船模四自由度旋臂试验装置及方法
【专利摘要】船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转旋臂、旋臂与船模之间的测量机构，测量机构包括与旋臂拖车固接的中间座，升沉杆穿过中间座并可上下滑动，升沉杆下端底板上装有直线位移传感器，底板上端通过钢丝绳连接有配重；底板下端连接有四分量测力传感器，四分量测力传感器与纵摇座固接，纵摇座可转动设有与旋转电位器连接的纵摇轴，纵摇轴与中框固接，中框连接有横倾角调节机构。本发明还提供了通过五种试验工况下的旋臂试验测量纵向、横向、横摇、艏摇上的水动力，并进而通过相应的操纵运动方程求取水动力导数的试验方法。本发明能够实现船模纵倾角、升沉位移以及船模在四个运动方向上的水动力测量，能够预报船舶在所述四个运动方向上的操纵性能。
【专利说明】船模四自由度旋臂试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及拘束船模试验【技术领域】，具体涉及用来测定船模作圆周运动时的水动 力特性的船模旋臂试验，尤其涉及用于测量回转过程中船模升沉位移、纵倾姿态变化、船模 在四个运动方向（包括纵向、横向、横摇、艏摇）上的水动力的试验装置以及通过该试验装 置最终获得水动力导数的方法。
【背景技术】
[0002] 拘束模型试验是目前获得船舶水动力导数的应用最为广泛的方法，即用机械的约 束，强迫船模作规定的运动，如直线运动、回转运动等，在模型试验时，通过系统地改变船模 的运动参数，测定作用在船模上的水动力，从而求得各水动力导数，而水动力导数是船舶操 纵性的重要指标之一。拘束模型试验中的旋臂试验是在旋臂水池中进行的，水池中间某立 柱处有一旋臂，船模以一定漂角和舵角安装在旋臂下方拖车上，试验时，旋臂以一定的角 速度运动，强迫船模按一定回转半径、一定的漂角和舵角作定常回转运动，用多分力测力 传感器可以测量作用在船模上的水动力。获取船模操纵性水动力后，通过回归分析可以获 得该船操纵运动数学模型中的水动力系数，结合船舶运动方程可以预报该船的操纵性能。
[0003] 目前，国内外静水中的操纵性预报大都采用二自由度或三自由度操纵运动方程， 即纵向力X、横向力Y、艏摇力矩N三个水动力的操纵运动方程，然而，由于高速船、高重心船 舶（如大型集装箱船、滚装船等）都具有较大的回转横倾以及配合真实海况下操纵控制的 仿真技术研究，这种三自由度操纵运动方程无法完全预报高速船以及高重心船舶的操纵性 能，因此，对于高速船以及高重心船舶航行时的船模旋臂试验，除了需要船模常规带艏摇角 运动，还需要船模能在垂向及纵摇方向是自由运动的，同时能还要进行变横倾水动力试验， 目前还没有这种船模四自由度操纵性旋臂试验的测量装置，并且由于船模内部控制及旋臂 水池的安装条件有限，需要该旋臂试验测量装置不易过大，这加大了旋臂试验测量装置的 设计难度。
【发明内容】
[0004] 本 申请人:针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种船模四自由度旋臂试验 装置及方法，其能够实现船模纵倾角、升沉位移以及船模在四个运动方向（包括纵向、横 向、横摇、艏摇）上的水动力的测量，能够预报船舶在所述四个运动方向上的操纵性能。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 本发明之船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转的旋臂，旋臂一端连接在水池 中的立柱上，另一端通过连接支杆与拖车及漂角调节机构连接，拖车及漂角调节机构与船 模之间连接有测量机构，所述测量机构包括与拖车及漂角调节机构固接的中间座，升沉杆 穿过中间座并可上下滑动，升沉杆的下端与底板固接，底板上装有直线位移传感器，底板上 端与钢丝绳连接，钢丝绳另一端绕过滑轮后与配重杆连接，配重杆套设在导向座内，配重杆 的下端固设有托盘，托盘用于放置配重，滑轮通过轴承装置装在安装座上，导向座与安装座 固接；底板下端与连接杆连接，连接杆与四分量测力传感器固接，四分量测力传感器另一端 与纵摇座固接，纵摇座上通过轴承装置装有纵摇轴，纵摇轴一端与旋转电位器连接，纵摇轴 上固装有中框，中框的两端分别与横摇固定座固接，横摇固定座上固接有横摇角度盘，横摇 固定座下端固接有模型底座，模型底座与船模连接。
[0007] 其进一步技术方案为：
[0008] 至少两根升沉杆穿过中间座并可沿中间座上下滑动，多跟升沉杆对称设在钢丝绳 的两侧。
[0009] 所述升沉杆的外周套接有轴承套一，升沉杆的外周与轴承套一的内周面之间设有 直线轴承一，轴承套一固接在中间座上。
[0010] 所述配重杆的外周套接有轴承套二，配重杆的外周与轴承套二的内周面之间设有 直线轴承二，轴承套二固接在导向座上。
[0011] 所述升沉杆的上端固接有限位套。
[0012] 所述纵摇座开有开口向上的U形槽，所述U形槽的两侧壁上通过轴承及轴承盖分 别装有一根纵摇轴，其中一根纵摇轴通过联轴器与旋转电位器的伸出轴连接，中框的两侧 壁分别固装在两根纵摇轴上。
[0013] 所述中框的侧壁一端与纵摇轴的轴肩抵接，另一端通过锁紧螺母锁紧在纵摇轴 上。
[0014] 本发明之船模四自由度旋臂试验方法，包含以下步骤：
[0015] 第一步，开展船模五种工况下的四自由度旋臂试验：开展船模纯回转试验、回转变 漂角试验、回转变漂角变舵角试验、回转变横倾角试验及回转变横倾角变漂角试验,通过测 量机构中的四分量测力传感器测量作用在船模上的四自由度水动力，即纵向力X、横向力 Y、横滚力矩K、艏摇力矩N，其中，纯回转试验工况下，测量船模在不同回转角速度下进行纯 回转时的四自由度水动力；回转变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角下进行回转时的 四自由度水动力；回转变漂角变舵角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同舵角下进行 回转时的四自由度水动力；回转变横倾角试验工况下，测量船模在不同横倾角下进行回转 时的四自由度水动力；回转变横倾角变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同横倾 角下进行回转时的四自由度水动力；
