一种水下航行器涡激振荡自适应抑制装置的制作方法

本发明属于海洋工程技术领域，特别是一种水下运载器涡激振荡自适应抑制装置。

背景技术

随着人类探索海洋步伐的不断加快，人们越来越认识到海洋必将成为人类赖以生存的基础环境，海洋因拥有丰富的生物、矿产等资源成为经济发展的重要支点，是解决人口膨胀、资源短缺和环境恶化的重要出路；海洋因巨大的水域面积和储水量成为影响全球气候和碳循环的重要因素，是研究人类生存环境的重要对象；海洋因其通透性和天然地理格局成为重要的国防屏障，受到世界各国的高度重视。

当今，开发海洋蓝色国土，拓展生存和发展空间，已上升为世界沿海各国的国家战略。海洋侦测工程与装备是进行海洋开发、控制、综合管理的基础，集中体现着国家海洋竞争力，同时海洋工程装备技术水平在一定程度上标志着国家综合国力和科技水平。在海洋工程装备领域，海底声呐系统在现代反潜、海洋水文和资源勘测中得到了愈来愈广泛的应用。但是无论是主动型声呐系统还是被动型声呐系统在其工作过程都会受到涡激振荡的影响，从而使水下航行器发生不同程度的偏转、翻转以及摆动。在试验过程中发现，由于涡激振荡导致监测系统发生震颤现象，使得缆线由于疲劳损伤而出现断裂和缆芯破裂，引起信号线漏电短路问题，造成缆绳断裂而遗失海洋监测设备的重大安全事故，因此如何有效防止涡激振动对水下航行器设计研究具有重要的意义。

目前通常使用流线型翼型设计或主动控制来降低涡激振荡的影响，使用流线型翼型设计在海洋等来流环境复杂的情况下，普遍存在无法有效通过自身结构达到自适应解决涡激振荡的效果；使用主动控制则安装维护困难、成本高，同时主动控制方法在实际操作的过程中控制难度、复杂度都较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、性能可靠，并能够应对任意方向来流的水下航行器涡激振荡自适应抑制装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种水下运载器涡激振荡自适应抑制装置，包括右侧固定式垂直翼、左侧固定式垂直翼、右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼、上固定式水平翼、中固定式水平翼、下固定式水平翼、可旋转式水平翼、三个圆柱芯轴；

所述右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼分别通过圆柱芯轴与右侧固定式垂直翼、左侧固定式垂直翼相连；可旋转式水平翼通过圆柱芯轴与上固定式水平翼相连；右侧固定式垂直翼、左侧固定式垂直翼分别与上固定式水平翼、中固定式水平翼、下固定式水平翼通过螺栓连接紧固；

所述上固定式水平翼与可旋转式水平翼通过圆柱芯轴定位，同时可旋转式水平翼通过圆弧形凹槽与圆柱凸台实现旋转角度限制；所述右侧固定式垂直翼、左侧固定式垂直翼分别与右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼通过圆柱芯轴定位，同时右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼通过圆弧形凹槽与圆柱凸台实现旋转角度限制。

进一步地，所述可旋转式水平翼与上固定式水平翼、中固定式水平翼、下固定式水平翼之间，右侧可旋转式垂直翼与右侧固定式垂直翼之间，左侧可旋转式垂直翼与左侧固定式垂直翼之间依靠圆柱芯轴实现定位连接，可旋转式水平翼、右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼的平动自由度通过可旋转式水平翼、右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼两侧挡板、圆柱芯轴来进行限制；

所述可旋转式水平翼、右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼可绕圆柱芯轴实现自由转动，其转动幅度通过可旋转式水平翼、右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼上圆柱凸台与上固定式水平翼、中固定式水平翼、下固定式水平翼、右侧固定式垂直翼、左侧固定式垂直翼上圆弧形凹槽进行限制。

