CN112179616A

CN112179616A - 一种用于水动力试验的船模运动约束装置

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Publication number: CN112179616A
Application number: CN202011045980.9A
Authority: CN
Inventors: 金恒; 娄梦帆; 王腾霄; 刘帅敏; 宋瑞银
Original assignee: Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Current assignee: Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: CN112179616B

Abstract

本发明涉及一种运动约束装置，特别是一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其第一部分包括第一支架、铰接球头、球头铰接座、锁紧螺母以及第一连接件，其中，铰接球头的柱形连接部居中固定至第一支架上，其球头部铰接至球头铰接座的铰接腔内；锁紧螺母自球头铰接座的上底面往下底面沿母线旋入；第一连接件与球头铰接座的上底面相固定；其第二部分包括第二支架、圆柱形连接件以及第二连接件，其中，圆柱形连接件的螺柱居中固定至第二支架上，其柱形螺帽则与第二连接件相固定。通过本装置在水槽中开展船模水动力试验，测试船模遭受横浪的运动响应时，其运动被约束在横荡、横摇和垂荡方向上，降低了水槽试验时船模运动响应的复杂程度。

Description

一种用于水动力试验的船模运动约束装置

技术领域

本发明涉及一种船模运动约束装置，特别是一种用于水动力试验的船模运动约束装置。

背景技术

水动力试验，即为研究水中航行器航行性能和水动力性能进行的模型试验。

在现有的船舶与海洋结构物模型试验中，特别是对于模型的水动力波浪载荷试验，需要对船舶模型的6个方向自由度的运动响应加以控制。

而现有技术中，用于水动力试验的船模运动约束装置通常是针对船模在迎浪（船头向浪）条件下，限制船舶纵荡、横荡及艏摇三种影响实验数据采集的运动响应，以保证在波浪载荷试验过程中试验模型能够获得理想的运动响应，进而可以完成船模快速性、兴波阻力等试验测试工作。例如，专利号为201620179085.9的已公告中国实用新型专利文献中所记载的一种用于水动力试验的船模运动约束装置。

但是，当船舶处于旁靠状态下，受到横浪冲击时，并没有相应的约束装置或运动控制方法。上述相似发明也无法解决此种条件下的船模运动控制，以提高试验的安全性和准确度。

在船模水动力试验中，测试船模旁靠浮体、码头时的多体相互作用是船模水动力试验中的一项重要试验内容。在这种情况下，船模遭受横浪的冲击作用（波浪方向垂直于船模的首尾连接线）。而在这种情况下，由于船模纵荡、纵摇和艏摇会影响横荡、横摇和垂荡三个船模主自由度运动响应的准确性，因此上述中前者的运动响应通常需要被忽略，从而将船模运动响应约束在横荡、垂荡和横摇三个自由度上。对于现有技术，尚没有能解决上述问题的装置或方法。因此，本发明着重解决船模水动力试验中，船模靠泊状态下遭受横浪作用时的运动约束问题。本发明中在船模正常系缆约束的前提下，额外增加船艏和船艉的约束机构，在船模靠泊状态下遭受横浪作用时，实现船模仅在波浪方向的平移（横荡）、垂直水面方向的平移（垂荡）和在垂直于水槽壁面的轴向转动（横摇）。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种用于水动力试验的船模运动约束装置，在船模水动力试验中，前述装置使船模仅自由的进行垂荡、横荡和横摇运动，限制船模的纵荡、纵摇和艏摇运动。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，该装置包括：

第一部分，其包括：

第一支架，所述第一支架上形成有滚动摩擦面，并贴合至用于水动力试验，且与空间竖直基准面平行的一侧水槽槽壁；

铰接球头，其包括球头部以及固定至球头部单侧的柱形连接部；

球头铰接座，所述球头铰接座呈圆台结构，其铰接腔的腔室开口位于下底面上，其侧面上设有自下底面沿母线往上底面延伸的开口，且与铰接腔相贯通，所述球头铰接座的侧面上设有外螺纹；

锁紧螺母；

以及，第一连接件，其位于船模的船艏一侧，并与船艏相固定；

其中，铰接球头、球头铰接座以及锁紧螺母均位于第一支架上的滚动摩擦面的背侧；铰接球头的柱形连接部居中固定至第一支架上，其球头部铰接至球头铰接座的铰接腔内；锁紧螺母自球头铰接座的上底面往下底面沿母线旋入；第一连接件与球头铰接座的上底面相固定；

