船模波浪中稳性试验装置中的水动力性能测量机构

技术领域

本发明涉及水动力性能测试技术领域，具体涉及用于船舶波浪中稳性研究的船模试验中的水动力性能测量机构，尤其涉及船模波浪中纵向力、横向力、艏摇力矩、纵摇位移、垂荡位移、横摇力矩或横摇位移的测量机构。

背景技术

船舶稳性，是指船舶受外力作用偏离其正浮平衡位置而倾斜，当外力消失后能恢复到原平衡位置的能力，具有这种能力的船是稳定的，否则是不稳定的或随遇平衡，船舶稳性是船舶最重要的性能之一，是船舶安全航行的基本保障。模型试验是船舶完整稳性研究的主要方法。现有的船模波浪中稳性试验属于二维测量，即仅能测量纵向力、纵摇位移及垂荡位移，且仅适合于在迎浪波浪中的快速性适航试验，然而，在波浪中进行稳性力臂的测量，除了必须考虑耐波性模型试验中船模航行和波浪的模拟，更加重要的是船模运动姿态的模拟和力矩的准确测量，除了需要船模带艏摇角运动，还需要船模能在垂向及纵摇方向是自由运动的，同时能还要进行变横倾水动力试验，以便能够测量船舶稳性研究中的涉及横向力、横向力、艏摇力矩及横摇力矩的测量，同时还能够侧廊纵摇位移、垂荡位移甚至横摇位移，目前还没有这种船模波浪中稳性试验的测量装置。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种船模波浪中稳性试验装置中的水动力性能测量机构，其能够实现船模纵向力、横向力、艏摇力矩、纵摇位移、垂荡位移及横摇位移的测量，也能够实现定横倾角下的纵向力、横向力、艏摇力矩、纵摇位移、垂荡位移及横摇力矩的测量。

本发明的技术方案如下：

船模波浪中稳性试验装置中的水动力性能测量机构，包括横跨并可滑动地支撑在拖车测桥上的基座，支撑架穿过基座且与基座固接，基座上端固设有安装座一，安装座一通过轴承装置装有滑轮，滑轮上横向绕有钢丝绳，钢丝绳的一端连接配重杆，钢丝绳的另一端连接升沉杆，升沉杆与配重杆位于支撑架的两侧，升沉杆穿过基座并可上下滑动，配重杆套设在导向座内，导向座与支撑架固接，配重杆的下端固设有托盘，托盘用于放置配重；基座上固装有拉线式位移传感器，拉线式位移传感器的拉线伸出端固定在升沉杆上，且所述拉线为垂向布置；升沉杆的底端装有三分力传感器，三分力传感器下方固接有支撑座，支撑座的两侧壁上通过轴承装置架设有纵摇轴，纵摇轴一端与旋转电位器一连接；纵摇轴与横摇轴垂直设置形成十字型轴，横摇轴的两端通过轴承装置架设在支撑座两侧的固定座上，横摇轴一端与旋转电位器二连接，横摇轴另一端依次连接有横摇力矩传感器、横摇定位座及横摇分度锁紧盘，横摇定位座及固定座均固定支撑在连接板上，连接板与船模连接；支撑架上设有升沉杆的升沉运动的导向机构。

其进一步技术方案为：

所述支撑座呈U型结构，U型支撑座的两侧壁上通过轴承装置架设有纵摇轴，横摇轴的两端通过轴承装置架设在U型支撑座Ｕ型开口两侧的固定座上。

所述导向机构包括设在支撑架上的竖向直线导轨副，升沉杆与竖向直线导轨副中的滑块固接。

所述三分力传感器为组合式传感器结构，包括相互独立的由上至下依次布置的纵向力传感器、艏摇力矩传感器及横向力传感器，三个独立的传感器之间通过连接法兰连接，纵向力传感器与升沉杆固接，横向力传感器与U形支撑座固接。

所述纵摇轴与旋转电位器一的伸出轴通过联轴器一连接，横摇轴与旋转电位器二的伸出轴通过联轴器二连接。

所述竖向直线导轨副采用四方向等载荷滚动直线导轨副。

本发明的技术效果：

本发明所述测量机构中船模在垂向及纵摇方向是自由运动的，同时还能进行变横倾水动力试验，通过多分力测力传感器的设置，能够准确获取波浪中作用在船模上的纵向力、横向力、艏摇力矩三种水动力性能，通过纵摇轴以及旋转电位器的设置，可以测量纵倾角，通过拉链式位移传感器的设置，可以测量除按摩的升沉位移；本发明设置横摇定位座及横摇分度锁紧盘，且二者之间可以锁紧或松开，从而使横摇方向上的运动受约束或者不受约束，由此在横摇运动受约束时，可以进行定横倾角水动力试验，除了能够测量作用在船模上的纵向力、横向力、艏摇力矩以及船模的升沉位移和纵倾角，还可以通过横摇力矩传感器测量作用在船模上的横摇力矩，在横摇运动不受约束时，除了能够测量作用在船模上的纵向力、横向力、艏摇力矩以及船模的升沉位移和纵倾角，还可以通过横摇轴以及旋转电位器的设置测量船模的横倾角。多种水动力性能的测量为船模波浪中稳性力臂的测量提供了更为完善的侧丽江基础，进而为船舶纯稳性研究提供了更为完善的基础保障。

