CN116902162A - 适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，在船肿前后对称各放置一个风机，每个风机与对应的风机转速测量模块和风机推力单向力传感器构成一个推进风机系统，船体模型在横浪横向自由自航中，利用风机自适应调节转速来调节风机推力，平衡船舶不发生艏摇，过程中所测推进风机系统推力经处理转换为船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小。船体运动不受拖车约束，而且解决了横向自由自航动力问题，又避免了船舶横向航行航向不稳定问题对船舶水动力测试和分析的影响，且能够比较准确的测量横向运动波浪漂移力。本发明提出的方法科学合理且易于实施，具有良好的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶性能测试技术，特别涉及一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法。
背景技术
船舶在波浪中操纵运动时，波浪漂移力对操纵运动特性影响很大。目前船舶在波浪中操纵运动预报的主流方法是：直接采用传统的船舶耐波性理论得到波浪力。但该没有考虑斜航运动对波浪载荷的影响，导致操纵运动的预报误差较大，未能达到工程应用精度要求。个别中国学者基于势流理论考虑了斜航运动的影响，但是，势流理论仅适用于小飘角(ψ<5°)、细长体、流线型，很难应用于实际船型。考虑将斜航运动分解为沿船长方向的纵向运动和垂直于船长方向的横向运动，假定纵向运动和横向运动时的波浪力互不耦合，即斜航运动的波浪力为纵向运动波浪力与横向运动波浪力的总和，纵向运动波浪力测量方法相对较为成熟，关于横向运动波浪力测量，如果用拖车或者弹簧约束船体运动进行波浪力测量，由于船体的运动自由度被外在机构约束，很难在波浪中测得精确水动力。
发明内容
针对现有船舶横向自由自航动力测量问题，提出了一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，能够准确地测量船舶横向自由自航波浪漂移力。
本发明的技术方案为：一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，在船肿前后对称各放置一个风机，每个风机与对应的风机转速测量模块和风机推力单向力传感器构成一个推进风机系统，船体模型在横浪横向自由自航中，利用风机自适应调节转速来调节风机推力，平衡船舶不发生艏摇，过程中所测推进风机系统推力经处理转换为船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小。
进一步，方法具体包括如下步骤：
1)基于船肿对称确定风机位置，将推进风机系统固定安装在确定风机位置的基座上；
2)将数据采集系统与推进风机系统装配在裸船模上；
3)设定风机初始转速，使船舶按照设定航速横向自由自航，波浪中由于受到波浪力的作用，航速发生变化，根据船模六自由度运动非接触光学测量仪反馈的船舶航速调节风机转速；在基座上的力传感器测量风机产生的横向推力；
4)根据航向陀螺反馈的船舶艏摇角，利用风机转速自适应调节系统调节转速，保证船舶不发生艏摇。
进一步，所述步骤1)执行前，在未将推进风机系统装配到船模上之前，对两个风机不同转速下所产生的推力进行测量，并模拟出两风机的转速-推力相关曲线。
进一步，所述步骤3)中风机初始转速和船舶航速通过船舶静水横向自由自航试验，保证船舶不发生艏摇情况下获得。
进一步，所述步骤3)首先使用静水中相应的风机转速作为初始转速，波浪力作用船舶会降速，根据船模六自由度运动非接触光学测量仪所反馈的船舶航速，对风机转速进行调整，使其与静水中相应航速相同；然后再对船舶航向进行调整，一风机转速增加，另一风机转速减小，试验中记录下船舶航速、风机推力、以及风机转速。
进一步，所述风机转速调整：根据船肿位置确定两风机作用力作用点，然后根据力矩公式，计算出航速下，两风机产生推力的比例，从而确定风机转速。
进一步，所述船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小获得方法：在相应航速下，波浪中的风机推力与静水中的风机推力做差得到船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小。
