本发明属于浮体性能试验测量相关，更具体地，涉及一种浮体的浮性与稳性测量装置及测量方法。
背景技术：
1、浮体所承受的重力和浮力之间的关系决定了浮体的浮性与稳性。其中，浮性表征了浮体在各种载重状态下保持一定浮态(通过吃水d、横倾角φ和纵倾角表征)的性能，稳性表征了浮体抵抗外力而恢复其原平衡位置的性能。作为浮体最基础的总体性能，浮体的浮性与稳性可以通过型排水体积曲线、浮心坐标曲线和稳性横截曲线以及它们的衍生曲线来表征。其中，型排水体积曲线为一条对应于一定横倾角φ和纵倾角下的型排水体积▽和吃水d之间的关系曲线；浮心坐标曲线为一条对应于一定横倾角φ和纵倾角下的浮心x方向坐标xb、浮心y方向坐标yb、浮心z方向坐标zb和吃水d之间的关系曲线；横向稳性横截曲线为纵倾角不变的情况下，一组对应于一定横倾角φ的横向形状稳性力臂ltd与型排水体积▽之间的关系曲线；纵向稳性横截曲线为横倾角φ不变的情况下，一组对应于一定纵倾角的纵向形状稳性力臂lld与型排水体积▽之间的关系曲线。浮体的浮性与稳性分析即为求解上述四条表征曲线的过程，也是以船舶为代表的各类浮体设计的基本前提。
2、目前，浮体的浮性与稳性分析主要基于几何法展开。几何法从阿基米德原理出发，将对浮体浮力的计算转化为对浮体排开水体积的计算，是一种间接方法。但当分析对象的水线面不为单个单连通域时，几何法将面临模型划分、精度和自检性上的多重挑战，使得对于复杂构型浮体常规几何法分析方法较难实施。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种浮体的浮性与稳性测量装置及测量方法，解决了目前浮体的浮性与稳性分析主要基于几何法展开，对于复杂构型浮体常规几何法分析方法较难实施的问题，实现了浮体浮性与稳性性能的试验测量。
2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种浮体的浮性与稳性测量装置，包括支架、固定平台、第一伸缩机构、中间平台、连接杆、第二伸缩机构、第三伸缩机构、运动平台以及水池，所述固定平台连接在所述支架的上方，所述第一伸缩机构沿竖直方向连接于所述固定平台，所述第一伸缩机构的底部与所述中间平台连接；
3、所述连接杆、所述第二伸缩机构和所述第三伸缩机构分别沿竖直方向连接在所述中间平台的下方，所述运动平台连接在所述连接杆、所述第二伸缩机构和所述第三伸缩机构的底部，且所述连接杆的底部与所述运动平台万向转动连接，所述第二伸缩机构与所述运动平台万向转动且沿y轴方向可移动连接，所述第三伸缩机构与所述运动平台万向转动且沿x轴方向可移动连接，其中，所述x轴方向与所述y轴方向垂直，所述运动平台与浮体固定连接，所述浮体的下方设有水池。
4、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量装置，还包括六分力测力仪，所述六分力测力仪连接在所述第一伸缩机构的底部和所述中间平台之间。
5、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量装置，所述第一伸缩机构和所述连接杆沿同一竖直方向设置，所述连接杆和所述第二伸缩机构沿同一y轴方向设置，所述连接杆和所述第三伸缩机构沿同一x轴方向设置。
6、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量装置，还包括调试桌，所述调试桌设在所述水池的附近，所述固定平台通过移动机构与所述支架连接，所述调试桌位于所述移动机构的位移范围内。
7、按照本发明的另一个方面，提供了一种浮体的浮性与稳性测量方法，基于上述任一项所述的浮体的浮性与稳性测量装置，所述测量方法包括：
8、将浮体固定连接在所述运动平台的下方，通过调节所述第一伸缩机构、所述第二伸缩机构以及所述第三伸缩机构中的至少一个进行所述浮体姿态的调整，进而进行所述浮体的浮性与稳性性能指标的测量；
9、其中，通过调节所述第一伸缩机构来调节所述浮体在所述水池中的吃水，通过调节所述第二伸缩机构实现所述浮体横倾角的变化，通过调节所述第三伸缩机构实现所述浮体纵倾角的变化。
10、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，所述浮体的横倾角为：
11、
12、其中，dl2为所述第二伸缩机构的长度改变量，lab为所述连接杆与所述中间平台的交点a到所述第二伸缩机构与所述中间平台的交点b之间的距离；dl2的正和负分别对应着所述第二伸缩机构的伸长和缩短；
13、所述浮体的纵倾角为：
14、
15、其中，dl3为所述第三伸缩机构的长度改变量，lac为所述连接杆与所述中间平台的交点a到所述第三伸缩机构与所述中间平台的交点c之间的距离；dl3的正和负分别对应着所述第三伸缩机构的伸长和缩短；
16、所述浮体的吃水为：
17、
18、其中，fz为当前吃水下测力参考点处z方向力，所述z轴与所述x轴和所述y轴分别垂直且所述z轴沿竖直方向设置，ρ为所述水池中静水的密度，g为重力加速度，s为所述水池的水面面积，为所述浮体底部接触到静水表面之后所述第一伸缩机构的伸长量。
19、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，进行所述浮体的浮性与稳性性能指标的测量，具体包括：
20、s1.1，将所述浮体调整到正浮或指定工况所对应的横倾角和纵倾角，并保持不变；
21、s1.2，沿z轴方向移动所述浮体直至其最低点与静水表面之间的距离为0，所述z轴与所述x轴和所述y轴分别垂直且所述z轴沿竖直方向设置；