第二部分，其包括：

第二支架，所述第二支架上形成有滚动摩擦面，并贴合至用于水动力试验，且与空间竖直基准面平行的另一侧水槽槽壁；

圆柱形连接件，其包括螺柱以及设有螺纹内孔的柱形螺帽，螺柱的一侧端部旋入柱形螺帽的螺纹内孔中；

第二连接件，其位于船模的船艉一侧；第二连接件与船艉相固定；

其中，圆柱形连接件位于第二支架上的滚动摩擦面的背侧；圆柱形连接件的螺柱居中固定至第二支架上，其柱形螺帽则与第二连接件相固定。

通过本装置开展船模水动力试验，当船模遭受横浪作用时，其主要运动响应为横荡、横摇和垂荡，其他方向的运动相对上述三种运动可以忽略不计。由此简化试验复杂程度，减少试验采集数据总量50%，有效提高试验效率，提高试验准确度。

一种优选，上述第一支架与第二支架上各自形成的滚动摩擦面，其具体的结构如下：在第一支架与第二支架的单侧均固定有三个以上的万向滚珠轴承，且分别沿着第一支架与第二支架的周缘进行矩阵或环形分布；每组万向滚珠轴承的滚珠面均贴合至其对应一侧的水槽槽壁上。

另一种优选，上述第一支架与第二支架上各自形成的滚动摩擦面，其具体的结构如下：在第一支架与第二支架的单侧均固定有平面推力球轴承；每个平面推力球轴承的座圈或轴圈均贴合至其对应一侧的水槽槽壁上。

进一步优选的，上述第一支架与第二支架优选三脚支架或四脚支架或平面支架。

本发明得到的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其具备以下的显著优点：

1、本装置可以简单、有效、经济的将船模运动约束在横荡、横摇和垂荡三个自由度上。

2、本装置中相互独立的两部分对应船模的首尾进行固定，保证了约束装置随浮体可自由移动，不受导轨、滑道、拖曳装置上的夹紧装置等约束。

3、本装置中独立的两部分均形成滚动摩擦面与其对应一侧的水槽槽壁接触，进一步减小船模水动力试验中水槽槽壁与约束装置之间产生的阻力，进而减小装置阻力对船模运动的影响，提高船模试验效率和准确性，简化试验。

4、本装置主要用于船模水动力试验中船模的运动约束，但是对于其他浮体在波浪作用下的运动响应试验中，所述装置同样有效。

附图说明

图1是第一种实施方式所记载船模运动约束装置中第一部分的结构示意图；

图2是第一种实施方式所记载船模运动约束装置中第二部分的结构示意图；

图3是第一种实施方式中船模运动约束装置应用于船模水动力试验的结构示意图；

图4是第二种实施方式中船模运动约束装置应用于船模水动力试验的结构示意图；

图5是第三种实施方式所记载船模运动约束装置中第二支架的结构示意图；

图6是第四种实施方式中三脚支架的结构示意图；

图7是第五种实施方式中平脚支架的结构示意图；

图8是一种船模运行位移-横荡的示意图；

图9是一种船模运行位移-垂荡的示意图；

图10是一种船模运行位移-纵荡的示意图；

图11是一种船模运行位移-横摇的示意图；

图12是一种船模运行位移-艏摇的示意图；

图13是一种船模运行位移-纵摇的示意图。

图中：第一部分1、第一支架2、万向滚珠轴承3、铰接球头4、球头部5、柱形连接部6、紧定螺钉7、球头铰接座8、铰接腔9、开口10、锁紧螺母11、第一连接件12、第二部分13、第二支架14、圆柱形连接件15、螺柱16、柱形螺帽17、第二连接件18、水槽19、平面推力球轴承20、船模21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应该属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，作为本发明的一种实施方式，本实施例中所提供的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，包括：

第一部分1，如图1所示，其包括：

第一支架2，本实施例中所述第一支架2采用聚碳酸酯(PC)材料加工的四脚支架，密度1200Kg/m³,不溶于水，总横向长度140mm，垂向高度150mm，第一支架2共包含四个支架支脚，支架支脚与支架底座呈15度倾角。在第一支架2单侧的四个支架支脚上均通过螺纹紧固组件安装上一个万向滚珠轴承3。本实施例中所述万向滚珠轴承3采用尼龙滚珠，直径12mm，轴承总长度35mm，直径16.5mm，容许载荷10Kg，重量17g，末端采用M5螺丝与第一支架2螺栓连接。

