一种实验用平板阻力测试装置的制作方法

本发明涉及一种实验用平板阻力测试装置，具体涉及一种能够准确测量不同粗糙度、不同涂层的平板在水中摩擦阻力的测试装置。

背景技术：

在船体快速性设计领域，准确测试平板在水中的摩擦阻力是计算船体表面摩擦阻力的基础。实验测量中要将平板放置在静水中以确定的速度运动，或将平板放置在流速均匀、平稳、确定的水槽中，测量此时的平板总阻力。实验中要保证水流速度方向平行于平板。而实际测得总阻力中摩擦阻力仅仅是其中的一部分的，还包括其他阻力分量，如：由于平板厚度引起的粘压阻力、附件引起的附加阻力以及水面上形成的兴波阻力。

由于实验中的摩擦阻力数值很小，从而导致准确测量平板摩擦阻力是非常困难的，主要影响因素有如下几个方面：第一，实验中其他阻力分量是不可避免的，即使其他阻力分量的数值很小也会造成较大的误差；第二，实验需要的测力仪必须量程小、精度高，现有技术中能够满足前述要求的测力仪很少；第三，实验中实验架的振动、倾斜以及浮力作用都会影响测量结果的准确性。

技术实现要素：

本申请针对现有技术中的存在的缺陷，提供一种实验用平板阻力测试装置，其可以根据预先根据实验得出的实验平板阻力-应变值的标准曲线，由实验中测得的应变值方便得出平板受到的阻力值。

本发明的技术方案如下：

一种实验用平板阻力测试装置，该测试装置包括从上至下依次安装的实验用支架，测力计和实验平板三部分，测力计与实验用支架和实验平板之间均采用柔性连接的方式；所述测力计的宽度不小于实验平板的宽度；所述实验平板竖直吊装，下端部分浸入水面以下；所述实验平板的导边和随边呈楔形，以减少粘压阻力；所述测力计由上刚性梁、下刚性梁、应变片和安装在上、下刚性梁两端之间的两个弹性钢片组成，将弹性钢片通过螺栓紧固在上、下刚性梁的两端，所述弹性钢片上设置应变片，所述应变片采用全桥连接方式，避免两个弹性钢片受力不均引起的测量误差。

其进一步技术方案为：

所述应变片设置在距离弹性钢片上下两端15-30%弹性钢片高度的位置，优选设置在距离弹性钢片上下两端25%弹性钢片高度的位置，即应变片间距h约为弹性钢片总长h的一半。

所述实验平板采用两点吊装，吊装位置分别距离导边和随边实验平板长度15%-25%的位置，避免实验平板在重力作用下的变形，以及出现水动力激振现象。

所述实验平板采用厚度为3-8mm的薄钢板，优选4mm厚的薄钢板，以减小兴波阻力。

所述上刚性梁或下刚性梁采用方钢或槽钢。

所述实验平板采用线切割的方式加工，避免热变形。

实验平板的长度为500-2000mm，宽度为300-1500mm。

所述的柔性连接方式为挂钩、吊环或活动螺栓。

本发明的技术效果：本发明申请所述的实验用平板阻力测试装置，能够通过减小平板厚度，来降低因厚度引起的粘压阻力和在水面引起的兴波阻力，甚至对粘压阻力和兴波阻力可以忽略不计；另外，本装置在水下部分没有设置任何附件，从而避免产生附体阻力；在实验前，对平板阻力测试装置进行调零，可以减小平板的小角度倾斜与其自身的浮力与重力引起的测量误差。此外，本装置还可以应用于在表面进行不同粗糙度处理或喷刷各种涂层的平板的阻力测试，并且能够根据实际需求对弹性钢片进行更换，从而保证量程适当。

