一种基于二自由度的新型水面拖曳试验装置平台的制作方法

本发明属于水动力实验模拟试验技术领域，具体涉及一种基于二自由度的新型水面拖曳试验装置平台。

背景技术：

随着现代技术的快速发展，以及国家对各类科研机构的支持，军用舰艇、潜艇、军用飞机等重大设备以及涉及民用的船舶、载客飞机以及设下民用设备均得到了快速发展，在新的设备研发、验证、取证等过程中，水动力实验起着重大的作用。水动力实验模拟系统技术领域的进一步发展，决定着国家重大设备的研发与应用进程。目前，拥有亚洲最长、速度最高的水动力实验室为中国特种飞行器研究所(六〇五所)高速水动力实验室，在展开相关型号的水动力水载荷试验，水面水阻力限自由度拖曳试验，水面定姿态迫降投放试验等试验过程中，主要采用绳端挂砝码卸载，采用深沉杆限位保证上下自由运动，特定工装定位保证单一试验偏航与俯仰。针对目前实验条件，存在不足之处为：(1)目前常规的拖曳试验平台卸载荷试验平台卸重砝码置于木箱中悬拉在绳索上，拖车运行过程中，配重箱摇摆运动，在速度较高的工况下最大摇摆幅度可达到45度左右，严重影响试验卸载数据的准确性，高速摇摆运动也存在较高的安全隐患；(2)目前常规拖曳试验平台的偏航与俯仰试验工装夹具具有单一性，偏航主要采用孔位定位板，俯仰主要采用垫升确保角度，不具有普遍适应性，成本较高，试验刚性与角度调节精准性不能得到较好的保证；(3)目前常规的拖曳试验平台模型拖曳试验，仅为深沉杆与模型相连，在高速拖曳过程中，刚性较差，影响试验结果的准确性。

技术实现要素：

发明目的

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二自由度的新型水面拖曳试验装置平台。

发明技术解决方案

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于二自由度的新型水面拖曳试验装置平台，包括定向卸载装置系统、竖向龙骨梁结构、二自由度测力系统、八爪刚性加强系统、拖车车桥、试验模型；

其中卸载装置系统包括下端悬拉绳，两根竖直设置的下端悬拉绳下端固定在八爪刚性加强系统上端，上端固定在刚性轻质板两端底部；上端悬拉绳一端连接于刚性轻质板顶部，经定滑轮换向，另一端固定在垂向卸载装置上端；定滑轮紧固于拖车顶部；

所述的垂向卸载装置，包括配重容器，配重容器外壁设置有若干与外设置于配重容器外的垂直导向圆筒内壁滚动配合的垂向滚动轮，竖直设置的定位螺杆底端固定连接于配重容器内底面，定位螺杆上设置有若干配重块，紧锁螺母将紧锁配重块锁紧；若干卸载绳底端均布固定于配重容器上边缘，上端固定为一股与上端悬拉绳绳结固定；垂直导向圆筒底部固定连接固定底座，固定底座与拖车车桥螺栓连接紧固；本垂直卸载方式，为针对水动力及气动试验进行了创新性进行设计，使本新型水面拖曳试验装置平台误差减小30％左右；

所述的竖向龙骨梁结构，包括主梁固定板，主梁固定板两端连接于拖车车桥上端；主梁固定板上方设置有电机；主梁固定板下方设置有连接板，主梁固定板与连接板之间设置有转轴套筒，连接板底面连接四根型材方钢；型材方钢下端与刚性三角焊接紧固，刚性三角侧面与线性滚子轴承螺栓紧固；连接板底部连接有电磁钩；所述的钢丝绳上端连接电磁钩底端，下端连接二自由度测力系统；所述的电机轴底端与上端法兰盖螺栓紧固；所述的转轴套筒与电机轴键锁合，转轴套筒上端与上端法兰端盖螺栓紧固；推力轴承下端面与主梁固定板螺栓紧固；推力轴承上端面与上端法兰端盖螺栓紧固；偏航转动过程中，推力轴承上端面、上端法兰盖与电机轴同步转动；上端法兰盖下端为法兰边，具有通孔，在偏航角转动到一定角度时，可以利用螺栓通过法兰边通孔与主梁固定板上的定位螺纹孔紧锁；本竖向龙骨结构，为针对模型水动力与气动试验设计，打破了常规拖车车桥简单设计，使本新型水面拖曳试验装置平台具有偏转角自由调节、固定紧锁功能，以及模型抛投功能，本平台具有高度的适应性与半自动特性。

