本發(fā)明涉及船模試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于艦船快速性拖曳水池船模阻力試驗(yàn)參數(shù)的測量的船模阻力及姿態(tài)測量裝置。

背景技術(shù)：

拖曳水池開展船模阻力試驗(yàn)是艦船快速性試驗(yàn)研究的一種常規(guī)手段，對(duì)于具有一定航態(tài)變化的排水型船，在艦船快速性拖曳水池測量船模阻力的同時(shí)，往往需要兼測船模升沉和縱傾姿態(tài)以定性定量分析航態(tài)變化對(duì)阻力的影響?，F(xiàn)有拖曳水池測量船模阻力試驗(yàn)參量的設(shè)備主要有如下幾種：一種是采用專用設(shè)備四自由度適航儀(能夠測量縱蕩、升沉、縱搖、橫搖的運(yùn)動(dòng)量及阻力量)，其主要針對(duì)的試驗(yàn)對(duì)象為試驗(yàn)速度較高，航態(tài)變化更為明顯的快艇、多體船模型，除價(jià)格昂貴外，用這種裝置測量常規(guī)高速船模時(shí)，約束自由度稍大(對(duì)快速性研究而言)，在此約束條件下測得的阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生略微誤差，另一種測量裝置是采用進(jìn)口專用阻力儀測量船模阻力，而在船模首尾布置常見的桿式位移傳感器或非接觸式光學(xué)檢測裝置，通過測量船模艏艉位移換算而得船模的升沉和縱傾角信息，但在船模的實(shí)際拖曳運(yùn)行中，因阻力測點(diǎn)由阻力儀拖點(diǎn)固定，船模首尾程“弧形”縱傾運(yùn)動(dòng)，而不是垂向的“直上直下”運(yùn)動(dòng)，容易造成桿式位移傳感器升沉桿與軸套卡住，阻礙船模的自由運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量艏艉位移，還有一種非接觸式光學(xué)檢測測量機(jī)構(gòu)，測量精度高，但這種裝置價(jià)格昂貴，安裝也不便。因此，亟待建立一套可靠、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的船模阻力及姿態(tài)測量裝置，并使之常態(tài)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請人針對(duì)上述現(xiàn)有問題，進(jìn)行了研究改進(jìn)，提供一種船模阻力及姿態(tài)測量裝置及測量方法，利用本裝置在拖曳水池測量船模阻力的同時(shí)獲取船模首尾縱傾和升沉姿態(tài)，其具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種船模阻力及姿態(tài)測量裝置，由設(shè)置于船模上的用于輸出應(yīng)變信號(hào)阻力值的S型阻力儀、拖曳支桿、用于測量船模姿態(tài)的拉線式位移測量機(jī)構(gòu)、用于保證船模在縱向運(yùn)動(dòng)自由，橫向運(yùn)動(dòng)約束的導(dǎo)航架組件及抱閘機(jī)構(gòu)組成；

所述S型阻力儀的一端與拖曳支桿固接，所述S型阻力儀的另一端通過鋼絲繩與船模水平連接；

所述拉線式位移測量機(jī)構(gòu)包括定滑輪，所述定滑輪與電位器的軸心連接，于所述定滑輪上繞接絲線，所述絲線的一端連接預(yù)緊砝碼，所述絲線的另一端與船模連接；

所述導(dǎo)航架組件由一對(duì)帶有軸承的軸承座組成，于一對(duì)軸承座之間連接兩根圓柱滾筒；

所述抱閘機(jī)構(gòu)由夾緊裝置及剎車板組成，所述剎車板設(shè)置于船模上，所述夾緊裝置設(shè)置于拖曳支桿上。

其進(jìn)一步技術(shù)方案在于：

于互為相鄰的兩根圓柱滾筒之間還設(shè)置用于保持船模前進(jìn)方向的導(dǎo)航桿；

所述軸承座內(nèi)帶有的軸承為滾動(dòng)軸承；

所述拉線式位移測量機(jī)構(gòu)及導(dǎo)航架組件分別設(shè)置于船模艏部及船模艉部；

所述軸承座由水平板及垂直板連接構(gòu)成“L”形板，于所述水平板上開設(shè)安裝孔，所述軸承均設(shè)置于垂直板內(nèi)；

一種利用權(quán)利要求1所述船模阻力及姿態(tài)測量裝置進(jìn)行測量的方法包括以下步驟：

將由S型阻力儀、拖曳支桿、拉線式位移測量機(jī)構(gòu)、抱閘機(jī)構(gòu)構(gòu)成的船模阻力測量裝置置于拖曳水池拖車的專用測橋卡軌上，導(dǎo)航架組件和剎車板安裝在船模上；拖車加速使固定在測橋卡軌上的阻力測量裝置運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與阻力測量裝置連接的船模運(yùn)動(dòng)，拖車加速過程中夾緊裝置將剎車板夾緊，使流體作用力無法傳遞至S型阻力儀；待拖車速度穩(wěn)定后松開夾緊裝置，使船模阻力作用于S型阻力儀中，由S型阻力儀輸出應(yīng)變信號(hào)阻力值；同時(shí)，拖車拖曳過程中，由船模艏部或船模艉部的縱向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲線使定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電位器的軸心隨轉(zhuǎn)，由電位器上各端子輸出不同電壓線性對(duì)應(yīng)垂向位移變化值，然后通過計(jì)算公式計(jì)算出縱傾角θ，船模艏柱位移變化值ΔFP，船模艉柱位移變化值ΔAP及船模升沉值σ。