本发明在进行水动力性能的测量过程中采用了随动式重量平衡结构，克服了升沉杆、三分力传感器、U型支撑座等测量部件的自身重量对升沉位移测量产生的影响，且配重的位移采用了导向座导向，试验过程中不会随拖车高速运动而晃动，从而提高了测量的稳定性；试验过程中，升沉杆的垂向运动由支撑架上的四方向等载荷滚动直线导轨副进行导向，其承载能力大、导向精度高，可以防止试验时在拖车加速和制动段由于加速度/减速度而产生的大负载对测量设备及被测模型造成损坏。

本发明采用纵向力传感器、艏摇力矩传感器及横向力传感器三个独立的传感器之间组合形成三分力传感器，所述三个独立的传感器均采用应变式传感器，这种组合式结构的传感器不仅过载能力大，且抗干扰能力强、测量精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的侧视结构示意图，图中局部剖视。

图3为本发明三分力传感器下端的部分结构示意图。

图4为图3的侧视图。

图5为本发明所述三分力传感器的结构示意图。

其中：1、基座；2、支撑架；3、安装座一；4、滑轮；5、钢丝绳；6、配重杆；7、升沉杆；8、导向座；9、托盘；10、配重；11、拉线式位移传感器；12、三分力传感器；121、纵向力传感器；122、艏摇力矩传感器；123、横向力传感器；13、支撑座；14、纵摇轴；15、旋转电位器一；16、横摇轴；17、固定座；18、旋转电位器二；19、横摇力矩传感器；20、横摇定位座；21、横摇分度锁紧盘；22、连接板；23、竖向直线导轨副；24、滑块；25、联轴器一；26、联轴器二；27、拖车测桥；28、锁紧爪；29、耳座；30、安装座二；31、安装座三；32、连接插销。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2，本发明包括横跨并可滑动地支撑在拖车测桥27上的基座1，具体地，基座1可通过直线导轨副滑动连接在拖车测桥27上, 基座1上设有锁紧爪28，用于基座1与拖车测桥27的锁紧;支撑架2穿过基座1且与基座1固接，基座1上端固设有一对安装座一3，安装座一3通过轴承装置装有滑轮4，滑轮4上横向绕有钢丝绳5，钢丝绳5的一端通过吊钩及耳环组件与配重杆6连接，钢丝绳5的另一端通过吊钩及耳环组件与升沉杆7连接，升沉杆7与配重杆6位于支撑架2的两侧，升沉杆7穿过基座1并可上下滑动，配重杆6套设在导向座8内，导向座8与支撑架2固接，配重杆6的下端固设有托盘9，托盘9用于放置配重10，钢丝绳5一侧的配重10用于平衡钢丝绳5另一侧的升沉杆7以及随升沉杆7一起升降运动的测量装置的重量；基座1上固装有拉线式位移传感器11，拉线式位移传感器11的拉线伸出端通过耳座29固定在升沉杆7上，且拉线为垂向布置；升沉杆7的底端装有三分力传感器12，三分力传感器12下方固接有支撑座13，见图3、图4，所述支撑座13呈U型结构，U型支撑座13的两侧壁上通过轴承装置架设有纵摇轴14，纵摇轴14一端穿出支撑座13，并通过联轴器一25与旋转电位器一15的伸出轴连接，旋转电位器一15通过安装座二30固接在支撑座13上，纵摇轴14与横摇轴16垂直设置形成十字型轴，横摇轴16的两端通过轴承装置架设在U型支撑座13Ｕ型开口两侧的固定座17上，横摇轴16一端通过联轴器二26与旋转电位器二18的伸出轴连接，旋转电位器二18通过安装座三31固接在固定座17上，横摇轴16另一端依次连接有横摇力矩传感器19、横摇定位座20及横摇分度锁紧盘21，横摇轴16与横摇力矩传感器19之间、横摇力矩传感器19与横摇定位座20之间均通过连接法兰实现连接，横摇定位座20及固定座17均固定支撑在连接板22上，连接板22与船模连接，横摇轴16轴端连接的横摇定位座20及横摇分度锁紧盘21形成横摇锁紧机构，即通过横摇定位座20与横摇分度锁紧盘21之间的锁紧或释放连接，来锁紧或释放横摇运动，具体地，横摇定位座20与横摇分度锁紧盘21之间设有连接插销32；支撑架2上设有升沉杆7的升沉运动的导向机构，所述导向机构包括设在支撑架2上的竖向直线导轨副23，升沉杆7与竖向直线导轨副23中的滑块24固接，其中，横摇分度锁紧盘21上的分度定位通过横摇分度锁紧盘21上分度定位孔用定位锁调整然后用固定螺钉加以固定，属于现有技术。

