一种水下航行体模型脉动载荷测试装置及测试方法

1.本发明属于船舶与海洋工程测试领域，特别是涉及一种水下航行体模型脉动载荷测试装置及测试方法。


背景技术：

2.水下航行体在潜航时的振动及流激噪声情况对其声隐身性研究具有重要的意义。通过水下航行体模型脉动载荷试验测量得到其表面的脉动压力及振动加速度响应，可以分析其流激噪声的形成与传播规律，这对于降低水下航行体流激噪声，提高其隐蔽性和航行安全性具有指导意义。同时，进行水下航行体流激试验能够提前发现船舶结构设计中存在的声学问题，对于船舶声学设计起到事半功倍的作用。
3.循环水槽是由振荡机构、驱动电机控制系统和数据采集系统组成的大型试验设备。操作者可通过流速控制台向驱动电机发送指令，调整电机转速，从而获得所需流速进行流激试验，同时实现水槽中水的循环利用。循环水槽具有流速控制效果好，工作段尺寸大等一系列优点,是水下模型试验的常用设备。因此，基于循环水槽开发设计水下航行体模型脉动载荷测试装置具有广阔的应用前景和巨大的应用价值。
4.通过对现有技术的文献检索，没有发现关于循环水槽中水下结构脉动载荷测试装置及测试方法相关的技术。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种水下航行体模型脉动载荷测试装置及测试方法，以解决背景技术中存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种水下航行体模型脉动载荷测试装置，它包括水下航行体模型、循环水槽、连接部件、支撑部件和固定部件，所述连接部件包括首部连接杆和尾部连接杆，所述首部连接杆和尾部连接杆分别设置在水下航行体模型顶部的首尾两侧，所述首部连接杆和尾部连接杆均与支撑部件相连，所述支撑部件通过固定部件与循环水槽的侧壁相连，所述水下航行体模型首部朝向循环水槽的来流方向，所述水下航行体模型上设置有围壳，所述围壳沿竖置方向向上设置，所述围壳设置在首部连接杆和尾部连接杆之间，所述围壳外侧套设有整流罩，所述水下航行体模型上设置有加速度传感器和压力传感器。
7.更进一步的，所述支撑部件包括首部支撑杆和尾部支撑杆，所述首部支撑杆与首部连接杆垂直连接，所述尾部支撑杆与尾部连接杆垂直连接，所述首部支撑杆和尾部支撑杆分别通过固定部件与循环水槽的侧壁相连。
8.更进一步的，所述固定部件包括固定铁块和g型木工夹，所述首部支撑杆和尾部支撑杆两端均设置有固定铁块，所述g型木工夹夹紧固定铁块与循环水槽的侧壁边缘。
9.更进一步的，所述水下航行体模型外表面设置有压力传感器螺纹孔，所述水下航行体模型底部设置有传感器安装大开口，所述水下航行体模型内部设置有加速度传感器螺
柱，所述压力传感器通过压力传感器螺纹孔与水下航行体模型外表面相连，所述加速度传感器通过传感器安装大开口安装在加速度传感器螺柱上。
10.更进一步的，所述传感器安装大开口外侧设置有曲板，所述水下航行体模型、整流罩和曲板上均设有螺纹孔，所述整流罩和曲板均通过螺纹孔与螺钉的配合与水下航行体模型相连，所述传感器安装大开口与曲板之间及整流罩与水下航行体模型之间均设置有橡胶垫片。
11.更进一步的，所述压力传感器和加速度传感器的电缆通过围壳和整流罩穿出。
12.更进一步的，所述水下航行体模型顶部设置有连接杆螺纹孔，所述首部连接杆和尾部连接杆底端均设有连接螺纹，所述连接螺纹和连接杆螺纹孔配合相连。
13.更进一步的，所述首部连接杆上开设有支撑孔，所述尾部连接杆上开设有长圆形支撑孔，所述支撑孔和长圆形支撑孔均正对循环水槽的侧壁，所述首部支撑杆穿过支撑孔，所述尾部支撑杆穿过长圆形支撑孔，所述尾部支撑杆上设置有螺纹，通过螺纹与六角螺母的配合将尾部支撑杆与尾部连接杆的位置固定，所述长圆形支撑孔一侧设置有刻度线。
14.更进一步的，所述首部连接杆、尾部连接杆、首部支撑杆和尾部支撑杆均为空心管结构，所述首部连接杆和尾部连接杆的横截面为流线型。
15.本发明还包括一种水下航行体模型脉动载荷测试方法，它包括以下步骤：
16.步骤1：将压力传感器和加速度传感器通过压力传感器螺纹孔和加速度传感器螺柱安装在水下航行体模型预定位置，封闭传感器安装大开口，并在围壳上固定整流罩；