一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法所用试验系统，包括裸船体模型、数据采集系统、数据处理模块、两组推进风机系统和船模六自由度运动非接触光学测量仪；
所述数据采集系统，包括：航向陀螺和加速度传感器，分别用于测量船体航向角，船体三个方向上的加速度；
所述数据处理模块，为上位机，通过无线网桥接收所述数据采集系统采集的所述水动力数据；
所述两组推进风机系统，每组推进风机系统均包括：风机、风机转速测量模块和风机推力单向力传感器，分别用于给船体提供持续动力，测量风机转速，测量风机所产生的推力；
所述船模六自由度运动非接触光学测量仪，用于捕捉船体运动和航速。
优选的，系统还包括拖车，置于在船体模型上方，用于装载船模六自由度运动非接触光学测量仪。
优选的，系统还包括浪高仪，用于测量波高。
本发明的有益效果在于：本发明适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，船体运动不受拖车约束，而且解决了横向自由自航动力问题，又避免了船舶横向航行航向不稳定问题对船舶水动力测试和分析的影响，且能够比较准确的测量横向运动波浪漂移力。本发明提出的方法科学合理且易于实施，具有良好的推广应用前景。
附图说明
图1为本发明适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验装置安装示意图；
图2为本发明装有推进风机系统的船舶在横浪横向自由自航航行的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
由于横向自由自航主要是缺少横向动力，所以试验中用风机作为船舶横向动力，影响风机摆放位置的主要因素为船舶艏摇运动，在船肿(船肿是指载重水线长的中点)前后各放置一个风机，与对应的风机转速测量模块和风机推力单向力传感器构成推进风机系统，两风机位置前后对称放置，在试验中，通过监测船舶艏摇角数据，对风机转速进行实时调控，从而避免船舶发生艏摇运动。
为了更好的确定风机不同转速下产生的推力，在未将推进风机系统装配到船模上之前，首先对两个风机不同转速下所产生的推力进行测量，并模拟出两风机的转速-推力相关曲线。
在确定好的风机安装位置的船舷处，安装固定两块木板，然后将风机固定于木板上。由于船舶运动风机推力方向会发生变化，为更好的监测风机横向推力，在安装风机的木板上安装力传感器用于监测风机推力。
如图1所示适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验装置安装示意图，试验装置包括：
拖车，置于在船体模型上方，主要用于装载船模六自由度运动非接触光学测量仪；
裸船体模型；
浪高仪，用于测量波高；
数据采集系统，包括：航向陀螺，加速度传感器，分别用于测量船体航向角，船体三个方向上的加速度；
数据处理模块，图1中上位机通过无线网桥接收所述数据采集系统采集的所述水动力数据；
两组推进风机系统，每组推进风机系统均包括：风机、风机转速测量模块和风机推力单向力传感器，分别用于给船体提供持续动力，测量风机转速，测量风机所产生的推力。根据船肿位置确定两风机作用力作用点，然后根据力矩公式，计算出各航速下，两风机需产生推力的比例，从而确定风机转速。
船模六自由度运动非接触光学测量仪，用于捕捉船体运动和航速。
基于上述水动力测试装置、标定方法，其船舶横向自由自航波浪力测试方法为：
步骤S1：基于船肿对称确定风机位置；
步骤S2：将数据采集系统与推进风机系统装配在裸船模上；
步骤S3：如图2所示船舶在横浪横向自由自航航行的示意图，设定风机初始转速，使船舶按照设定航速横向自由自航，波浪中船舶由于受到波浪力的作用，航速发生变化，可根据船模六自由度运动非接触光学测量仪反馈的船舶航速调节风机转速；为测量风机产生的横向推力，在风机安装基座上安装力传感器。
步骤S4：根据航向陀螺反馈的船舶艏摇角，利用风机转速自适应调节系统调节转速，保证船舶不发生艏摇。
为测量船舶横向波浪力，首先进行船舶静水横向自由自航试验。试验过程中，根据航向陀螺仪反馈的船舶航向角，使用风机转速自适应调节系统调整两风机转速，保证船舶不发生艏摇(船长方向始终与浪向成90°角)，并记录船模速度、风机推力、以及风机转速。
在静水中试验结果(风机转速、船模航速)的基础上，进行波浪中船模自由自航试验。为保证船舶以静水中相对应的航速及航向稳定航行。首先使用静水中相应的风机转速作为初始转速，但由于波浪力作用船舶会降速，可根据船模六自由度运动非接触光学测量仪所反馈的船舶航速，对风机转速进行调整，使其与静水中相应航速相同；然后再对船舶航向进行调整，一风机转速增加，另一风机转速减小。试验中记录下船舶航速、风机推力、以及风机转速。