縱傾角θ的計(jì)算公式為：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{D-E}{2L_1}$

其中：D為絲線與船模艏部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；E為絲線與船模艉部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；L₁為船模中心點(diǎn)O、絲線與船模艏部的連接點(diǎn)FM/絲線與船模艉部的連接點(diǎn)AM之間的距離；

所述船模艏柱位移變化值值ΔFP的計(jì)算公式為：

ΔFP＝D-L₁·actanθ+L·actanθ

其中：D為絲線與船模艏部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；L₁為船模中心點(diǎn)O、絲線與船模艏部的連接點(diǎn)FM/絲線與船模艉部的連接點(diǎn)AM之間的距離；

所述船模艉柱位移變化值ΔAP的計(jì)算公式為：

ΔAP＝D-L₁·actanθ-L·actanθ

其中：D為絲線與船模艏部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；L為船模中心點(diǎn)距船模艏柱縱向位置/船模艉住縱向位置的縱向距離；

所述升沉值σ的計(jì)算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\Δ}FP+\mathrm{\Δ}AP}{2}$

其中：ΔFP為船模艏柱位移變化值，ΔAP為船模艉柱位移變化值。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，成本低廉，其在拖曳水池測量船模阻力的同時(shí)還可以獲取船模首尾縱傾及升沉姿態(tài)，利用阻力儀與抱閘機(jī)構(gòu)的交互工作來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速狀態(tài)下的船模阻力測量，利用拉線式位移測量機(jī)構(gòu)中由首尾帶動(dòng)絲線，使電位器輸出對(duì)應(yīng)電壓并通過線性關(guān)系獲取船模艏部及船模艉部的垂向位移變化值，并計(jì)算出船?？v傾角、升沉值及船模艏柱、船模艉住位移變化值，在拖曳過程中導(dǎo)航架機(jī)構(gòu)能保證船模在縱向運(yùn)動(dòng)自由，利用滾動(dòng)軸承保證了滾筒縱向滑動(dòng)摩擦小，縱向運(yùn)動(dòng)自由。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中導(dǎo)航機(jī)構(gòu)的主視圖。

圖3為圖2中導(dǎo)航機(jī)構(gòu)的前視圖。

圖4為本發(fā)明中拉線式位移測量機(jī)構(gòu)的主視圖。

圖5為圖4的側(cè)視圖。

圖6為本發(fā)明中船模姿態(tài)近似測量原理圖。

圖7為本發(fā)明中位移信號(hào)輸出電路圖。

其中：1、S型阻力儀；2、鋼絲繩；3、拖曳支桿；4、電位器；5、預(yù)緊砝碼；6、絲線；7、定滑輪；8、導(dǎo)航桿；9、剎車板；10、夾緊裝置；11、導(dǎo)航架組件；1101、軸承座；1102、滾動(dòng)軸承；1103、圓柱滾筒；1104、安裝孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，一種船模阻力及姿態(tài)測量裝置由設(shè)置于船模上的用于輸出應(yīng)變信號(hào)阻力值的S型阻力儀1、拖曳支桿3、用于測量船模姿態(tài)的拉線式位移測量機(jī)構(gòu)、用于保證船模在縱向運(yùn)動(dòng)自由的導(dǎo)航架組件及抱閘機(jī)構(gòu)組成；

如圖1所示，S型阻力儀1的一端與拖曳支桿3固接，S型阻力儀1的另一端通過鋼絲繩2與船模水平連接。

如圖4、圖5所示，拉線式位移測量機(jī)構(gòu)包括定滑輪7，定滑輪7與電位器4的軸心連接，于定滑輪7上繞接絲線6，絲線6的一端連接預(yù)緊砝碼5，絲線6的另一端與船模連接；上述砝碼5為50g預(yù)緊砝碼，由定滑輪7產(chǎn)生逆時(shí)針預(yù)緊力，使絲線6與船模之間保持拉緊狀態(tài)，該預(yù)緊力較小，不會(huì)額外限制船模姿態(tài)。

如圖2、圖3所示，導(dǎo)航架組件由一對(duì)帶有軸承的軸承座1101組成，于一對(duì)軸承座1101之間連接兩根圓柱滾筒1103。于互為相鄰的兩根圓柱滾筒1103之間還設(shè)置用于保持船模前進(jìn)方向的導(dǎo)航桿11，軸承座1101內(nèi)帶有的軸承為滾動(dòng)軸承1102，軸承座1101由水平板及垂直板連接構(gòu)成“L”形板，于水平板上開設(shè)安裝孔1104，軸承均設(shè)置于垂直板內(nèi)。導(dǎo)航架組件保證船模在縱向運(yùn)動(dòng)(縱傾和升沉)自由(偏航方向受限，橫搖局部受限)，滾動(dòng)軸承1102的布置保證縱向滑動(dòng)摩擦小、縱向運(yùn)動(dòng)自由。導(dǎo)航架組件安裝在船模的艏部和艉部。

