一种机械式多用船模恢复力测量装置及方法与流程

本发明属于船舶工程水池试验技术领域，涉及机械式多用船模恢复力测量装置，特别涉及一种机械式多用船模恢复力测量装置及方法。

背景技术：

当前，模型试验是预报船舶与海洋结构物水动力性能普遍采用的方法。但对于某些船舶水动力性能参数的测量试验而言，仍存在着测量技术和测量设备不完善、不正规的情况，这些因素将较大程度地影响试验操作的复杂程度，甚至干扰测量结果的精度。

船舶恢复力是船舶的基本水动力性能之一，是船舶稳性的重要参数，它的大小取决于船舶排水量、重心和浮心的相对位置等因素。目前获取船舶恢复力的主要为经验公式法，该方法有着简单、方便等优点，但是其精度同船型、主尺度等参数有着较大关系。在水池试验方面，又缺少结构简单、加工方法方便的直接测量船舶横摇、纵摇、垂荡方向恢复力的试验装置，因此设计一套简单、易用、有效且规范的恢复力测量装置在显得尤为重要。

通过对公开专利文献的检索，发现一篇与本专利申请相似的公开专利文献：

发明专利cn106289722a公布了一种“船舶模型横向力与横向恢复力矩测量仪”，它是用于测量船舶模型横倾试验中模型横倾所产生的横向力与横向恢复力矩的测量仪。其主要内容是：装置包括主滑动单元、次滑动单元、自动卸载单元、承力单元、角度调整单元，适航仪的上下两侧设置上安装板和下安装板，主滑动单元的上端通过上安装板和下安装板与适航仪相连接，次滑动单元的上端通过上安装板和下安装板与适航仪相连接，主滑动单元的下端连接承力单元，承力单元下端连接角度调整单元，次滑动单元的下端连接自重卸载单元。该发明实现了复杂环境工程、试验环境下的船舶模型横向力与横向恢复力矩测量，但是该装置仅能测量横向力和横向恢复力矩，对于船舶的纵向恢复力矩及垂向恢复力无法进行测量；另外，该装置主要测力传感器为六分力天平，该天平造价较高，将会极大地增加该套装置的造价成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机械式多用船模恢复力测量装置及方法，机械结构简单、制造方便、成本较低、使用简单、精度较高，可用于测量船模在静水中横摇、纵摇、垂荡方向上的线性恢复力或力矩，适用范围广。

一种机械式多用船模恢复力测量装置，包括多用恢复力测量杆、辅助测量架及测量配重模块，所述多用恢复力测量杆与辅助测量架连接，所述多用恢复力测量杆带有角度测量装置和垂直位移测量装置，用于测量船模横摇、纵摇及垂荡方向的恢复力或力矩；所述辅助测量架为一套多用杆架系统，用于搭载测量配重块，连接多用恢复力测量杆及及固定连接船模；所述测量配重模块为用于测量的配重块并固定安装在所述辅助测量架上。

而且，所述多用恢复力测量杆包括固定测量杆、滑动测量杆、缓冲弹簧、自减配重片、外置导滑轮、内置滑轮、牵引钢索、滑动单元套管、垂向测量指针、转动测量指针、转动测量刻度盘、测量杆安装底座、滑杆转动轴端及固定连接底座，所述固定测量杆上端同固定连接底座焊接连接，下端同滑动单元套管焊接连接；所述滑动测量杆通过滑杆转动轴端同测量杆安装底座连接，滑杆转动轴端可绕安装底座上的孔位进行转动；所述转动测量指针固定安装在滑杆转动轴端，可跟随滑杆转动轴端转动；所述转动测量刻度盘固定安装在测量杆安装底座上；所述滑动测量杆可在滑动单元套管内沿管壁上下滑动，在杆端设置垂向测量指针；所述滑动单元套管在管壁设置长条开孔，并标有刻度，在底端内部设置缓冲弹簧，在顶端轴线处设置内置滑轮，在外凸台端设置外置滑轮，滑轮用于牵引钢索导向限位；所述牵引钢索连接滑动测量杆杆端及自减配重片。