进一步地，所述圆弧形凹槽深度、宽度分别比圆柱凸台的高度、直径大1～1.2cm，可旋转式水平翼、右侧可旋转式垂直翼、左侧可旋转式垂直翼在转动过程中圆弧形凹槽与圆柱凸台之间仅在凹槽两端接触，其他位置不会发生接触碰撞，通过圆弧形凹槽限位的转动幅度为±20°范围内。

进一步地，所述右侧可旋转式垂直翼两端设有圆柱形凹槽，该圆柱形凹槽与圆柱形特种橡胶垫片配合使用，采用胶粘的方法将圆柱形特种橡胶垫片与圆柱形凹槽的底面固定连接；圆柱形凹槽端面的中心位置设有第一圆形通孔，用于与第一圆柱芯轴配合，第一圆柱芯轴的两端均通过第一螺母、第一平垫圈固定，使得右侧可旋转式垂直翼能够绕第一圆柱芯轴转动；

圆柱形凹槽端面还设置有第一圆柱凸台，第一圆柱凸台位于第一圆形通孔的外侧，且与右侧固定式垂直翼上的第一圆弧形凹槽配合使用，使得右侧可旋转式垂直翼旋转角度在±20°之间，第一圆柱凸台仅与第一圆弧形凹槽的两极限端位有限位接触，第一圆柱凸台在运动过程中与第一圆弧形凹槽的底面、侧面均无接触。

进一步地，所述右侧固定式垂直翼两端设有第一挡板，第一挡板与圆柱形特种橡胶垫片直接接触，第一挡板限制右侧可旋转式垂直翼沿第一圆柱芯轴的平动自由度；

第一挡板的圆形端面设有第一矩形槽、第一圆弧形凹槽与第二圆形通孔，右侧固定式垂直翼与右侧可旋转式垂直翼配合安装，第一矩形槽使第一圆柱凸台进入到第一圆弧形凹槽的内部；右侧固定式垂直翼的翼面上设置水平凸台，水平凸台提供水平平面用于螺母安装。

进一步地，所述可旋转式水平翼两端设有圆角矩形凹槽，圆角矩形凹槽与圆角矩形特种橡胶垫片配合使用，采用胶粘的方法将圆角矩形特种橡胶垫片与圆角矩形凹槽的底面固定连接；可旋转式水平翼端面的中心位置设有第三圆形通孔，用于与第二圆柱芯轴配合，第二圆柱芯轴的两端均通过第二螺母、第二平垫圈固定，使得可旋转式水平翼能够绕第二圆柱芯轴转动；可旋转式水平翼端面还设置有第二圆柱凸台，第二圆柱凸台位于第三圆形通孔外侧，且与上固定式水平翼上的第二圆弧形凹槽配合使用，使得可旋转式水平翼旋转角度在±20°之间，第二圆柱凸台仅与第二圆弧形凹槽的两极限端位有限位接触，第二圆柱凸台在运动过程中与第二圆弧形凹槽的底面、侧面均无接触。

进一步地，所述上固定式水平翼两端设有第二挡板，第二挡板与圆柱形特种橡胶垫片接触，第二挡板限制可旋转式水平翼沿第二圆柱芯轴的平动自由度；第二挡板的圆形端面设有第二矩形槽、第二圆弧形凹槽与第三圆形通孔，上固定式水平翼与可旋转式水平翼配合安装，第二矩形槽使第二圆柱凸台进入到第二圆弧形凹槽的内部；上固定式水平翼的翼侧两面各有两个第一螺纹孔，第一螺纹孔与水平凸台上的通孔一起，通过圆柱螺纹轴、第三螺母以及第三平垫圈将上固定式水平翼分别与右侧固定式垂直翼和左侧固定式垂直翼紧固连接。