17.步骤2：将首部连接杆和尾部连接杆与水下航行体模型固定，首部支撑杆和尾部支撑杆分别穿过支撑孔和长圆形支撑孔，将尾部支撑杆拧紧固定，支撑部件横跨在循环水槽侧壁上，通过固定部件将支撑部件固定在循环水槽上；
18.步骤3：利用循环水槽流速控制台调节水槽内流速，待流速稳定后利用数据采集仪器和配套测试软件进行脉动压力和振动加速度的数据采集；
19.步骤4：改变水下航行体模型的俯仰角度时，松开固定部件，保持首部支撑杆位置不动，调整尾部支撑杆穿过长圆形支撑孔不同位置后固定；改变水下航行体模型的迎流角度时，改变首部支撑杆和尾部支撑杆与循环水槽侧壁的夹角即可。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可根据试验需求多自由度灵活调节水下航行体模型迎流角度和俯仰角度。测量试验模型在不同工况下的脉动压力和振动加速度。本发明结构简单、便于维护、适应性好、应用范围广泛，降低了水下航行体模型脉动载荷的测试难度。
21.本发明可根据研究需求灵活改变传感器位置，可根据试验场地条件改变装置尺寸，完成水下航行体在不同工况下脉动压力和振动加速度测试，为水下航行体脉动载荷特性研究提供数据支撑。本发明具有结构简单、操作便捷、应用范围广泛等优点。可根据实际试验环境灵活调整模型姿态，提升了水下航行体模型在循环水槽装置中脉动载荷测试时工况调整的便捷性。
附图说明
22.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1为本发明所述的一种水下航行体模型脉动载荷测试装置立体结构示意图；
24.图2为本发明所述的水下航行体模型连接结构示意图；
25.图3为本发明所述的水下航行体模型立体结构示意图；
26.图4为本发明所述的水下航行体模型下部结构示意图；
27.图5为本发明所述的连接部件结构示意图；
28.图6为本发明所述的尾部支撑杆结构示意图；
29.图7为本发明所述的曲板结构示意图；
30.图8为本发明所述的g型木工夹结构示意图。
31.1-水下航行体模型，2-整流罩，3-首部连接杆，4-尾部连接杆，5-首部支撑杆，6-尾部支撑杆，7-固定铁块，8-压力传感器螺纹孔，9-传感器安装大开口，10-连接杆螺纹孔，11-加速度传感器螺柱，12-支撑孔，13-长圆形支撑孔，14-连接螺纹，15-螺纹，16-六角螺母，17-曲板，18-螺纹孔，19-橡胶垫片，20-g型木工夹。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
33.参见图1-8说明本实施方式，一种水下航行体模型脉动载荷测试装置，它包括水下航行体模型1、循环水槽、连接部件、支撑部件和固定部件，所述连接部件包括首部连接杆3和尾部连接杆4，所述首部连接杆3和尾部连接杆4分别设置在水下航行体模型1顶部的首尾两侧，所述首部连接杆3和尾部连接杆4均与支撑部件相连，所述支撑部件通过固定部件与循环水槽的侧壁相连，所述水下航行体模型1首部朝向循环水槽的来流方向，所述水下航行体模型1上设置有围壳，所述围壳沿竖置方向向上设置，所述围壳设置在首部连接杆3和尾部连接杆4之间，所述围壳外侧套设有整流罩2，所述水下航行体模型1上设置有加速度传感器和压力传感器。
34.本实施例所述支撑部件包括首部支撑杆5和尾部支撑杆6，首部支撑杆5和尾部支撑杆6长度略大于循环水槽宽度，所述首部支撑杆5与首部连接杆3垂直连接，所述尾部支撑杆6与尾部连接杆4垂直连接，所述首部支撑杆5和尾部支撑杆6分别通过固定部件与循环水槽的侧壁相连。
35.所述固定部件包括固定铁块7和g型木工夹20，所述首部支撑杆5和尾部支撑杆6两端均设置有固定铁块7，首部支撑杆5和尾部支撑杆6穿过固定铁块7，所述g型木工夹20夹紧固定铁块7与循环水槽的侧壁边缘。
36.所述水下航行体模型1外表面设置有压力传感器螺纹孔8，所述水下航行体模型1底部设置有传感器安装大开口9，所述水下航行体模型1内部设置有加速度传感器螺柱11，所述压力传感器通过压力传感器螺纹孔8与水下航行体模型1外表面相连，所述加速度传感器通过传感器安装大开口9安装在加速度传感器螺柱11上，所述加速度传感器和压力传感器数量均为若干个，测试用压力传感器通过压力传感器螺纹孔8使传感器表面与水下航行体模型1表面齐平。