抱閘機(jī)構(gòu)由夾緊裝置10及剎車板9組成，剎車板9設(shè)置于船模上。

上述拉線式位移測量機(jī)構(gòu)分別設(shè)置于拖車測橋卡軌上。

實(shí)施例：

利用船模阻力及姿態(tài)測量裝置進(jìn)行測量的方法如下：

如圖6、圖7所示，由S型阻力儀1、拖曳支桿3、拉線式位移測量機(jī)構(gòu)、抱閘機(jī)構(gòu)構(gòu)成的船模阻力測量裝置置于拖曳水池拖車的專用測橋卡軌上；導(dǎo)航架組件和剎車板安裝在船模上；拖車加速使固定在測橋卡軌上的阻力測量裝置運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與阻力測量裝置連接的船模運(yùn)動(dòng)，拖車加速過程中夾緊裝置10將剎車板9夾緊，使流體作用力無法傳遞至S型阻力儀1；待拖車速度穩(wěn)定后松開夾緊裝置10，使船模阻力作用于S型阻力儀1中，由S型阻力儀1輸出應(yīng)變信號(hào)阻力值，在測量船模阻力的同時(shí)，由于水面興波的影響，船模產(chǎn)生縱傾姿態(tài)變化，從而由船模艏部或船模艉部的縱向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲線6使定滑輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，定滑輪7轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電位器4的軸心隨轉(zhuǎn)，由電位器4上各端子輸出不同電壓線性對(duì)應(yīng)垂向位移變化值，然后通過計(jì)算公式計(jì)算出縱傾角θ，船模艏柱位移變化值ΔFP，船模艉柱位移變化值ΔAP及船模升沉值σ。

圖7中船模中心點(diǎn)為O，絲線與船模艏部的連接點(diǎn)為FM，絲線與船模艉部的來拿接點(diǎn)為AM，船模艏柱的縱向位置為FP，船模艉住的縱向位置為AP，船模姿態(tài)變化后的艏柱縱向位置為FP’，船模姿態(tài)變化后的艉住縱向位置為AP’。

上述縱傾角θ的計(jì)算公式為：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{D-E}{2L_1}$

其中：D為絲線與船模艏部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；E為絲線與船模艉部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；L₁為船模中心點(diǎn)O、絲線與船模艏部的連接點(diǎn)FM/絲線與船模艉部的連接點(diǎn)AM之間的距離。

上述船模艏柱位移變化值值ΔFP的計(jì)算公式為：

ΔFP＝D-L₁·actanθ+L·actanθ

其中：D為絲線與船模艏部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；L₁為船模中心點(diǎn)O、絲線與船模艏部的連接點(diǎn)FM/絲線與船模艉部的連接點(diǎn)AM之間的距離。

上述船模艉柱位移變化值ΔAP的計(jì)算公式為：

ΔAP＝D-L₁·actanθ-L·actanθ

其中：D為絲線與船模艏部連接點(diǎn)垂向位移變化值(相對(duì)于船模靜止時(shí)的垂向位置)；L為船模中心點(diǎn)O距船模艏柱縱向位置/船模艉住縱向位置的縱向距離。

上述升沉值σ的計(jì)算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\Δ}FP+\mathrm{\Δ}AP}{2}$

其中：ΔFP為船模艏柱位移變化值，ΔAP為船模艉柱位移變化值。

在拖曳過程中船模速度V_m＝2.996m/s，L₁＝2147.1mm，L＝2860.1mm，此時(shí)由電位器4輸出的電壓通過線性關(guān)系轉(zhuǎn)換測得D＝-16.6mm，E＝-36.5mm，根據(jù)縱傾角計(jì)算公式可以計(jì)算出縱傾角θ＝0.267°；由船模艏柱位移變化值ΔFP，船模艉柱位移變化值ΔAP計(jì)算公式可以得出艏柱位移變化值ΔFP＝-11.241mm，艉柱位移變化值ΔAP＝-37.847mm；最后由升沉值計(jì)算公式得出升沉σ＝-24.544mm。

需要說明的是，姿態(tài)測量直接輸出值是電壓，因此，使用前，需要對(duì)該姿態(tài)測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，即以拉動(dòng)多個(gè)絲線長度(如0mm,5mm,10mm,15mm,20mm,25mm,30mm,35mm,40mm等，)獲得對(duì)應(yīng)的電壓值，然后上述數(shù)據(jù)對(duì)，繪出電壓與位移的線性標(biāo)定曲線圖，則在實(shí)際使用時(shí)，則可根據(jù)測得的電位器輸出電壓值間接獲得實(shí)際位移值。

以上描述是對(duì)本發(fā)明的解釋，不是對(duì)發(fā)明的限定，本發(fā)明所限定的范圍參見權(quán)利要求，在不違背本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)的情況下，本發(fā)明可以作任何形式的修改。