[0016] 第二步，将由第一步骤中五种试验工况采集到的四自由度水动力试验数据，分别 按下述操纵运动方程进行数据回归处理，由此求取船舶的操纵性水动力导数，一共54个，
【权利要求】
1. 船模四自由度旋臂试验装置，包括可回转的旋臂（1)，旋臂（1) 一端连接在水池中的 立柱（2)上，另一端通过连接支杆（3)与拖车及漂角调节机构（4)连接，拖车及漂角调节机 构（4)与船模（6)之间连接有测量机构（5)，其特征在于：所述测量机构（5)包括与拖车及 漂角调节机构（4)固接的中间座（502)，升沉杆（503)穿过中间座（502)并可上下滑动，升 沉杆（503)的下端与底板（504)固接，底板（504)上装有直线位移传感器（501)，底板（504) 上端与钢丝绳（505)连接，钢丝绳（505)另一端绕过滑轮（506)后与配重杆（507)连接，配 重杆（507)套设在导向座（508)内，配重杆（507)的下端固设有托盘（509)，托盘（509)用 于放置配重（510)，滑轮（506)通过轴承装置装在安装座（511)上，导向座（508)与安装座 (511)固接；底板（504)下端与连接杆（512)连接，连接杆（512)与四分量测力传感器（513) 固接，四分量测力传感器（513)另一端与纵摇座（514)固接，纵摇座（514)上通过轴承装置 装有纵摇轴（515)，纵摇轴（515) -端与旋转电位器（516)连接，纵摇轴（515)上固装有中 框（517)，中框（517)的两端分别与横摇固定座（518)固接，横摇固定座（518)上固接有横 摇角度盘（519)，横摇固定座（518)下端固接有模型底座（520)，模型底座（520)与船模连 接。
2. 按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：至少两根升沉杆 (503)穿过中间座（502)并可沿中间座（502)上下滑动，多跟升沉杆（503)对称设在钢丝绳 (505)的两侧。
3. 按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述升沉杆（503) 的外周套接有轴承套一（521)，升沉杆（503)的外周与轴承套一（521)的内周面之间设有直 线轴承一（522)，轴承套一（521)固接在中间座（502)上。
4. 按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述配重杆（507) 的外周套接有轴承套二（523)，配重杆（507)的外周与轴承套二（523)的内周面之间设有直 线轴承二（524)，轴承套二（523)固接在导向座（508)上。
5. 按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述升沉杆（503) 的上端固接有限位套（525)。
6. 按权利要求1所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述纵摇座（514) 开有开口向上的U形槽，所述U形槽的两侧壁上通过轴承及轴承盖（526)分别装有一根纵 摇轴（515)，其中一根纵摇轴（515)通过联轴器（527)与旋转电位器（516)的伸出轴连接， 中框（517)的两侧壁分别固装在两根纵摇轴（515)上。
7. 按权利要求6所述的船模四自由度旋臂试验装置，其特征在于：所述中框（517)的 侧壁一端与纵摇轴（515)的轴肩抵接，另一端通过锁紧螺母（528)锁紧在纵摇轴（515)上。
8. 利用权利要求1至7任一权利要求所述的船模四自由度旋臂试验装置进行船模四自 由度旋臂试验的方法，其特征在于，包含以下步骤： 第一步，开展船模五种工况下的四自由度旋臂试验：开展船模纯回转试验、回转变漂角 试验、回转变漂角变舵角试验、回转变横倾角试验及回转变横倾角变漂角试验，通过测量机 构（5)中的四分量测力传感器（513)测量作用在船模（6)上的四自由度水动力，即纵向力 X、横向力Y、横滚力矩K、艏摇力矩N，其中，纯回转试验工况下，测量船模在不同回转角速度 下进行纯回转时的四自由度水动力；回转变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角下进行 回转时的四自由度水动力；回转变漂角变舵角试验工况下，测量船模在不同漂角及不同舵 角下进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角试验工况下，测量船模在不同横倾角下 进行回转时的四自由度水动力；回转变横倾角变漂角试验工况下，测量船模在不同漂角及 不同横倾角下进行回转时的四自由度水动力； 第二步，将由第一步骤中五种试验工况采集到的四自由度水动力试验数据，分别按 下述操纵运动方程进行数据回归处理，由此求取船舶的操纵性水动力导数，一共54个，即
式中，X，Y，K，N分别为作用在船模（6)上的四自由度水动力，P为水的密度，V为船模 试验速度，L为船模长度，v为船模速度在船模y轴上的分量，r为船模回转角速度，Φ为船 模的横倾角。V为船模速度分量v的无因次化形式，r'为船模回转角速度r的无因次化 形式，X' 分别为作用在船模四个运动方向上水动力对下标所示变 量的导数。
9.按权利要求8所述的船模四自由度旋臂试验方法，其特征在于：在第二步骤之后，进 行回转变漂角试验工况下的重复试验，进行四自由度旋臂试验不确定度分析。
【文档编号】B63B9/02GK104085500SQ201410326819
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】赵桥生, 吴宝山, 杜茉, 冯骏, 王英杰 申请人:中国船舶重工集团公司第七○二研究所