具体地，见图5，所述三分力传感器12为组合式传感器结构，包括相互独立的由上至下依次布置的纵向力传感器121、艏摇力矩传感器122及横向力传感器123，所述三个独立的传感器之间通过连接法兰连接，所述三个独立的传感器均采用应变式传感器，这种组合式结构的传感器不仅过载能力大，且抗干扰能力强、测量精度高，其中，纵向力传感器121与升沉杆7固接，横向力传感器123与U形支撑座13固接。

进一步地，为了减小传动误差，联轴器一25及联轴器二26均采用无间隙弹性联轴节；为了提高对升沉杆升沉运动的导向精度，防止试验时在拖车加速和制动段由于加速度而产生的大负载对测量设备及被测船模造成损坏，所述竖向直线导轨副23采用四方向等载荷滚动直线导轨副。

本发明的运行方式如下：

测量前，将船模（也可以是其他类型的水面模型）与连接板22固接，且二者固定的位置尽可能靠近船模的重心位置，确保船模的航向与拖曳水池拖车的前进方向一致，配重10的重量根据升沉杆7以及固装在升沉杆7下端的测量装置（包括三分力传感器12、纵摇轴14、横摇轴16、支撑座13、固定座17、旋旋电位器一15、旋旋电位器二18、两个联轴器、两个旋转电位器的安装座、横摇定位座20及横摇分度锁紧盘21）的重量总和而定。试验开始后，拖曳小车带动被测船模沿拖车测桥27运动，具体测量过程如下：

定横倾角下的水动力测量：调节横摇分度锁紧盘21上的分度定位，使被测船模调节至所需横倾角，并通过连接插销32使横摇定位座20与横摇分度锁紧盘21锁紧，将横摇轴16锁紧，从而约束船模的横摇运动，船模在拖车带动下在波浪中运动，通过三分力传感器12可以测量在定横倾角下船模在该行进速度下作用在被测船模上的纵向力、横向力及艏摇力矩，通过横摇力矩传感器19可以测量作用在船模上的横摇力矩，通过行进速度的改变，可以测定被测船模在不同行进速度下的纵向力、横向力、横摇力矩及艏摇力矩；在运动过程中，当被测船模发生升沉变化，被测船模带动升沉杆7上下移动，通过升沉杆7下端的耳座29拉动拉线式位移传感器11，测量升沉杆7的升沉运动轨迹，由相应的数据采集与分析处理控制系统采集拉线式位移传感器11的输出信号，从而测得被测船模的升沉位移；当被测船模发生纵倾，船模带动连接板22、旋转电位器二18、固定座17、安装座三31、横摇力矩传感器19、横摇定位座20、横摇分度锁紧盘21、横摇轴16另一端的两个连接法兰、纵摇轴14与横摇轴16形成的整体绕纵摇轴14的中心轴线转动，纵摇轴14转动，在联轴器一25的传递作用下，旋转电位器一15的电阻发生变化，由数据采集与分析处理控制系统采集旋转电位器一15的电阻变化，从而测得被测船模的纵倾角度。

横摇运动不受拘束时的水动力测量：松开横摇分度锁紧盘21与横摇分度定位座20之间的连接插销32，使得横摇轴21的转动不受约束，船模在拖车带动下在波浪中运动，通过三分力传感器12可以测量在定横倾角下船模在该行进速度下作用在被测船模上的纵向力、横向力及艏摇力矩；在运动过程中，当被测船模发生升沉变化，被测船模带动升沉杆7上下移动，通过升沉杆7下端的耳座29拉动拉线式位移传感器11，测量升沉杆7的升沉运动轨迹，由相应的数据采集与分析处理控制系统采集拉线式位移传感器11的输出信号，从而测得被测船模的升沉位移；当被测船模发生纵倾，船模带动连接板22、旋转电位器二18、固定座17、安装座三31、横摇力矩传感器19、横摇定位座20、横摇分度锁紧盘21、横摇轴16另一端的两个连接法兰、纵摇轴14与横摇轴16形成的整体绕纵摇轴14的中心轴线转动，纵摇轴14转动，在联轴器一25的传递作用下，旋转电位器一15的电阻发生变化，由数据采集与分析处理控制系统采集旋转电位器一15的电阻变化，从而测得被测船模的纵倾角度；当被测船模发生横倾，船模带动连接板22、旋转电位器二18、固定座17、安装座三31、横摇力矩传感器19、横摇定位座20、横摇分度锁紧盘21、横摇轴16另一端的两个连接法兰、纵摇轴14与横摇轴16形成的整体绕横摇轴16的中心轴线转动，旋转电位器二18绕横摇轴16的中心轴线转动，旋转电位器二18的电阻发生变化，由数据采集与分析处理控制系统采集旋转电位器二18的电阻变化，从而测得被测船模的横倾角度。

本发明在进行水动力性能的测量过程中采用了随动式重量平衡结构，克服了升沉杆、三分力传感器、U型支撑座等测量部件的自身重量对升沉位移测量产生的影响，提高了测量的精度及测量的稳定性。

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。