二自由度测力系统包括竖直穿过刚性三角的刚性圆管，刚性圆管上、下端由双头卡圈两端的孔型卡爪卡住，双头卡圈于连接钢丝绳下端；刚性圆管下端的双头卡圈可拆卸连接于天平转接板上；天平转接板上端面与刚性圆管下端的双头卡圈贴合，下端面与六分力天平上端面贴合；上俯仰调节支座上端面与六分力天平可拆卸连接，两侧通过螺纹孔与螺纹顶杆螺纹连接；下俯仰调节支座与上俯仰调节支座可相对转动并通过销轴连接；本二自由度测力系统结构使本本新型水面拖曳试验装置平台不仅具有常规的采用竖直方向自由运动功能，而且具有较高精度的俯仰角度可调功能，并将测力天平、俯仰结构以及竖向运动结构融为一体，较高的提高了水动与气动试验的效率与准确性。

八爪刚性加强系统结构包括若干可伸缩的刚性紧锁关节，其中两根刚性紧锁关节上端设置有上卡圈转接座，上卡圈转接座上的二自由度卡孔与刚性圆管上端配合，上卡圈转接座上的前转动支座通过关节销轴孔ⅱ与刚性紧锁关节一端耳片进行螺栓紧锁；刚性紧锁关节下端通过关节卡圈支座夹紧模型龙骨；该两根刚性紧锁关节与模型龙骨构成三角形；刚性紧锁关节上套设有加长套筒，加长套筒双端面为法兰面；还包括若干通过关节卡圈支座一端连接至刚性紧锁关节一端连接至模型龙骨的竖直设置的刚性紧锁关节，竖直设置的刚性紧锁关节上套设有螺纹套筒，本八爪刚性加强系统结构，采用了可伸缩的刚性紧锁关节，较好的提高了本新型水面拖曳试验装置平台试验模型的强度与刚性，并具有高度的适应性，通用性，提高了整个试验的效率以及试验数据的准确性。

优选的，关节卡圈支座包括上转动支座，上转动支座上的关节销轴孔ⅰ紧锁刚性紧锁关节一端耳片；上转动支座下部设置有上端卡圈和下端卡圈，上端卡圈和下端卡圈形成的龙骨卡孔夹紧模型龙骨。

优选的，上俯仰调节支座包括支座上端面、若干上支座俯仰角定位孔、上支座转动轴孔，上支座俯仰角定位孔以上支座转动轴孔为中心均匀分布；下俯仰调节支座包括与上支座俯仰角定位孔位置对应的下支座俯仰角定位孔、支座下端面、与上支座转动轴孔位置对应的下支座转动轴孔；上支座俯仰角定位孔、下支座俯仰角定位孔、上支座转动轴孔与下支座转动轴孔均通过销轴连接。

优选的，下端悬拉绳和上端悬拉绳采用刚性轻质绳索。

优选的，刚性轻质板采用pla材料经3d打印而成，内部为蜂窝结构。

优选的，垂向滚动轮共八个，上下各四个，且均布。

优选的，配重块为圆环状且重量定额。

优选的，刚性圆管采用碳管或金属圆管。

本发明的优点

本发明的优点在于：

(1)本发明新型水面拖曳试验装置平台利用定向卸载系统中的垂向卸载装置，避免了目前常规设计中卸载砝码在运动时做摇摆运动，以及摇摆运动中配重块的滑动，较好的提高了卸载精度，从而提高了升阻力、升沉高度测量值的准确性，当摇摆最大幅度达45°时，本新型水面拖曳试验装置平台最大卸载误差可以降低30％左右。

(2)本发明专利新型水面拖曳试验装置平台的竖向龙骨梁结构具有高度的可控旋转偏航、角度精准定位、可控投放模型功能，避免了偏航角试验换工况过程中需重新拆卸模型，重新定位安装，较好的提高了试验工作效率。