进一步地，所述中固定式水平翼焊接在距离水下航行器顶面1/4的位置处；中固定式水平翼两侧设有阶梯形斜截面，避免在右侧可旋转式垂直翼旋转时发生干涉；中固定式水平翼的两侧面各有两个第二螺纹孔，第二螺纹孔与水平凸台上的通孔一起，通过圆柱螺纹轴、第三螺母以及第三平垫圈将中固定式水平翼分别与右侧固定式垂直翼和左侧固定式垂直翼紧固连接。

进一步地，所述下固定式水平翼焊接在距离水下航行器底面1/4的位置处；下固定式水平翼的两侧面各有两个第三螺纹孔，第三螺纹孔与水平凸台上的通孔一起，通过圆柱螺纹轴、第三螺母以及平第三垫圈将下固定式水平翼与右侧固定式垂直翼和左侧固定式垂直翼紧固连接。

进一步地，所述圆角矩形特种橡胶垫片的结构外形尺寸与可旋转式水平翼上的圆角矩形凹槽相同，且圆角矩形特种橡胶垫片设有第一通孔，第一通孔的尺寸与可旋转式水平翼上的第三圆形通孔大小相同；圆角矩形特种橡胶垫片设有第一圆弧形槽，第一圆弧形槽形状尺寸与固定式水平翼上的第二圆弧形凹槽相同；

所述圆柱形特种橡胶垫片的结构外形尺寸与可旋转式垂直翼上的圆柱形凹槽相同，且圆柱形特种橡胶垫片设有第二通孔，第二通孔的尺寸与可旋转式垂直翼上的第一圆形通孔大小相同；圆柱形特种橡胶垫片设有第二圆弧形槽，第二圆弧形槽形状尺寸与右侧固定式垂直翼上的第一圆弧形凹槽相同；

上述圆角矩形特种橡胶垫片、圆柱形特种橡胶垫片的参数如下：厚度为1.5cm，比重为ρ＝1.04×10³kg/m³，弹性模量1.5～1.8mpa，力的回弹性大于60％。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过旋转翼绕芯轴的转动，能够有效抑制不同方向的来流引发的涡激振动，适合在海洋等来流方向频繁变化的环境中应用；(2)特种橡胶垫片具有一定的变形、减振能力，能够减轻可旋转翼旋转时对固定翼及水下航行器的影响，采用可分离式橡胶垫片，因此后期可快速更换、维护简单、且可根据实际情况调整固定翼与可旋转翼之间的摩擦系数；(3)通过可旋转翼上圆柱凸台以及固定翼上圆弧凹槽配合使用，能够实现可旋转翼偏转幅度限制，避免可旋转翼发生过分偏转，从而加剧水下航行器振动的情况；(4)在固定翼两侧挡板的圆形端面开设有矩形槽，能够方便可旋转翼的拆卸与安装。

附图说明

图1为本发明水下运载器涡激振荡自适应抑制装置的结构示意图。

图2为本发明中的可旋转式垂直翼结构示意图。

图3为本发明中的固定式垂直翼结构示意图。

图4为本发明中的可旋转式水平翼结构示意图。

图5为本发明中的上固定式水平翼结构示意图。

图6为本发明中的中固定式水平翼及其固定位置示意图。

图7为本发明中的下固定式水平翼及其固定位置示意图。

图8为本发明中的圆弧矩形特种橡胶垫片结构示意图。

图9为本发明中的圆形特种橡胶垫片结构示意图。

图10为本发明中部分翼片安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。

本发明水下航行器涡激振荡自适应抑制装置,由上、中、下三个固定式水平翼、一个可旋转式水平翼、左右两个固定式垂直翼、左右两个可旋转式垂直翼、三个圆柱芯轴、六个特种橡胶垫片组成。其中四个特种橡胶垫片为圆柱形，两个特种橡胶垫片为圆角矩形，橡胶垫片上开设有一个圆弧形通孔、一个圆形通孔，橡胶垫片顶面镶嵌超薄不锈钢薄片，橡胶垫片底面通过胶粘与可旋转翼固连。圆柱芯轴的直径略微小于可旋转翼上通孔的直径，圆柱芯轴两端带有螺纹，圆柱芯轴通过可旋转翼及固定翼上的通孔，使用螺纹螺母将旋转翼与固定翼固连，可旋转翼可以绕圆柱芯轴转动。