铰接球头4，其包括球头部5以及柱形连接部6，其位于第一支架2上的滚动摩擦面的背侧；本实施例中所述铰接球头采用聚碳酸酯材料，铰接球头总长34mm，重量58g，球头部的直径12.7mm，柱形连接部的轴径6mm。

本实施例中所述球头部5的单侧开设螺纹内孔，且孔口延伸至球头部5的球面上，所述柱形连接部6的侧面上设有沿其轴向延伸的外螺纹，柱形连接部6的一侧端部旋入球头部5的螺纹内孔中，其另一侧端部也开设螺纹内孔，通过采用M5的紧定螺钉7旋入柱形连接部6上的螺纹内孔，从而将铰接球头4居中固定至第一支架2上。

球头铰接座8，本实施例中所述球头铰接座8采用聚碳酸酯材料，其呈圆台结构，厚11.5mm，宽13mm；所述球头铰接座8中铰接腔9的腔室开口位于下底面上，其侧面上设有自下底面沿母线往上底面延伸的开口10，且与铰接腔9相贯通，所述球头铰接座8的侧面上设有外螺纹。上述球头部5铰接至球头铰接座8的铰接腔9内。

锁紧螺母11；本实施例中采用聚碳酸酯材料，且螺纹规格为M6的锁紧螺母11，锁紧螺母11自球头铰接座8的上底面往下底面沿母线旋入。本实施例中锁紧螺母11的锁紧方式如下：如图1所示，锁紧螺母11按顺时针旋动时，锁紧螺母11便沿球头铰接座8的母线在图中从左至右平移，此时球头铰接座8上的开口10收拢，球头铰接座8夹紧铰接球头4的球头部5；反之，锁紧螺母11可实现球头铰接座8对铰接球头4的球头部5的松锁。

通过上述铰接球头4和锁紧螺母11，铰接球头4旋转不同角度，以适应不同倾斜角度的船艏倾角，并通过锁紧螺母11固定。

上述铰接球头4与球头铰接座8安装过程中，为了方便安装，就需要将球头铰接座8上的锁紧螺母11旋至图1中的最左端，此时球头铰接座8上铰接腔9的空间处于最大值。

以及，第一连接件12，本实施例中第一连接件12采用太空铝材料的V型合页，V型合页厚度1.5mm，重量10g，长43mm，宽43mm。其位于船模21的船艏一侧，V型合页的铰接端部与球头铰接座8的上底面直接焊接固定。考虑到常见的船艏型状有：直立型首、前倾型首、飞剪型首、破冰型首、球鼻型首等，但是不管是何种型状的船艏，其与水面接触的位置均一致呈特定的锐角结构。因此，本实施例中采用的V型合页，其可以通过调整V型合页的开合夹角，以适应不同锐角角度的船艏，在不同船模21水动力试验中均实现与船艏契合后再固定。

第二部分13，如图2所示，其包括：

第二支架14，本实施例中所述第二支架14同样是采用聚碳酸酯(PC)材料加工的四脚支架，其具体规格与前述第一支架2相一致。在第二支架14单侧的四个支架支脚上均同样是通过螺纹紧固组件安装上一个万向滚珠轴承3，此处万向滚珠轴承3规格及组装方式均与前述第一支架2上组装的万向滚珠轴承3完全一致。

圆柱形连接件15，本实施例中所述圆柱形连接件15采用聚碳酸酯材料，长度可伸缩的结构，直径35mm，长度最大值60 mm 。其具体的结构：包括螺柱16以及设有螺纹内孔的柱形螺帽17，螺柱16的一侧端部旋入柱形螺帽17的螺纹内孔中，所述螺柱16上开设螺纹内孔。如图2所示，当螺柱16按顺时针方向旋转时，在图中其从左往右平移，从而使得圆柱形连接件15整体实现收缩；反之，则圆柱形连接件15实现伸展。

以及，第二连接件18，本实施例中所述第二连接件18采用太空铝材料的L型合页，L型合页厚度1.5mm，重量26g，长80mm，宽60mm。其位于船模21的船艉一侧。

