧向力、模型横摇力矩、模型升降位移、模型横摇角及模型纵摇角等。

本发明还具有水面模型纵摇随动运动功能及纵摇锁紧功能，可以适用于不同的要求。

本发明增加了随动式垂向振荡机构，可以在波浪条件下使船舶模型随波浪作上下运动，同时设置了锁紧机构，可以对升降实现锁紧，以满足不同的需求。

本发明增加了可以预设一个船舶模型横摇角度的功能，同时设置了横摇锁紧机构可以对横摇运动进行锁紧，以满足不同的需求。

本发明主要适用于水面船舶模型试验的水动力测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明安装基座的主视图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明锁紧机构的结构示意图。

图5为本发明垂向振荡机构的主视图。

图6为图5的侧视图。

图7为本发明纵横摇组合机构的主视图。

图8为图7的侧视图。

其中：1、安装基座；2、垂向振荡机构；3、纵横摇组合机构；4、组合传感器；5、基架；6、吊环螺钉；7、锁紧机构；8、第一固定螺钉；9、定位导轨座；10、抱爪；11、顶块；12、第二固定螺钉；13、调节螺钉；14、锁紧螺杆； 15、压缩弹簧；16、中间套；17、第一挡圈；18、手轮；19、固定块；20、第三固定螺钉；21、升降位移传感器；22、拉线耳座；23、滑轮组；24、一号螺钉；25、细钢丝绳；26、立柱；27、吊耳；28、直线导轨；29、抱箍；30、升降杆；31、导向杆；32、导向套；33、配重砝码；34、U型纵摇轴承座；35、纵摇锁紧块；36、二号螺钉；37、电机；38、分度盘；39、定位销；40、第二挡圈；41、三号螺钉；42、纵摇轴；43、前轴承；44、前支承座；45、底板； 46、四号螺钉；47、前联轴节；48、横摇螺钉；49、力矩传感器；50、横摇角度传感器；51、后联轴节；52、后支承座；53、后轴承；54、一号轴承盖；55、圆螺母；56、电机座；57、横摇轴；58、横摇轴承；59、二号轴承盖；60、五号螺钉；61、六号螺钉；62、七号螺钉；63、传感器架；64、纵摇角度传感器； 65、弹性联轴节。

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8所示，本实施例的水面模型强迫横摇试验装置，包括安装基座1，安装基座1的中部开有孔，孔内安装有垂向振荡机构2，垂向振荡机构 2一端的底部通过组合传感器4连接纵横摇组合机构3。

安装基座1的结构为：包括基架5，基架5呈框架型结构，基架5的上表面四个角处分别安装有吊环螺钉6，基架5的下表面四个角处分别通过第一固定螺钉8固定有锁紧机构7。

锁紧机构7的结构为：包括定位导轨座9、抱爪10、顶块11、第二固定螺钉12、调节螺钉13、锁紧螺杆14、压缩弹簧15、中间套16、第一挡圈17及手轮18，锁紧螺杆14的外圆周面上套接有中间套16，中间套16的外部套有轴套，轴套的外部套有顶块11，顶块11通过第二固定螺钉12与轴套和中间套16 同时锁紧，轴套两端的锁紧螺杆14上套有对称的抱爪10，抱爪10的上端通多调节螺钉13与顶块11顶住，其中一个抱爪10的外端安装有第一挡圈17和手轮18，两个抱爪10的外端分别安装有定位导轨座9。