上可旋转式水平翼两端各开有圆角矩形凹槽，其外形与配合使用的橡胶垫片相同。上可旋转水平翼采用的是仿naca翼型优化设计而成，上可旋转式水平翼两端的圆柱凸台与上固定式水平翼上的弧形凹槽配合使用，起到限制旋转翼转动幅度的作用，圆柱凸台与圆弧形凹槽之间只在两端限位的时候产生接触。上固定式水平翼两侧有突出的挡板，挡板上开有圆弧形凹槽与圆柱通孔，两侧挡板与带有超薄不锈钢薄片的橡胶垫片之间直接接触，挡板圆弧端面开设有一矩形槽，便于上旋转式水平翼的安装、拆卸。中间固定式水平翼两侧面采用的是阶梯形截断面，为避免与左右两侧旋转式垂直翼之间发生干涉。中间固定式水平翼在两侧通过螺纹螺母与固定式垂直翼固连，中间固定式水平翼直接与水下航行器焊接固连。下固定式水平翼与左右两侧固定式垂直翼之间通过螺纹螺母紧固连接，下固定式水平翼与水下航行器采用焊接固连。

固定式垂直翼两侧有挡板，挡板上开有圆柱孔和圆弧形凹槽，挡板圆弧端面开有矩形槽，便于可旋转式垂直翼的安装、拆卸，固定式垂直翼采用的是仿naca翼型优化设计而成，固定式垂直翼设有五个水平凸台，其中三个水平凸台作用为方便螺母水平接触，另外两个水平凸台为保证与上、下固定式水平翼接触水平，固定式水平翼与固定式垂直翼之间通过螺纹螺母紧固连接。可旋转式垂直翼两端的圆柱凸台与固定式垂直翼上的弧形凹槽配合使用，起到限制旋转翼转动幅度的作用，圆柱凸台与弧形凹槽之间只在两端限位的时候产生接触。

下面结合附图进一步详细介绍本发明水下运载器涡激振荡自适应抑制装置。

如图1所示，本发明水下航行器涡激振荡自适应抑制装置，包括右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13、上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14、可旋转式水平翼10、三个圆柱芯轴；

所述右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13分别通过圆柱芯轴与右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11相连；可旋转式水平翼10通过圆柱芯轴与上固定式水平翼6相连；右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11分别与上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14通过螺栓连接紧固；

所述上固定式水平翼6与可旋转式水平翼10通过圆柱芯轴定位，同时可旋转式水平翼10通过圆弧形凹槽与圆柱凸台实现旋转角度限制；所述右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11分别与右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13通过圆柱芯轴定位，同时右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13通过圆弧形凹槽与圆柱凸台实现旋转角度限制。

进一步地，所述可旋转式水平翼10与上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14之间，右侧可旋转式垂直翼15与右侧固定式垂直翼2之间，左侧可旋转式垂直翼13与左侧固定式垂直翼11之间依靠圆柱芯轴实现定位连接，可旋转式水平翼10、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13的平动自由度通过可旋转式水平翼10、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13两侧挡板、圆柱芯轴来进行限制；

所述可旋转式水平翼10、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13可绕圆柱芯轴实现自由转动，其转动幅度通过可旋转式水平翼10、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13上圆柱凸台与上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14、右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11上圆弧形凹槽进行限制。

进一步地，所述圆弧形凹槽深度、宽度分别比圆柱凸台的高度、直径大1～1.2cm，可旋转式水平翼10、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13在转动过程中圆弧形凹槽与圆柱凸台之间仅在凹槽两端接触，其他位置不会发生接触碰撞，通过圆弧形凹槽限位的转动幅度为±20°范围内。