其中，圆柱形连接件15位于第二支架14上的滚动摩擦面的背侧，通过M5的紧定螺钉7旋入螺柱16上的螺纹内孔，从而将圆柱形连接件15的螺柱16居中固定至第二支架14上，其柱形螺帽17则与L型合页的一边直接焊接固定。

试例，上述一种船模运动约束装置在船模水动力试验中应用。

一、试验环境及条件：

1、水槽长宽深（11m×0.6m×0.5m），船模重1.68kg，波浪及船模参数如下表1所示：

波浪方向	横浪	比例尺 (模型/原型)	1/100
				水深(m)	0.5	波陡 (波高/波长)	1/40
波周期 (s)	2	船长（截断）(m)	0.35
				波高 (m)	0.1	船宽 (m)	0.35
波长 (m)	4	吃水 (m)	0.1

表1

2、一种如上述实施方式所述的船模运动约束装置；

上述船模运动约束装置应用于船模21水动力试验中，如图3所示，船模21在水动力试验水槽19中的具体安装方式如下：

首先，将V型合页与船艏契合，后通过紧固螺栓组件将两者固定；

接着，将L型合页上未与第二支架14连接的一边与船艉的顶部贴合后再通过紧固螺栓组件进行固定；

然后，将第一支架2上由多个万向滚珠轴承3共同构成的滚动摩擦面与水槽19的一侧槽壁贴合；

最后，将第二支架14上由多个万向滚珠轴承3共同构成的滚动摩擦面与水槽19的另一侧槽壁贴合，同时通过圆柱形连接件15的长度调整，本次试验中圆柱形连接件15的长度刚好调至30mm。确保在开展船模21水动力试验中第一支架2与第二支架14的滚动摩擦面始终贴紧其各自对应的水槽19槽面。

二、试验目的：试验结合上述运动约束装置的船模在遭受横浪冲击作用时，船模在六个自由度上的响应。试验结果如图8-13所示。

由试验结果可见，在船模遭受横浪冲击作用的水动力试验中，本发明可以有效的将船模运动约束在横荡、横摇和垂荡三个自由度上。

上述图3中所示的船模21吃水较浅。若船模21吃水较深时，船模21在水动力试验水槽19中的具体安装方式需要作一定调整，对应的所述船模运动约束装置的具体结构同样需作局部调整，即为本发明的第二种具体实施方式，如图4所示，本实施例中所提供的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其大体结构与前述实施方式相一致，只是本实施例中所述第一连接件12与第二连接件18均采用L型钢板。

作为本发明的第三种实施方式，本实施例中所提供的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，如图5所示，其结构中第一支架2与第二支架14上各自形成的滚动摩擦面，其具体的结构如下：在第一支架2与第二支架14的单侧均固定有平面推力球轴承20；每个平面推力球轴承20的座圈或轴圈均贴合至其对应一侧的水槽19槽壁上。

另外，本发明中所提供的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其结构中第一支架2与第二支架14的具体结构还存在其他可供选择的方案。例如，如图6所示，作为本发明的第四种实施方式，在本实施例中所述第一支架2与第二支架14均采用三脚支架；如图7所示，作为本发明的第五中实施方式，本实施例中所述第一支架2与第二支架14均采用平脚支架。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均应该落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其特征是包括：

第一部分，其包括：

第一支架，所述第一支架上形成有滚动摩擦面，并贴合至用于水动力试

验，且与空间竖直基准面平行的一侧水槽槽壁；

锁紧螺母；

第二部分，其包括：

第二支架，所述第二支架上形成有滚动摩擦面，并贴合至用于水动力试

验，且与空间竖直基准面平行的另一侧水槽槽壁；

2.根据权利要求1所述的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其特征是上述第一支架与第二支架上各自形成的滚动摩擦面，其具体的结构如下：在第一支架与第二支架的单侧均固定有三个以上的万向滚珠轴承，且分别沿着第一支架与第二支架的周缘进行矩阵或环形分布；每组万向滚珠轴承的滚珠面均贴合至其对应一侧的水槽槽壁上。

3.根据权利要求1所述的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其特征上述第一支架与第二支架上各自形成的滚动摩擦面，其具体的结构如下：在第一支架与第二支架的单侧均固定有平面推力球轴承；每个平面推力球轴承的座圈或轴圈均贴合至其对应一侧的水槽槽壁上。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于水动力试验的船模运动约束装置，其特征在于：所述第一支架与第二支架分别为三脚支架或四脚支架或平面支架。