(3)本发明新型水面拖曳试验装置平台的二自由度测力系统，具有上下深沉运动以及俯仰运动，俯仰运动可以精确角度定位，刚性锁紧，精确定位模型俯仰角展开试验。

(4)其中本发明新型水面拖曳试验装置平台八爪刚性加强系统具有高度的灵活性与可变性特性，利用螺纹套筒正旋与反旋螺纹同步伸缩调节长短并锁紧，利用关节卡圈支座与上卡圈转接座，自由调节杆与杆间的固定角度，较好的提高了试验模型的刚性特性与不同模型试验的适应性、通用性，可满足不同试验工况需求

附图说明

图1为本发明的系统装置整体结构示意图。

图2为定向卸载装置系统结构示意图。

图3为垂向卸载结构示意图。

图4为竖向龙骨结构示意图。

图5为竖向龙骨上部结构示意图。

图6为二自由度测力系统结构示意图。

图7为二自由度测力系统下部结构示意图。

图8为下俯仰调节支座结构示意图。

图9为下俯仰调节支座结构示意图。

图10为八爪刚性加强系统结构示意图。

图11为关节卡圈支座结构示意图。

图12为上卡圈支座结构示意图。

具体实施方式

结合发明内容概述和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

如图1～12所示，一种基于二自由度的新型水面拖曳试验装置平台，包括定向卸载装置系统1、竖向龙骨梁结构2、二自由度测力系统3、八爪刚性加强系统4、拖车车桥5、试验模型6等结构。其中所述的定向卸载装置系统1用于试验模型的卸载，模拟升力大小以及模型质量调节，避免了目前常规设计中卸载砝码在运动时做摇摆运动，以及摇摆运动中配重块的滑动，较好的提高了卸载精度；所述的竖向龙骨梁结构2的作用为：(1)用于提供运动方向主推力，并保证好整体强度与刚性，(2)用于偏航角控制转动调节，并定角度紧固锁紧，(3)用于电磁投放作用，较好的适应迫降水载荷试验需求，(4)用于安装二自由度装置，使二自由度测力系统具有上下自由运动功能；具有高度的可控旋转偏航、角度精准定位、可控投放模型功能。所述的二自由度测力系统3主要作用为：(1)具有上下自由深沉运动，保证试验模型运动过程中上下运动自由；(2)具有俯仰调节，可以精确的定位模型俯仰角度；(3)紧固安装成品六分力天平，可以较好的保证测力天平在系统的中轴线上。所述的八爪刚性加强系统4主要作用为：(1)紧锁模型龙骨，加强整体模型试验强度与刚度；(2)固定，紧锁二自由度，保证模型与二自由度为一体，具有上下自由运动与俯仰调节运动；(3)八爪刚性结构具有高度自由调节，伸缩固定紧锁，以及旋转关节，专业紧锁加强作用的高度适应性与通用性。具有高度的灵活性与可变性特性，利用螺纹套筒正旋与反旋螺纹同步伸缩调节长短并锁紧，利用关节卡圈支座与上卡圈转接座，自由调节杆与杆间的固定角度；所述的拖车车桥5为高速拖车的局部结构，为两根方钢组成；所述的试验模型6为不同试验对象模型。

如图2所示，其中所述的定向卸载装置系统，用于试验模型的卸载，模拟升力大小以及模型质量调节，其中升力模拟在飞行器单船身试验中较为常规试验方法；包括悬拉绳，悬拉绳为刚性轻质绳索，避免自身弹性影响试验结构，等长的两根下端悬拉绳1-1下端固定在八爪刚性加强系统4上，上端固定在刚性轻质板1-2两侧，并保证两下端悬拉绳1-1的平行性与垂直度，刚性轻质板1-2顶部连接上端悬拉绳1-1，上端悬拉绳1-1经定滑轮1-3换向后固定在垂向卸载装置1-4上端。