如图2所示，所述右侧可旋转式垂直翼15两端设有圆柱形凹槽19，该圆柱形凹槽19与圆柱形特种橡胶垫片40配合使用，采用胶粘的方法将圆柱形特种橡胶垫片40与圆柱形凹槽19的底面固定连接；圆柱形凹槽19端面的中心位置设有第一圆形通孔20，用于与第一圆柱芯轴3配合，第一圆柱芯轴3的两端均通过第一螺母4、第一平垫圈5固定，使得右侧可旋转式垂直翼15能够绕第一圆柱芯轴3转动；圆柱形凹槽19端面还设置有第一圆柱凸台21，第一圆柱凸台21位于第一圆形通孔20的外侧，且与右侧固定式垂直翼2上的第一圆弧形凹槽24配合使用，使得右侧可旋转式垂直翼15旋转角度在±20°之间，第一圆柱凸台21仅与第一圆弧形凹槽24的两极限端位有限位接触，第一圆柱凸台21在运动过程中与第一圆弧形凹槽24的底面、侧面均无接触。

如图3所示，右侧固定式垂直翼2两端设有第一挡板22，第一挡板22与圆柱形特种橡胶垫片40直接接触，第一挡板22限制右侧可旋转式垂直翼15沿第一圆柱芯轴3的平动自由度；第一挡板22的圆形端面设有第一矩形槽26、第一圆弧形凹槽24与第二圆形通孔23，右侧固定式垂直翼2与右侧可旋转式垂直翼15配合安装，第一矩形槽26使第一圆柱凸台21进入到第一圆弧形凹槽24的内部；右侧固定式垂直翼2的翼面上设置水平凸台25，水平凸台25提供水平平面用于螺母安装。

如图4所示，所述可旋转式水平翼10两端设有圆角矩形凹槽29，圆角矩形凹槽29与圆角矩形特种橡胶垫片37配合使用，采用胶粘的方法将圆角矩形特种橡胶垫片37与圆角矩形凹槽29的底面固定连接；可旋转式水平翼10端面的中心位置设有第三圆形通孔28，用于与第二圆柱芯轴7配合，第二圆柱芯轴7的两端均通过第二螺母8、第二平垫圈9固定，使得可旋转式水平翼10能够绕第二圆柱芯轴7转动；可旋转式水平翼10端面还设置有第二圆柱凸台27，第二圆柱凸台27位于第三圆形通孔28外侧，且与上固定式水平翼6上的第二圆弧形凹槽31配合使用，使得可旋转式水平翼10旋转角度在±20°之间，第二圆柱凸台27仅与第二圆弧形凹槽31的两极限端位有限位接触，第二圆柱凸台27在运动过程中与第二圆弧形凹槽31的底面、侧面均无接触。

如图5所示，所述上固定式水平翼6两端设有第二挡板33，第二挡板33与圆柱形特种橡胶垫片40接触，第二挡板33限制可旋转式水平翼10沿第二圆柱芯轴7的平动自由度；第二挡板33的圆形端面设有第二矩形槽32、第二圆弧形凹槽31与第三圆形通孔30，上固定式水平翼6与可旋转式水平翼10配合安装，第二矩形槽32使第二圆柱凸台27进入到第二圆弧形凹槽31的内部；上固定式水平翼6的翼侧两面各有两个第一螺纹孔34，第一螺纹孔34与水平凸台25上的通孔一起，通过圆柱螺纹轴16、第三螺母17以及第三平垫圈18将上固定式水平翼6分别与右侧固定式垂直翼2和左侧固定式垂直翼11紧固连接。