附图说明

图1为平板阻力测试装置的结构示意图；

图2为实验平板的导边或随边形状示意图；

图3为测力计在外力作用下变形的示意图；

图4为弹性钢片及应变片的结构示意图；

图5为应变片的全桥连接方式示意图。

图6为阻力-应变值的标准曲线。

附图标记说明：1实验架，2螺栓，3上刚性梁，4弹性钢片，5下刚性梁，6挂钩，7实验平板，8水面线，9实验平板随边，10实验平板导边，11应变片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明申请的技术方案进行说明。

实验平板阻力-应变值的标准曲线的制作。

在空气中，通过滑轮、细线、砝码对实验平板施加一定的力，可测得相应的应变值。根据实验需要测得一组砝码重力与相应的应变值。实验中测得应变值后，根据预先得到的实验平板阻力和应变值的对应关系，得到实验平板的阻力。

阻力计算公式:r=1/2*cρv²2s（出自《船舶原理》教材）

r=cρv²s

其中s为实验平板上表面的面积（㎡），v为水的流速（m/s），ρ为水的密度（kg/m³），c为阻力系数。

首先涉及应力量σ，其相关关系为eε=σ，这是胡克定律；另一个为σ=m/（bt²/6），是矩形梁在弯矩作用下的应力公式，其中m为当地力矩。在本发明中，力矩m=（r/2）×（h/2），r/2是因为阻力由两个测力计均摊，h/2是实际有效力臂。从而得出公式2eεbt²=3rh是根据力学公式推导而来的，从而得到阻力r和应变ε之间的关系：r=（2e/3*bt²/h）*ε。

根据表1中的一系列r和με值得到如附图6中的标准曲线，从而可以很方便的根据应变值ε得到相应的阻力r的值。

表1标准曲线的数据列表。

实施例1

一种实验用平板阻力测试装置，该测试装置包括从上至下依次安装的实验用支架，测力计和实验平板三部分，测力计与实验用支架和实验平板之间均采用挂钩连接；所述测力计的宽度不小于实验平板的宽度；实验平板的长度为1000mm，宽度为700mm，厚4mm的薄钢板，以减小兴波阻力。所述实验平板采用两点吊装的方式竖直吊装在测力计的下端，避免实验平板在重力作用下的变形，以及出现水动力激振现象。吊装位置分别距离导边和随边实验平板长度25%的位置，即50mm，实验平板的下端部分浸入水面以下，100mm露出水面；实验平板两侧的导边和随边打磨成楔形，以减少粘压阻力；所述测力计由上刚性梁、下刚性梁和安装在上、下刚性梁两端之间的两个弹性钢片组成，将弹性钢片通过螺栓紧固在上、下刚性梁的两端，上刚性梁或下刚性梁采用方钢，在阻力作用下，上、下刚性梁几乎不变形，弹性钢片产生s变形，如图3所示。通过测量弹性钢片变形引起的应变来得到阻力值。所述弹性钢片上设置四个应变片，应变片设置在距离弹性钢片上下两端25%弹性钢片高度的位置，所述应变片采用全桥方式连接，从而避免两个弹性钢片受力不均引起的测量误差。将应变片与外设的应变仪连接，从而获得应变值。为了避免热变形，实验平板采用线切割的方式加工。测力计通过活动螺栓或挂钩吊装在实验架上。

其中阻力的计算方法如下：

一般阻力计算公式r=cρv²s，其中s为实验平板上表面的面积（㎡），v为水的流速（m/s），ρ为水的密度（kg/m³），c为阻力系数。

在本实施例中，流速v为2m/s，实验平板面积为s=1.0×0.7=0.7㎡，水的密度为ρ=1000kg/m³，c取值0.04，则r=112n；

对于本发明中的测力计，同样根据公式2eεbt²=3rh得到弹性钢片的宽度b，厚度t和两个应变片间距为h的尺寸关系，其中，弹性钢片所采用的不锈钢弹性模量e=200gpa，应变ε的目标值为100×10^-6，以保证测量精度，得尺寸关系bt²/h的值为8.4mm²；