22、s1.3，将六分力测力仪归零后，开始向下移动所述浮体测量获取测力参考点处z方向力fz与吃水d之间的关系曲线；
23、s1.4，根据力法分析型排水体积与测力参考点处z方向力fz之间的关系，获取所述浮体的型排水体积曲线；
24、其中，s1.4中所述力法的依据为：
25、
26、其中，ρ为水池中静水的密度，g为重力加速度，▽和fz分别为当前吃水d所对应的所述浮体的型排水体积和测力参考点处z方向力。
27、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，进行所述浮体的浮性与稳性性能指标的测量，还包括：
28、s2.11，将所述浮体调整到正浮或指定工况所对应的横倾角和纵倾角，并保持不变；
29、s2.12，沿z轴方向移动所述浮体直至其最低点与静水表面之间的距离为0，所述z轴与所述x轴和所述y轴分别垂直且所述z轴沿竖直方向设置；
30、s2.13，将六分力测力仪归零后，开始向下移动所述浮体并测量得到测力参考点处z方向力fz与绕x轴弯矩mx之间的关系曲线；
31、s2.14，保持纵倾角不变，连续改变横倾角，重复上述步骤s2.11到s2.13，直至获得一组对应于一定横倾角φ的fz与mx之间的关系曲线，根据力法分析得到所述浮体的横向稳性横截曲线；
32、或者，s2.21，将所述浮体调整到正浮或指定工况所对应的横倾角和纵倾角，并保持不变；
33、s2.22，沿z轴方向移动所述浮体直至其最低点与静水表面之间的距离为0，所述z轴与所述x轴和所述y轴分别垂直且所述z轴沿竖直方向设置；
34、s2.23，将六分力测力仪归零后，开始向下移动所述浮体并测量得到测力参考点处z方向力fz与绕y轴弯矩my之间的关系曲线；
35、s2.24，保持横倾角不变，连续改变纵倾角，重复上述步骤s2.21到s2.23，直至获得一组对应于一定纵倾角的fz与my之间的关系曲线，根据力法分析得到所述浮体的纵向稳性横截曲线。
36、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，s2.14中所述力法的依据为：
37、
38、其中：ρ为所述水池中静水的密度，g为重力加速度，ltd、mx、fz和▽分别为当前吃水d所对应的横向形状稳性力臂、测力参考点处绕x轴的力矩、测力参考点处z方向力和型排水体积；
39、s2.24中所述力法的依据为：
40、
41、其中，ρ为所述水池中静水的密度，g为重力加速度，lld、my、fz和▽分别为当前吃水d所对应的纵向形状稳性力臂、测力参考点处绕y轴的力矩、测力参考点处z方向力和型排水体积。
42、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，进行所述浮体的浮性与稳性性能指标的测量，还包括：
43、s3.1，将所述浮体调整到正浮或指定工况所对应的横倾角和纵倾角，并保持不变；
44、s3.2，沿z轴方向移动所述浮体直至其最低点与静水表面之间的距离为0，所述z轴与所述x轴和所述y轴分别垂直且所述z轴沿竖直方向设置；
45、s3.3，将六分力测力仪归零后，开始向下移动所述浮体并分别测量得到测力参考点处z方向力fz、绕x轴弯矩mx、绕y轴弯矩my与吃水d之间的三条关系曲线；
46、s3.4，根据力法分析得到浮心坐标曲线。
47、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，其中，s3.4中所述力法的依据为：
48、
49、其中，xb、yb、zb分别为所述浮体的浮心x方向、y方向和z方向的全局坐标值，xr和yr分别为测力参考点的x方向和y方向的全局坐标值，mx、my、fz，▽分别为当前吃水d对应的测力参考点处绕x轴弯矩、绕y轴弯矩、z方向力和型排水体积，z为所述浮体上微体积d▽所对应的当前全局z坐标值，dfz为微体积d▽所对应的fz变化值。
50、根据本发明提供的浮体的浮性与稳性测量方法，所述浮体的浮心在全局坐标系z轴上的坐标zb具体为：
51、zb＝h-d+za；
52、
53、其中，h为水面在当前吃水d所对应的全局坐标系高度，za为所述浮体的浮心在局部坐标系z向上的坐标值，其中，局部坐标系的原点在所述浮体的最低点处，di为一系列连续的测试点吃水，从吃水为0开始，到当前吃水d结束，d0＝0，dn＝d，fz(di)为对应于吃水di的测力参考点处z方向力fz。
54、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的浮体的浮性与稳性测量装置及测量方法：
55、1.设置第一伸缩机构、第二伸缩机构和第三伸缩机构，通过三个伸缩机构的巧妙合理设置，使得三个伸缩机构通过直线运动即可实现运动平台和浮体下移位移、横倾角以及纵倾角的精确控制调节，使得浮体的横倾角度、纵倾角度和吃水可以任意耦合，进而实现浮体各种浮态的高精度模拟，可用于浮体的浮性与稳性性能测量；
56、2.设置连接杆底部与运动平台万向转动连接，使得与运动平台刚性连接的浮体的横倾和纵倾旋转点位置可以精确控制，有利于提高浮体姿态调整的准确性，进而提高性能测量的准确性；
57、3.设置六分力测力仪在测量过程中其内部测力参考点处的局部测量坐标系与全局坐标系平行，保证了对全局坐标系中测力参考点处力和力矩的直接测量，避免了测量结果向全局坐标系中的换算；
58、4.提出了一种浮性与稳性分析的力法和具体的分析步骤，根据该力法，可以从浮体各浮态下的测力参考点处的力和力矩测量结果出发，分析获得浮体的型排水体积曲线、稳性横截曲线和浮心坐标曲线，进而完成浮体浮性与稳性的分析。