基架5为钢结构焊接件组成的矩形平台。

有定位导轨座9下方为梯形凹槽，定位导轨座9的上方设置有螺钉孔，螺钉孔内通过第一固定螺钉8与基架5连接。

垂向振荡机构2的结构为：包括固定块19、第三固定螺钉20、升降位移传感器21、拉线耳座22、滑轮组23、一号螺钉24、细钢丝绳25、立柱26、吊耳 27、直线导轨28、抱箍29、升降杆30、导向杆31、导向套32和配重砝码33，立柱26的外圆周面设置有三块固定块19，固定块19与安装基座1通过第三固定螺钉20锁紧，立柱26的上端安装有对称的滑轮组23，在立柱26的一侧安装一垂向直线导轨28，直线导轨28承受四方向的载荷，直线导轨28上安装抱箍29，抱箍29固定升降杆30，升降杆30的底部连接组合传感器4，升降杆30 顶部安装吊耳27，吊耳27连接细钢丝绳25，细钢丝绳25经过两个滑轮组23 的导向后另一端连接导向杆31，导向杆31由导向套32实施导向，导向杆31 的下端配有配重砝码33。

升降杆30下端的侧面安装一个拉线耳座22，拉线耳座22连接升降位移传感器21的拉线一端，升降位移传感器21固定在安装基座1上。

纵横摇组合机构3的结构为：包括U型纵摇轴承座34、纵摇锁紧块35、二号螺钉36、电机37、分度盘38、定位销39、第二挡圈40、三号螺钉41、纵摇轴42、前轴承43、前支承座44、底板45、四号螺钉46、前联轴节47、横摇螺钉48、力矩传感器49、横摇角度传感器50、后联轴节51、后支承座52、后轴承53、一号轴承盖54、圆螺母55、电机座56、横摇轴57、横摇轴承58、二号轴承盖59、五号螺钉60、六号螺钉61、七号螺钉62、传感器架63、纵摇角度传感器64、弹性联轴节65；U型纵摇轴承座34上部连接组合传感器4，U型纵摇轴承座34的下部通过横摇轴承58连接两横摇轴57，横摇轴承58由二号轴承盖59压紧固定，摇轴57的外端通过弹性联轴节65连接纵摇角度传感器64，纵摇角度传感器64由传感器架63支撑固定，两横摇轴57中间连接固定电机座 56，电机座56的一侧端面高度伺服电机37，伺服电机37外接横摇角度传感器 50，伺服电机37的输出轴连接后联轴节51，同时后联轴节51由一对后轴承53 支撑，后轴承53由一号轴承盖54和圆螺母55压紧固定，一对后轴承53由后支承座52支撑，后联轴节51的法兰面连接力矩传感器49，力矩传感器49的另一端连接前联轴节47，力矩传感器49和前联轴节47通过横摇螺钉48固定；前联轴节47的轴孔连接纵摇轴42，纵摇轴42安装一对前轴承43，一对前轴承 43由前支承座44支撑，在纵摇轴42的端部设有分度盘38，在分度盘38上设计有分度等分定位孔，用定位销39可预设按要求所需要的角度，分度盘38用第二挡圈40和三号螺钉41固定，前支承座44和后支承座52的下端连接底板 45，底板45设有十个安装孔，每个安装孔内固定试验模型。安装纵摇锁紧块 35可以用来锁紧机构7的纵摇功能，纵摇锁紧块35的安装由二号螺钉36加以固定。

本发明的具体结构和功能如下：

包括安装基座1，安装基座1的结构为包括基架5、吊环螺钉6、锁紧机构 7、第一固定螺钉8等(具体见图2和图3所示)。基架5为钢结构焊接件组成的矩形平台，中间开孔为安装垂向振荡机构2之用。锁紧机构7共四个，分别安装于基架5的四个角下方，用第一固定螺钉8固定。

锁紧机构7主要包括定位导轨座9、抱爪10、顶块11、第二固定螺钉12、调节螺钉13、锁紧螺杆14、压缩弹簧15、中间套16、第一挡圈17及手轮18 等。

锁紧机构7工作时，转动手轮18，通过锁紧螺杆14的螺纹压迫第一挡圈 17及抱爪10，抱爪10对实验室拖车上中央测桥的导轨实施锁紧。

松开时，只需将手轮18反向转动，即由压缩弹簧15将抱爪10弹出。调节螺钉13用于调整一对抱爪10的间距，顶块11及中间套16由第二固定螺钉12 固定，用于设定定位导轨座9的中间位置。定位导轨座9下方为梯形凹槽，用于定位实验室拖车上中央测桥的梯形导轨，上部与基架5用第一固定螺钉8固定。