最后将相应航速下，波浪中的风机推力与静水中的风机推力做差便可得到船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，在船肿前后对称各放置一个风机，每个风机与对应的风机转速测量模块和风机推力单向力传感器构成一个推进风机系统，船体模型在横浪横向自由自航中，利用风机自适应调节转速来调节风机推力，平衡船舶不发生艏摇，过程中所测推进风机系统推力经处理转换为船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小。
2.根据权利要求1所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)基于船肿对称确定风机位置，将推进风机系统固定安装在确定风机位置的基座上；
2)将数据采集系统与推进风机系统装配在裸船模上；
3)设定风机初始转速，使船舶按照设定航速横向自由自航，波浪中由于受到波浪力的作用，航速发生变化，根据船模六自由度运动非接触光学测量仪反馈的船舶航速调节风机转速；在基座上的力传感器测量风机产生的横向推力；
4)根据航向陀螺反馈的船舶艏摇角，利用风机转速自适应调节系统调节转速，保证船舶不发生艏摇。
3.根据权利要求1或2所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，所述步骤1)执行前，在未将推进风机系统装配到船模上之前，对两个风机不同转速下所产生的推力进行测量，并模拟出两风机的转速-推力相关曲线。
4.根据权利要求3所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，所述步骤3)中风机初始转速和船舶航速通过船舶静水横向自由自航试验，保证船舶不发生艏摇情况下获得。
5.根据权利要求4所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，所述步骤3)首先使用静水中相应的风机转速作为初始转速，波浪力作用船舶会降速，根据船模六自由度运动非接触光学测量仪所反馈的船舶航速，对风机转速进行调整，使其与静水中相应航速相同；然后再对船舶航向进行调整，一风机转速增加，另一风机转速减小，试验中记录下船舶航速、风机推力、以及风机转速。
6.根据权利要求4所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，所述风机转速调整：根据船肿位置确定两风机作用力作用点，然后根据力矩公式，计算出航速下，两风机产生推力的比例，从而确定风机转速。
7.根据权利要求5所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法，其特征在于，所述船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小获得方法：在相应航速下，波浪中的风机推力与静水中的风机推力做差得到船舶横浪横向自由自航所受波浪力大小。
8.一种适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法所用试验系统，其特征在于，包括裸船体模型、数据采集系统、数据处理模块、两组推进风机系统和船模六自由度运动非接触光学测量仪；
所述数据采集系统，包括：航向陀螺和加速度传感器，分别用于测量船体航向角，船体三个方向上的加速度；
所述数据处理模块，为上位机，通过无线网桥接收所述数据采集系统采集的所述水动力数据；
所述两组推进风机系统，每组推进风机系统均包括：风机、风机转速测量模块和风机推力单向力传感器，分别用于给船体提供持续动力，测量风机转速，测量风机所产生的推力；
所述船模六自由度运动非接触光学测量仪，用于捕捉船体运动和航速。
9.根据权利要求8所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法所用试验系统，其特征在于，还包括拖车，置于在船体模型上方，用于装载船模六自由度运动非接触光学测量仪。
10.根据权利要求8所述适用于船舶横向自由自航的船体水动力模型试验方法所用试验系统，其特征在于，还包括浪高仪，用于测量波高。
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