如图6所示，所述中固定式水平翼12焊接在距离水下航行器1顶面大约1/4的位置处；中固定式水平翼12两侧设有阶梯形斜截面，避免在右侧可旋转式垂直翼15旋转时发生干涉；中固定式水平翼12的两侧面各有两个第二螺纹孔35，第二螺纹孔35与水平凸台25上的通孔一起，通过圆柱螺纹轴16、第三螺母17以及第三平垫圈18将中固定式水平翼12分别与右侧固定式垂直翼2和左侧固定式垂直翼11紧固连接。

如图7所示，所述下固定式水平翼14焊接在距离水下航行器1底面大约1/4的位置处；下固定式水平翼14的两侧面各有两个第三螺纹孔36，第三螺纹孔36与水平凸台25上的通孔一起，通过圆柱螺纹轴16、第三螺母17以及平第三垫圈18将下固定式水平翼14与右侧固定式垂直翼2和左侧固定式垂直翼11紧固连接。

如图8所示，所述圆角矩形特种橡胶垫片37的结构外形尺寸与可旋转式水平翼10上的圆角矩形凹槽29相同，且圆角矩形特种橡胶垫片37设有第一通孔38，第一通孔38的尺寸与可旋转式水平翼10上的第三圆形通孔28大小相同；圆角矩形特种橡胶垫片37设有第一圆弧形槽39，第一圆弧形槽39形状尺寸与固定式水平翼6上的第二圆弧形凹槽31相同；

如图9所示，所述圆柱形特种橡胶垫片40的结构外形尺寸与可旋转式垂直翼15上的圆柱形凹槽19相同，且圆柱形特种橡胶垫片40设有第二通孔41，第二通孔41的尺寸与可旋转式垂直翼15上的第一圆形通孔20大小相同；圆柱形特种橡胶垫片40设有第二圆弧形槽42，第二圆弧形槽42形状尺寸与右侧固定式垂直翼2上的第一圆弧形凹槽24相同。

上述圆角矩形特种橡胶垫片37、圆柱形特种橡胶垫片40的参数如下：厚度为1.5cm，比重为ρ＝1.04×10³kg/m³，弹性模量1.5～1.8mpa，力的回弹性大于60％。

如图10所示，上固定式水平翼6与可旋转式水平翼10之间通过第二圆柱芯轴7、第二螺母8、第二平垫圈9、圆角矩形特种橡胶垫片37连接，使可旋转式水平翼10可绕上固定式水平翼6转动；上固定式水平翼6与右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11通过圆柱螺纹轴、螺母、平垫片固连；右侧固定式垂直翼2与右侧可旋转式垂直翼15之间通过第一圆柱芯轴3、第一螺母4、第一平垫圈5、圆柱形特种橡胶垫片40连接，使右侧可旋转式垂直翼15可绕右侧固定式垂直翼2转动；左侧固定式垂直翼11与左侧可旋转式垂直翼13之间通过圆柱芯轴、螺母、圆形橡胶垫片连接，使左侧可旋转式垂直翼13可绕左侧固定式垂直翼11转动。

所述的右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13、上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14、可旋转式水平翼10均使用流线型翼型设计，采用naca标准翼型。

所述可旋转式水平翼10与上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14之间，右侧可旋转式垂直翼15与右侧固定式垂直翼2之间，左侧可旋转式垂直翼13与左侧固定式垂直翼11之间接触部位采用的特种橡胶垫片，卸载后能快速恢复原状的特种橡胶，特种橡胶垫片与可旋转式水平翼10、右侧可旋转式垂直翼15、左侧可旋转式垂直翼13之间通过胶粘固连，橡胶垫片与上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14、右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11的接触面覆盖一层超薄不锈钢片，与上固定式水平翼6、中固定式水平翼12、下固定式水平翼14、右侧固定式垂直翼2、左侧固定式垂直翼11的摩擦系数为0.24。

本发明通过旋转翼绕芯轴的转动，能够有效抑制不同方向的来流引发的涡激振动，适合在海洋等来流方向频繁变化的环境中应用。