而且，所述辅助测量架包括滑轨、滑杆、安装底座、滑杆锁紧装置、接口底座、接口底座锁紧装置、滑杆测量指针及底座测量指针，所述滑轨和安装底座焊接连接，和滑杆通过滑杆锁紧装置锁紧连接，和接口底座通过接口底座锁紧装置锁紧连接；所述滑杆可在两根滑轨上滑动，调整后沿船长方向关于船模重心对称布置并锁紧；所述接口底座及接口底座锁紧装置共4组，均可在滑轨、滑杆上滑动，其中两组分布在滑轨上，沿船宽方向关于船模重心对称布置并锁紧，另外两组分布在滑杆上，在船模中纵线上关于重心对称布置并锁紧；所述滑杆锁紧装置上设置有滑杆测量指针，滑轨上的接口底座锁紧装置设置底座测量指针，滑轨上设置有滑轨刻度。

而且，所述测量配重模块包括配重限位柱、紧固螺母、测量配重片、配重模块安装底座及配重底座，所述配重限位柱用于限制测量配重片的位移，紧固螺母用于固定安装测量配重片；所述测量配重片安装在配重底座；所述配重模块安装底座安装在接口底座上。

一种机械式多用船模恢复力测量方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

1)实验前准备：将支撑架体或拖车、试航仪等适合挂载本装置的横梁结构移动至水池合适位置处；调整4个接口底座并通过底座锁紧装置锁紧固定，其中滑轨上的接口底座在重心所在横剖面上，滑杆上的接口底座在重心所在的中纵剖面上，并关于重心对称分布；将两只多用恢复力测量杆的安装底座分别同滑轨或滑杆上的接口底座连接；将两只多用恢复力测量杆的固定连接底座分别同支撑架体或其他架体的横梁锁紧固定；将测量配重模块的配重模块安装底座同滑轨或滑杆上的接口底座连接，此时测量配重模块不加载测量配重片；

2)连接完毕以上装置后，对多用恢复力测量杆中的自减配重片不断加载配重片，直至测量指针可以稳定维持在滑动单元套管上刻度线的中间位置，记录此时刻度lv0及自减配重片的重量wp0；将船模置于水中后，将辅助测量架的四个安装底座固定安装到船模上，其中滑轨的安装底座需关于船模重心沿船宽方向对称；记录此测量指针的刻度lv1；

3)纵向恢复力测量：步骤1)、2)后，安装底座同滑轨上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑杆上的接口底座固定连接，记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr0，记录滑杆测量指针及底座测量指针的刻度分别为lx0、lo0。同时在单侧测量配重模块及自减配重片上增加相等质量的配重wx1，待系统稳定后记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr1。则纵向恢复力系数kyy即可求出；

4)横向恢复力测量：步骤1)、2)后，安装底座同滑杆上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑轨上的接口底座固定连接，记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr2，测量滑轨上的接口底座之间的距离为ly，同时在单侧测量配重模块及自减配重片上增加相等质量的配重wx2，待系统稳定后记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr3。则纵向恢复力系数kxx即可求出；

5)垂向恢复力测量：步骤1)、2)后，安装底座同滑轨上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑杆上的接口底座固定连接，或安装底座同滑杆上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑轨上的接口底座固定连接；同时在两侧测量配重模块以及自减配重片上增加相等质量的配重wx3，待系统稳定后记录测量指针的刻度lv2，则纵向恢复力系数kz即可求出。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的机械式多用船模恢复力测量装置，是一种多用途的恢复力测量装置，可以用于测量船模横摇、纵摇、首摇方向的恢复力/力矩，也可以用于计算三个自由度上的线性恢复力系数，装置设有自减配重模块，还可以消除装置系统自身造成的误差，提高测量的精度，适用范围广泛。

2、本发明的机械式多用船模恢复力测量装置，使用时仅需将装置固定在横梁上，并无其他使用要求，可以安装在试航仪、水池拖车横梁、简单架体等设备上，使用性强，且装置中的辅助测量架可以调整结构尺寸，以适应各类船模。