如图3所示，其中所述的垂向卸载装置1-4包括配重容器1-4-1、定位螺杆1-4-2、锁紧螺母1-4-3、垂向滚动轮1-4-4、固定底座1-4-5、卸载拉绳1-4-6、垂向导向圆筒1-4-7、配重块1-4-8等结构。其中配重容器1-4-1为轻质铝合金材料加工成的桶状结构，外壁上下两层共布有八个垂向滚动轮1-4-4，上下各四个，且均布，与垂直导向圆筒1-4-7滚动配合，使配重容器1-4-1在垂直导向圆筒1-4-7内部垂向上下滚动。定位螺杆1-4-2一端焊接于配重容器1-4-1的底部。配重块1-4-8为圆环状且重量定额，与定位螺杆1-4-2配合，固定于配重容器1-4-1中并由螺纹连接于定位螺杆1-4-2上的定位螺母1-4-3紧锁，完全限制自由度。卸载拉绳1-4-6均分四段，一端均布固定于配重容器1-4-1上边缘孔中，另一端四段固定为一股与悬拉绳绳结固定。固定底座1-4-5为垂直导向圆筒1-4-7下底座，与垂直导向圆筒1-4-7焊接紧固，保证垂直导向圆筒1-4-1的垂直度，固定底座1-4-5与拖车车桥5螺栓连接紧固，具有较好的刚性。

如图4、5所示，竖向龙骨结构2包括主梁固定板2-1，主梁固定板2-1中间有通孔，两端螺栓紧固于拖车车桥5上端，主梁固定板2-1上端与推力轴承2-12下端面螺栓紧固，主梁固定板2-1上端具有定位螺纹孔；连接板2-2上端与2-11转轴套筒焊接紧固，下端转接四根型材方钢2-3焊接紧固，具有较强的强度与刚度；型材方钢2-3为标准型材，成本较低，型材方钢2-3下端与刚性三角2-7焊接紧固；刚性三角结构2-7为焊接件，侧面与线性滚子轴承2-4螺栓紧固；线性滚子轴承2-4为内部附有滚珠的孔型结构，具有上下滚动功能；连接板2-2底面连接有电磁钩2-5，电磁钩2-5为电磁控制的脱钩器，在速度达到指定速度与平稳要求，控制脱钩，模型着水上下自由运动；钢丝绳2-6采用刚性较好，弹性较差型，上端连接电磁钩2-5底端，下端连接二自由度测力系统3，脱钩时钢丝绳2-6上端脱离电磁钩2-5；所述的步进电机2-8为脉冲信号控制角位移的开环控制电机，置于竖向龙骨结构2上端，控制竖向龙骨结构2偏航角的精确调节；所述的电机轴2-9底端与上端法兰盖2-14螺栓紧固；所述的圆柱滚子2-10为推力轴承内部滚动件，具有较好的承力作用；转轴套筒2-11与电机轴2-9键锁合，转轴套筒2-11上端与上端法兰端盖2-14螺栓紧固；推力轴承2-12下端面与主梁固定板2-1螺栓紧固，偏航转动过程中为固定不动件；所述的推力轴承上端面2-13与上端法兰端盖2-14螺栓紧固，偏航转动过程与电机轴同步转动；所述的上端法兰端盖2-14与推力轴承上端面螺栓相连，偏航转动过程与电机轴同步转动，上端法兰盖2-14下端为法兰边，具有通孔，在偏航角转动到一定角度时，可以利用螺栓通过法兰边通孔与主梁上端的定位螺纹孔紧锁，可以较好的控制偏航角大小。