还包括垂向振荡机构2，垂向振荡机构2的结构为：主要包括固定块19、第三固定螺钉20、升降位移传感器21、拉线耳座22、滑轮组23、一号螺钉24、细钢丝绳25、立柱26、吊耳27、直线导轨28、抱箍29、升降杆30、导向杆31、导向套32、配重砝码33等组成。

固定块19共三块，下平面与基架5上平面连接用第三固定螺钉20固定，侧面与立柱26中部的垂直平面连接固定。

在立柱26的上端安装对称的两组滑轮组23，由一号螺钉24固定，滑轮组 23用于细钢丝绳25的导向。

在立柱26的一侧安装一垂向直线导轨28，直线导轨28可承受四方向载荷，即可承受前后左右四方向载荷。

在直线导轨28的滑块上安装上下两个抱箍29，抱箍29固定升降杆30，使升降杆30能沿直线导轨28作上下滑动。在升降杆30上端安装吊耳27，吊耳 27连接细钢丝绳25，细钢丝绳25经过两组滑轮组23的导向后另一端连接导向杆31，导向杆31由导向套32实施导向，导向杆31的下端配有配重砝码33，配重砝码33所配的重量由升降杆30、组合传感器4及纵横摇组合机构3的重量而定。

升降杆30的下端连接组合传感器4，用于测量试验模型的前进方向的阻力和侧向力。

升降杆30下端的侧面安装一个拉线耳座22，用于连接升降位移传感器21 的拉线一端，升降位移传感器21固定在上部基架5的面板上，升降位移传感器 21于测量试验模型试验过程中的垂向位移变化过程。

实际使用过程中，需要进行试验时，将安装基座1、垂向振荡机构2、纵横摇组合机构3和组合传感器4安装到位，将需要试验的试验模型固定在底板45 的安装孔中，将整个装置布置于水池拖车的测桥上，装置随拖车沿水池长度方向作直线运动，水池中有模拟的波浪，试验模型同时随着波浪运动，在水池中形成行走的轨迹或者路线，通过组合传感器4、力矩传感器49、升降位移传感器21、横摇角度传感器50、纵摇角度传感器64等的作用，将所得到的力、力矩和位置姿态的数据传输出去。

