用于模拟风流载荷作用下做操纵运动的船模及其试验方法

技术领域

本发明涉及船舶操纵性的研究，具体地指用于模拟风流载荷作用下做操纵运动的船模及其试验方法，用于针对船舶在风流载荷作用下操纵性运动进行模拟。

背景技术

早期，人们对船舶的航行性能研究主要侧重于静水中，随着人们对海洋不断的探索，船舶在海面上航行的时间大大加长，偏离海岸的距离也越来越远，带来的便是经历的海况更加复杂，船舶受到较小的风载荷和流载荷便会发生横向的漂移、航向位置改变等现象，特别是在大风和复杂海流的海况下，当船舶操纵性能不佳或者操纵不当很有可能使船舶发生倾覆和碰撞的危险，因此，研究风载荷和流载荷对舰船操纵性的影响具有重要意义。

从大量的自航模试验中可知，一般的自航模试验主要是针对静水中，但是大型水面舰船在海上航行时，风流载荷对船舶航行安全影响的因素尤为突出。因此，在实船建造前进行模型试验时，考虑不同海况下风流载荷对船舶操纵性的影响就显得尤为重要，一般的方法是采用在风浪流水池中开展。而风浪流水池开展相关操纵性试验其成本高，且只能针对小尺度的水面舰船模型，而大尺度的水面舰船模型在有限的风浪流水池中无法开展回转、Z形等其他操纵性试验。

发明内容

本发明目的在于为了弥补现有对风流载荷操纵性预报方法的不足，而提供了一种用于模拟风流载荷作用下做操纵运动的船模及其模拟方法，本发明通过在船体甲板上安装风机等效模拟风流载荷作用在船舶上的力和力矩，达到实现在不使用风流水池的条件下通过风机作用来对水面舰船在不同工况下模拟风流载荷从而进行操纵性运动试验的目的。

实现本发明目的采用的技术方案是一种用于模拟风流载荷作用下做操纵运动的船模，包括：

船模本体；

横向风机群，设于船模本体上，用于提供横向力和转艏力矩；

纵向风机，设于船模本体上，用于提供纵向力；以及，

控制系统，用于根据所需模拟船舶在风流载荷作用下做操纵运动的状态，控制所述横向风机群和纵向风机的工作。

此外，本发明还提供一种通过上述船模模拟船舶在风流载荷作用下做操纵运动的试验方法，该方法包括：

通过传感器检测检测船模本体的速度和角度信息；

计算机控制中心接收传感器检测的信息，并对所述信息处理后，输出控制伺服电机的指令。

第一伺服电机接收所述指令后驱动所述横向风机群和纵向风机提供横向力和转艏力矩和控制纵向风机提供纵向力，以模拟风流载荷作用在船模上的横向力、转艏力矩以及纵向力。

本发明运用风机模拟风流载荷作用在船舶上的力和力矩，即采用风机来实现船舶在不同海况下的操纵性试验，通过本船模能大大降低试验成本，且周期短，对于自航模试验前景十分广阔。本发明得以实现的关键是在于能准确的实时输出随艏向角不断变化的转速，而转速产生的力也能实时随艏向角作用到船体模型上。

本发明通过风机能同时模拟风流载荷作用在船模上的横向力、纵向力以及转艏力矩，大大节约了在风浪流水池中所进行的操纵自航模试验的成本，且试验周期短，精度高，并对于实船在不同海况下的预报提供了可靠的依据。

附图说明

图1为本发明用于模拟风流载荷作用下做操纵运动的船模的结构示意图。

图2为图1的剖示图。

图中标号为：1-1号风机，2-2号风机，3-3号风机，4-4号风机，5-5号风机，6-6号风机，7-7号风机，8-8号风机，9-9号风机，10-10号风机，11-11号风机，12-传输线路，13-GPS传感器，14-控制器，15-滑块，16-滑道，17-伺服电机，18-倾角传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明用于模拟风流载荷作用下做操纵运动的船模包括：横向风机群、纵向风机和控制系统。

横向风机群设于船模本体上，横向风机群中的风机的轴向平行船舶的横向方向(船舶横剖面)，用于提供横向力和转艏力矩。本发明横向风机群包括6～16个横向风机，6～16个横向风机按两个风机为一组，每组中的两个风机两两按重心对称分布在船模的纵中剖面位置的甲板上。本发明中两两按重心对称指的是这两个风机分别在重心(主要是重心的纵向位置)两侧，且到重心(主要是重心的纵向位置)纵向距离相等，所以称之为两两按重心对称分布。其中，6～16个横向风机中的两个横向风机按重心对称分布在甲板的一艏一艉，该两个风机既能正转也能反转，用于实现等效模拟转艏力矩。其余的横向风机按两个风机为一组，每组中的两个风机两两按重心对称且距重心由近及远分布在甲板，所述其余的横向风机都只能正转，用于实现等效模拟横向力。