如图6～9所示，二自由度测力系统3包括双头卡圈3-1，双头卡圈3-1两端具有孔型卡爪，可以通过螺栓收紧，卡住两根竖直设置的刚性圆管3-2，具有便捷的安装特性与拆卸特性，提高整体的刚性；所述的刚性圆管3-2可为碳管或金属圆管，上端连接一个双头卡圈3-1，下端连接两个卡圈3-1；长螺栓3-3上端与位于刚性圆管3-2下端的两个双头卡圈3-1螺栓紧固，下端与天平转接板3-4螺栓紧固；天平转接板3-4上端面与最下端的双头卡圈3-1下端面贴合，保证基准面，天平转接板3-4下端具有螺栓沉孔，通过长螺栓3-3与双头卡圈3-1紧固相连，并且天平转接板3-4下端面与六分力天平3-6上端面贴合，保证基准面与刚性圆管3-2的垂直度；所述的六分力天平3-6为测力传感器；所述的俯仰调节结构包含上俯仰调节支座3-7、螺纹顶杆3-8、底座转接板3-9、角度调节销轴3-10、俯仰调节转动轴3-11、下俯仰调节支座3-12等组成，具有上下俯仰角精准调节与定位功能；所述的上俯仰调节支座3-7包括支座上端面3-15、上支座俯仰角定位孔3-13、上支座转动轴孔3-14，上俯仰调节支座3-7上端面与六分力天平3-6螺栓紧固连接，两侧通过螺纹孔与螺纹顶杆3-8螺纹连接；所述的下俯仰调节支座3-12，包括下支座俯仰角定位孔3-16、支座下端面3-18、下支座转动轴孔3-17，下支座俯仰角定位孔3-16与上支座俯仰角定位孔3-13一一对应，销轴紧锁，定量调节俯仰角度；上支座转动轴孔3-14与下支座转动轴孔3-17通过销轴连接，使上、下俯仰调节支座通过俯仰调节转动轴3-11连为一体。底座转接板3-9设置于下俯仰调节支座3-12底部，通过螺纹顶杆3-8与上俯仰调节支座3-7连接。模型角钢3-5设置于底座转接板3-9底部，为模型内部链接骨架，与俯仰调节结构紧固。

如图10～12所示，二自由度测力系统结构4包括若干可伸缩的刚性紧锁关节4-4，其中两根刚性紧锁关节4-4上端设置有上卡圈转接座4-3，上卡圈转接座4-3上的二自由度卡孔4-3-1与刚性圆管3-2上端配合，二自由度卡孔4-3-1由收紧螺栓孔4-3-3进行螺栓紧锁；上卡圈转接座4-3上的前转动支座4-3-2通过关节销轴孔ⅱ4-3-3与刚性紧锁关节4-4一端耳片进行螺栓紧锁；刚性紧锁关节4-4下端通过关节卡圈支座4-2夹紧模型龙骨4-6；该两根刚性紧锁关节4-4与模型龙骨4-6构成三角形；刚性紧锁关节4-4上套设有加长套筒4-1，加长套筒4-1双端面为法兰面，便于刚性紧锁关节4-4的伸缩调节，增大调节幅度，具有较大调节自由度；还包括若干通过关节卡圈支座4-2一端连接至刚性紧锁关节4-4一端连接至模型龙骨4-6的竖直设置的刚性紧锁关节4-4，竖直设置的刚性紧锁关节4-4上套设有螺纹套筒。关节卡圈支座4-2包括上转动支座4-2-1、上端卡圈4-2-2、下端卡圈4-2-3、关节销轴孔ⅰ4-2-5，利用上端卡圈4-2-2与下端卡圈4-2-3形成的龙骨卡孔4-2-4夹紧模型龙骨4-6，螺栓紧锁固定，利用上转动支座4-2-1通过关节销轴孔ⅰ4-2-5紧锁4-4刚性紧锁关节4-4一端耳片。

本发明利用定向卸载系统中的垂向卸载装置，避免了目前常规设计中卸载砝码在运动时做摇摆运动，导致卸载载荷不准确，处于动态改变状态，以及摇摆运动中配重块的滑动，卸载过程产生冲击，增大卸载载荷误差，影响试验模型运动姿态，较大的提高试验误差。本发明能较好的提高了卸载精度，从而提高了升阻力、升沉高度等测量值的准确性，当摇摆最大幅度达45°时，本新型水面拖曳试验装置平台最大卸载误差可以降低30％左右。本发明专利竖向龙骨梁结构具有高度的可控旋转偏航、角度精准定位、可控投放模型功能，避免了偏航角试验换工况过程中需重新拆卸模型，重新定位安装，较好的提高了试验工作效率。本发明的二自由度测力系统，具有上下深沉运动以及俯仰运动，俯仰运动可以精确角度定位，刚性锁紧，精确定位模型俯仰角展开试验。其中八爪刚性加强系统具有高度的灵活性与可变性特性，利用螺纹套筒正旋与反旋螺纹同步伸缩调节长短并锁紧，利用关节卡圈支座与上卡圈转接座，自由调节杆与杆间的固定角度，较好的提高了试验模型的刚性特性与不同模型试验的适应性、通用性，可满足不同试验工况需求。