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

1.一种水面模型强迫横摇试验装置，其特征在于：包括安装基座(1)，所述安装基座(1)的中部开有孔，所述孔内安装有垂向振荡机构(2)，所述垂向振荡机构(2)一端的底部通过组合传感器(4)连接纵横摇组合机构(3)；所述安装基座(1)的结构为：包括基架(5)，所述基架(5)呈框架型结构，所述基架(5)的上表面四个角处分别安装有吊环螺钉(6)，所述基架(5)的下表面四个角处分别通过第一固定螺钉(8)固定有锁紧机构(7)；所述锁紧机构(7)的结构为：包括定位导轨座(9)、抱爪(10)、顶块(11)、第二固定螺钉(12)、调节螺钉(13)、锁紧螺杆(14)、压缩弹簧(15)、中间套(16)、第一挡圈(17)及手轮(18)，所述锁紧螺杆(14)的外圆周面上套接有中间套(16)，所述中间套(16)的外部套有轴套，轴套的外部套有顶块(11)，所述顶块(11)通过第二固定螺钉(12)与轴套和中间套(16)同时锁紧，所述轴套两端的锁紧螺杆(14)上套有对称的抱爪(10)，所述抱爪(10)的上端通多调节螺钉(13)与顶块(11)顶住，其中一个抱爪(10)的外端安装有第一挡圈(17)和手轮(18)，两个抱爪(10)的外端分别安装有定位导轨座(9)；所述基架(5)为钢结构焊接件组成的矩形平台；定位导轨座(9)下方为梯形凹槽，定位导轨座(9)的上方设置有螺钉孔，所述螺钉孔内通过第一固定螺钉(8)与基架(5)连接；所述垂向振荡机构(2)的结构为：包括固定块(19)、第三固定螺钉(20)、升降位移传感器(21)、拉线耳座(22)、滑轮组(23)、一号螺钉(24)、细钢丝绳(25)、立柱(26)、吊耳(27)、直线导轨(28)、抱箍(29)、升降杆(30)、导向杆(31)、导向套(32)和配重砝码(33)，立柱(26)的外圆周面设置有三块固定块(19)，所述固定块(19)与安装基座(1)通过第三固定螺钉(20)锁紧，所述立柱(26)的上端安装有对称的滑轮组(23)，在立柱(26)的一侧安装一垂向直线导轨(28)，直线导轨(28)承受四方向的载荷，所述直线导轨(28)上安装抱箍(29)，抱箍(29)固定升降杆(30)，所述升降杆(30)的底部连接组合传感器(4)，升降杆(30)顶部安装吊耳(27)，吊耳(27)连接细钢丝绳(25)，细钢丝绳(25)经过两个滑轮组(23)的导向后另一端连接导向杆(31)，导向杆(31)由导向套(32)实施导向，导向杆(31)的下端配有配重砝码(33)；升降杆(30) 下端的侧面安装一个拉线耳座(22)，拉线耳座(22)连接升降位移传感器(21)的拉线一端，升降位移传感器(21)固定在安装基座(1)上；纵横摇组合机构(3)的结构为：包括U型纵摇轴承座(34)、纵摇锁紧块(35)、二号螺钉(36)、电机(37)、分度盘(38)、定位销(39)、第二挡圈(40)、三号螺钉(41)、纵摇轴(42)、前轴承(43)、前支承座(44)、底板(45)、四号螺钉(46)、前联轴节(47)、横摇螺钉(48)、力矩传感器(49)、横摇角度传感器(50)、后联轴节(51)、后支承座(52)、后轴承(53)、一号轴承盖(54)、圆螺母(55)、电机座(56)、横摇轴(57)、横摇轴承(58)、二号轴承盖(59)、五号螺钉(60)、六号螺钉(61)、七号螺钉(62)、传感器架(63)、纵摇角度传感器(64)、弹性联轴节(65)；U型纵摇轴承座(34)上部连接组合传感器(4)，U型纵摇轴承座(34)的下部通过横摇轴承(58)连接两横摇轴(57)，横摇轴承(58)由二号轴承盖(59)压紧固定，横摇轴(57)的外端通过弹性联轴节(65)连接纵摇角度传感器(64)，纵摇角度传感器(64)由传感器架(63)支撑固定，两横摇轴(57)中间连接固定电机座(56)，电机座(56)的一侧端面高度伺服电机(37)，伺服电机(37)外接横摇角度传感器(50)，伺服电机(37)的输出轴连接后联轴节(51)，同时后联轴节(51)由一对后轴承(53)支撑，后轴承(53)由一号轴承盖(54)和圆螺母(55)压紧固定，一对后轴承(53)由后支承座(52)支撑，后联轴节(51)的法兰面连接力矩传感器(49)，力矩传感器(49)的另一端连接前联轴节(47)，力矩传感器(49)和前联轴节(47)通过横摇螺钉(48)固定；前联轴节(47)的轴孔连接纵摇轴(42)，纵摇轴(42)安装一对前轴承(43)，一对前轴承(43)由前支承座(44)支撑，在纵摇轴(42)的端部设有分度盘(38)，在分度盘(38)上设计有分度等分定位孔，用定位销(39)可预设按要求所需要的角度，分度盘(38)用第二挡圈(40)和三号螺钉(41)固定，前支承座(44)和后支承座(52)的下端连接底板(45)，底板(45)设有十个安装孔，每个安装孔内固定试验模型。