37.压力传感器螺纹孔8和加速度传感器螺柱11的位置和数量根据实际测量需求进行
设置，压力传感器螺纹孔8尺寸和加速度传感器螺柱11尺寸根据实际测试传感器型号进行调整，水下航行体模型1具有对称性，压力传感器螺纹孔8和加速度传感器螺柱11分别布置于水下航行体模型1的左右两侧。
38.所述传感器安装大开口9外侧设置有曲板17，所述水下航行体模型1、整流罩2和曲板17上均设有螺纹孔18，所述整流罩2和曲板17均通过螺纹孔18与螺钉的配合与水下航行体模型1相连，所述传感器安装大开口9与曲板17之间及整流罩2与水下航行体模型1之间均设置有橡胶垫片19进行水密处理。传感器安装大开口9处设置有配套密封曲板17，测试所需传感器安装完毕后，将曲板17通过螺钉安装在传感器安装大开口9处，二者之间采用橡胶垫片19密封防水。
39.整流罩2尺寸略大于围壳尺寸，整流罩2通过螺丝安装在围壳上，二者之间采用橡胶垫片19密封防水。整流罩在试验时要露出水面，所述压力传感器和加速度传感器的电缆通过围壳和整流罩2穿出，防止传感器电缆被水流损毁。
40.所述水下航行体模型1顶部设置有连接杆螺纹孔10，所述首部连接杆3和尾部连接杆4底端均设有连接螺纹14，所述连接螺纹14和连接杆螺纹孔10配合相连。
41.所述首部连接杆3上开设有支撑孔12，所述尾部连接杆4上开设有长圆形支撑孔13，所述支撑孔12和长圆形支撑孔13均正对循环水槽的侧壁，所述首部支撑杆5穿过支撑孔12，所述尾部支撑杆6穿过长圆形支撑孔13，所述尾部支撑杆6上设置有螺纹15，通过螺纹15与六角螺母16的配合将尾部支撑杆6与尾部连接杆4的位置固定，所述长圆形支撑孔13一侧设置有刻度线，便于调节角度，也用于记录偏移距离d，偏移距离d可根据首部连接杆3和尾部连接杆4之间的长度l和试验所需俯仰角度θ进行调整，具体计算公式如下：d＝l
·
tanθ。
42.更进一步的，所述首部连接杆3、尾部连接杆4、首部支撑杆5和尾部支撑杆6在保证结构强度的前提下可使用空心管结构，降低结构重量。所述首部连接杆3和尾部连接杆4的横截面为流线型，降低首部连接杆3和尾部连接杆4对试验流场的影响。
43.本实施例为一种水下航行体模型脉动载荷测试方法，它包括以下步骤：
44.布置传感器：将压力传感器和加速度传感器通过压力传感器螺纹孔8和加速度传感器螺柱11安装在水下航行体模型1预定位置，并在水下航行体模型1的传感器开孔处涂抹胶水或缠绕生料带进行防水处理，压力传感器和加速度传感器的电缆通过围壳和整流罩2穿出，利用螺丝封闭传感器安装大开口9，并在围壳上固定整流罩2；
45.组装测试装置：利用螺纹将首部连接杆3和尾部连接杆4与水下航行体模型1固定，保证支撑孔12和长圆形支撑孔13均正对循环水槽的侧壁，首部支撑杆5和尾部支撑杆6分别穿过支撑孔12和长圆形支撑孔13，利用六角螺母16将尾部支撑杆6拧紧固定，首部支撑杆5和尾部支撑杆6横跨在循环水槽侧壁上，固定铁块7横跨首部支撑杆5和尾部支撑杆6放置在循环水槽侧壁边缘上，利用g型木工夹20夹紧固定铁块7和循环水槽侧壁边缘；
46.开始测试：利用循环水槽流速控制台调节水槽内流速，待流速稳定后利用数据采集仪器和配套测试软件进行脉动压力和振动加速度的数据采集；
47.调整模型位置：改变水下航行体模型1的俯仰角度时，松开g型木工夹20，保持首部支撑杆5位置不动，松开六角螺母16，调整尾部支撑杆6穿过长圆形支撑孔13不同位置，并通过六角螺母16固定；改变水下航行体模型1的迎流角度时，改变首部支撑杆5和尾部支撑杆6与循环水槽侧壁的夹角即可。
48.结束测试：重复上述步骤完成测量任务后，利用循环水槽流速控制台调节水槽内流速为0，待循环水槽中水流静止后关闭流速控制系统。
49.拆分测试装置：结束测试后，松开g型木工夹20，抬起首部支撑杆5和尾部支撑杆6将水下航行体模型1从循环水槽中拿出，取出测试用的压力传感器和加速度传感器，拆分测试装置的其他零部件。
50.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。