3、本发明的机械式多用船模恢复力测量装置，采用全机械结构，测量原理简单，结构设计合理，装置易用，可重复进行试验。

4、本发明的机械式多用船模恢复力测量装置，设计部件均为常用构件，构造简单，制造加工成本较低，具有非常好的经济性。

5、本发明的机械式多用船模恢复力测量装置，辅助测量架具有极强的功能性和使用性，还可以作为惯量测量辅助架、阻力试验导向装置辅助安装架等功能进行使用。

6、本发明设置科学合理，机械结构简单、制造方便、成本较低、使用简单、精度较高，可用于测量船模在静水中横摇、纵摇、垂荡方向上的线性恢复力或力矩，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明多用恢复力测量杆的剖面图；

图3为本发明多用恢复力测量杆的正视图；

图4为本发明多用恢复力测量杆的侧视图；

图5为本发明辅助测量架的正视图；

图6为本发明辅助测量架的俯视图；

图7为本发明辅助测量架的侧视图；

图8为本发明测量配重模块的正视图；

图9为本发明测量配重模块的侧视图。

附图标记说明

1-船模、2-支撑架体、3-多用恢复力测量杆、4-辅助测量架、5-测量配重模块、6-固定测量杆、7-滑动测量杆、8-缓冲弹簧、9-自减配重片、10-外置导滑轮、11-内置滑轮、12-牵引钢索、13-滑动单元套管、14-垂向测量指针、15-转动测量指针、16-转动测量刻度盘、17-测量杆安装底座、18-滑杆转动轴端、19-固定连接底座、20-滑轨、21-滑杆、22-安装底座、23-滑杆锁紧装置、24-接口底座、25-接口底座锁紧装置、26-滑杆测量指针、27-底座测量指针、28-配重限位柱、29-紧固螺母、30-测量配重片、31-配重模块安装底座、32-配重底座。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1，一种机械式多用船模恢复力测量装置，包括多用恢复力测量杆3、辅助测量架4及测量配重模块5，所述多用恢复力测试杆顶端固定安装在支撑架体上2，多用恢复力测量杆底端同辅助测量架连接；辅助测量架为一套多用途杆架系统，用于搭载测量配重块，连接多用恢复力测量杆，以及固定连接船模1；测量配重模块为专门设计用于测量的配重块，用于固定安装在辅助测量架上。

如图2～4所示，多用恢复力测量杆的固定测量杆6可采用方形管材，其上端同固定连接底座19焊接连接，下端同滑动单元套管13焊接连接；滑动测量杆7采用方形管材，管材底端设置有滑杆转动轴端18，安装底座17上的孔位设置有两个轴承，滑杆转动轴端套在轴承内，可绕安装底座17上进行转动；转动测量指针15同滑杆转动轴端焊接固定；转动测量刻度盘16上带有角度刻度，固定安装在测量杆安装底座上，可跟随测量杆安装底座转动；测量时，测量杆安装底座转动将带动测量刻度盘，通过转动测量指针可以测量辅助测量架与多用恢复力测量杆的夹角，即船模横倾或纵倾的角度。

滑动测量杆7可在滑动单元套管内沿管壁上下滑动，在其杆端设置垂向测量指针14；滑动单元套管在外侧管壁中间位置设置长条开孔，并标有刻度，在底端内部设置缓冲弹簧8，可以减缓滑动测量杆突发性触底带来的冲击；测量指针同滑动单元套管上的长条开孔及刻度进行配合，可以测量船模垂向上的位移距离。

进一步设计，滑动单元套管在顶端轴线处设置内置滑轮11，固定测量杆在此位置处设置单侧开孔，滑动单元套管具有一个凸台，在凸台端设置外置滑轮10，两处滑轮用于对牵引钢索12进行导向限位；牵引钢索连接滑动测量杆杆端及自减配重片9的底座；自减配重片可以根据滑动测量杆、辅助测量架、测量配重模块5的整体重量进行加载或减载调整，以消除测量系统自重对测量结果造成的误差；