纵向风机群设于船模本体上，纵向风机群中的风机的轴向平行船舶的纵向方向用于提供纵向力。本发明纵向风机群包括1～4个纵向风机，1～4个纵向风机的轴向沿船模长纵向布置，其重心的纵向位置位于船模重心处，其重心横向位置位于船模纵中剖面处。

控制系统用于根据所需模拟船舶在风流载荷作用下做操纵运动的状态，控制横向风机群和纵向风机群的工作。

本实施例以10个横向风机和1和纵向风机来说明本发明技术方案。

横向风机组是由1号风机1、2号风机2、3号风机3、4号风机4、5号风机5、6号风机6、7号风机7、8号风机8、9号风机9、10号风机10共十个风机组成，十个横向风机可分为两部分，第一部分包含8个风机，其中这8个风机两两按重心对称且距重心由近及远分布，该8个风机都只能正转，其功能实现等效模拟横向力；第二部分包含2个风机，按重心对称分布在甲板的一艏一艉，该两个风机既能正转也能反转，其功能实现等效模拟转艏力矩；纵向风机是为11号风机11。

下面对横向风机组和纵向风机的布置分别进行说明：

横向风机组的布置包括：横向风机组中的1号风机1的轴向指向船的右舷、2号风机2的轴向指向船的左舷、3号风机3的轴向指向船的左舷、4号风机4的轴向指向船的右舷、5号风机5的轴向指向船的左舷、6号风机6的轴向指向船的左舷、7号风机7的轴向指向船的右舷、8号风机8的轴向指向船的左舷、9号风机9的轴向指向船的右舷、10号风机10的轴向指向船的右舷，其中，5号风机5和6号风机6是两两按重心对称分布的，4号风机4和7号风机7是两两按重心对称分布的，3号风机3和8号风机8是两两按重心对称分布的，9号风机9和10号风机10是两两按重心对称分布的，3～10号风机不提供反转，即只提供沿轴向方向的横向拉力，此为一组类型的横向风机；其中船模做回转运动艏向角在0-180°范围内，选取的是3号风机3、5号风机5、6号风机6、8号风机8；艏向角在180-360°范围内，选取的是10号风机10、4号风机4、7号风机7、9号风机9；船模做Z形运动时根据设定好的程序根据艏向角的变化选取不同横向风机。横向风机组中的1号风机1和2号风机2是两两按重心对称分布的，该两个风机位于一艏一艉，分别设于船模的艏和艉处，且1号风机1和2号风机2既能正转也能反转，风机的轴向相反即能提供较大的转艏力矩，此为另一组类型的横向风机，无论船模做回转运动还是Z形运动此类风机是一直都开着。

纵向风机的布置是指11号风机11的纵向位置位于该船模重心的纵向位置，横向位置位于船模的纵中剖面，其轴向指向船艏，该风机既可正转也可反转，无论船模做回转运动还是Z形运动此类风机是一直都开着。11个风机都是单独与控制器14连接，根据工况的不同选取不同种类的风机以及风机的转速，在每一工况下风机的转速都是同步与艏向角的变化而变化。

本发明所用控制系统包括传感器、伺服电机、计算机控制中心，其中传感器包括用于检测检测船模本体速度的航速传感器和用于检测检测船模本体角度的姿态仪传感器。本实施例所用航速传感器为GPS传感器13，所用姿态仪传感器为倾角传感器18。

计算机控制中心包括控制器14、传输线路12以及地面的计算机，传输线路12将控制器14与传感器、伺服电机连接起来，具体过程为：GPS传感器13检测的船模本体速度信号和倾角传感器18检测的船模本体角度信号传输至控制器，通过控制器传输至计算机，计算机根据检测的信号和所需实现的船模工况计算出需要驱动横向风机群和纵向风机的控制信号，并将控制信号输出至横向风机群中风机的伺服电机和纵向风机的伺服电机，伺服电机驱动横向风机群中的风机和纵向风机实现所需的模拟效果。

由于11个风机重心的高度远远高于实际风流载荷的重心高度，因此存在一个横向力矩的差值，作为本发明的一种优选实施方式，增设一横倾补偿装置，该横倾补偿装置包括滑块15、滑道16、伺服电机17，滑道16横向地设于船模本体上，滑块15设于滑道16中，滑块16可以是具有一定质量的正方体铁块，其质量根据所需最大横倾力矩计算所得，其移动和风机的转速是同步的；伺服电机17是能驱动滑块在滑道上沿船模左右舷横向移动的大功率电机。本实施例中，采用两套相同的横倾装置沿重心对称分布地设置在船模的船身里面。滑块15能在伺服电机17的驱动下在滑道16上能进行横向来回不断的移动，从而达到实现横倾力矩的补偿。

因而，本发明能够完成地面上的计算机—传感器—伺服机构三者之间的信息反馈与指令传输，最终可以驱动并根据不同的工况选取不同种类的风机转动起来，并同步横倾装置机构实施滑块的移动从而达到横倾力矩的补偿，最终实现模拟风流载荷作用下的操纵性运动。