选b=15mm，t=5mm，则h=45mm，弹性钢片长度h可选为应变片间距h的2倍，即选定弹性钢片长90mm。

如图4所示，弹性钢片的宽度为b，厚度为t，两个应变片间距为h，三个参数的确定方法为：首先，估算阻力r，设流速为v，实验平板面积为s，水的密度为ρ，则阻力r=cρv²s，其中c的取值范围在0.01~0.04之间；然后，选取应变ε的目标值，范围为50×10^-6~200×10^-6之间；阻力r、应变ε确定后，查得弹性钢片的弹性模量e，可根据公式2eεbt²=3rh，得bt²/h的值；保证b大于8mm；调整t，保证b是t的3~5倍；根据b和t来确定两个应变片间距h。

实施例2

一种实验用平板阻力测试装置，该测试装置包括从上至下依次安装的实验用支架，测力计和实验平板三部分，测力计与实验用支架和实验平板之间均采用吊环连接；所述测力计的宽度不小于实验平板的宽度；实验平板的长度为2000mm，宽度为1500mm，厚8mm的薄钢板，以减小兴波阻力。所述实验平板采用两点吊装的方式竖直吊装在测力计的下端，避免实验平板在重力作用下的变形，以及出现水动力激振现象。吊装位置分别距离导边和随边实验平板长度20%的位置，即400mm，实验平板的下端部分浸入水面以下；实验平板两侧的导边和随边打磨成楔形，以减少粘压阻力；所述测力计由上刚性梁、下刚性梁和安装在上、下刚性梁两端之间的两个弹性钢片组成，将弹性钢片通过螺栓紧固在上、下刚性梁的两端，上刚性梁或下刚性梁采用槽钢，在阻力作用下，上、下刚性梁几乎不变形，弹性钢片产生s变形，如图3所示。通过测量弹性钢片变形引起的应变来得到阻力值。所述弹性钢片上设置四个应变片，应变片设置在距离弹性钢片上下两端30%弹性钢片高度的位置，所述应变片采用全桥方式连接，从而避免两个弹性钢片受力不均引起的测量误差。将应变片与外设的应变仪连接，从而获得应变值。为了避免热变形，实验平板采用线切割的方式加工。测力计通过活动螺栓或吊环吊装在实验架上。阻力的计算方法同实施例1。

实施例3

一种实验用平板阻力测试装置，该测试装置包括从上至下依次安装的实验用支架，测力计和实验平板三部分，测力计与实验用支架和实验平板之间均采用挂钩连接；所述测力计的宽度不小于实验平板的宽度；实验平板的长度为500mm，宽度为300mm，厚3mm的薄钢板，以减小兴波阻力。所述实验平板采用两点吊装的方式竖直吊装在测力计的下端，避免实验平板在重力作用下的变形，以及出现水动力激振现象。吊装位置分别距离导边和随边实验平板长度15%的位置，即75mm，实验平板的下端部分浸入水面以下；实验平板两侧的导边和随边打磨成楔形，以减少粘压阻力；所述测力计由上刚性梁、下刚性梁和安装在上、下刚性梁两端之间的两个弹性钢片组成，将弹性钢片通过螺栓紧固在上、下刚性梁的两端，上刚性梁或下刚性梁采用方钢，在阻力作用下，上、下刚性梁几乎不变形，弹性钢片产生s变形，如图3所示。通过测量弹性钢片变形引起的应变来得到阻力值。所述弹性钢片上设置四个应变片，应变片设置在距离弹性钢片上下两端15%弹性钢片高度的位置，所述应变片采用全桥方式连接，从而避免两个弹性钢片受力不均引起的测量误差。将应变片与外设的应变仪连接，从而获得应变值。为了避免热变形，实验平板采用线切割的方式加工。测力计通过活动螺栓或挂钩吊装在实验架上。阻力的计算方法同实施例1。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。