如图5～7所示，辅助测量架包括滑轨20、滑杆21、安装底座22、滑杆锁紧装置23、接口底座24、接口底座锁紧装置25、滑杆测量指针26及底座测量指针27。两根滑轨平行对其安装；滑轨和安装底座焊接连接，和滑杆通过滑杆锁紧装置锁紧连接，和接口底座通过接口底座锁紧装置锁紧连接，两根滑杆可在两根滑轨上平行滑动，调整后沿船长方向关于船模重心对称布置并锁紧；接口底座及接口底座锁紧装置共4组，均可在滑轨、滑杆上滑动，其中两组分布在滑轨上，沿船宽方向关于船模重心对称布置并锁紧，另外两组分布在滑杆上，在船模中纵线上关于重心对称布置并锁紧；滑杆锁紧装置上设置有滑杆测量指针，滑轨上的接口底座锁紧装置设置底座测量指针，滑轨上设置有滑轨刻度，通过滑杆测量指针、底座测量指针及滑轨刻度可以测量当前滑杆在滑轨上的位置及到船模重心的纵向距离。

如图8、9所示，测量配重模块由配重限位柱28、紧固螺母29、测量配重片30、配重模块安装底座31、配重底座32组成。配重限位柱在柱体外侧开有螺纹，搭配紧固螺母可以固定安装测量配重片；测量配重片安装在配重底座；配重模块安装底座安装在接口底座上。

固定连接底座、滑杆锁紧装置和接口底座锁紧装置所涉及到的锁紧装置均采用上下夹片的形式，夹片开孔后，使用2颗螺丝进行上紧。

测量杆安装底座、安装底座、接口底座、配重模块安装底座所涉及到的底座，均在底座四角开有螺丝孔位，通过贯穿底座的螺丝上紧连接。

一种机械式多用船模恢复力测量方法，其创新之处在于：该方法的步骤为：

1)实验前准备：将支撑架体或拖车、试航仪等适合挂载本装置的横梁结构移动至水池合适位置处；调整4个接口底座并通过底座锁紧装置锁紧固定，其中滑轨上的接口底座在重心所在横剖面上，滑杆上的接口底座在重心所在的中纵剖面上，并关于重心对称分布；将两只多用恢复力测量杆的安装底座分别同滑轨或滑杆上的接口底座连接；将两只多用恢复力测量杆的固定连接底座分别同支撑架体或其他架体的横梁锁紧固定；将测量配重模块的配重模块安装底座同滑轨或滑杆上的接口底座连接，此时测量配重模块不加载测量配重片；

2)连接完毕以上装置后，对多用恢复力测量杆中的自减配重片不断加载配重片，直至测量指针可以稳定维持在滑动单元套管上刻度线的中间位置，记录此时刻度lv0及自减配重片的重量wp0；将船模置于水中后，将辅助测量架的四个安装底座固定安装到船模上，其中滑轨的安装底座需关于船模重心沿船宽方向对称；记录此测量指针的刻度lv1；

3)纵向恢复力测量：步骤1)、2)后，安装底座同滑轨上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑杆上的接口底座固定连接，记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr0，记录滑杆测量指针及底座测量指针的刻度分别为lx0、lo0。同时在单侧测量配重模块及自减配重片上增加相等质量的配重wx1，待系统稳定后记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr1。则纵向恢复力系数kyy即可求出；

4)横向恢复力测量：步骤1)、2)，安装底座同滑杆上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑轨上的接口底座固定连接，记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr2，测量滑轨上的接口底座之间的距离为ly，同时在单侧测量配重模块及自减配重片上增加相等质量的配重wx2，待系统稳定后记录转动测量指针在转动测量刻度盘上的刻度dr3。则纵向恢复力系数kxx即可求出；

5)垂向恢复力测量：步骤1)、2)，安装底座同滑轨上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑杆上的接口底座固定连接，或安装底座同滑杆上的接口底座固定连接，测量配重模块同滑轨上的接口底座固定连接；同时在两侧测量配重模块以及自减配重片上增加相等质量的配重wx3，待系统稳定后记录测量指针的刻度lv2，则纵向恢复力系数kz即可求出。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。