船舶多自由度水動(dòng)力測試系統(tǒng)裝置的研制

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(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074)

帆板動(dòng)力主要來源于風(fēng)力和水流的聯(lián)合作用。在外部自然條件和規(guī)定的板型情況下，帆板的初始靜浮態(tài)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是決定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素，因此，試圖通過試驗(yàn)尋求帆板姿態(tài)與其運(yùn)動(dòng)性能之間的規(guī)律，找出最佳狀態(tài)提供給運(yùn)動(dòng)員作為操控帆板的依據(jù)。在外力作用下，帆板運(yùn)動(dòng)是一種不穩(wěn)定的多自由度的耦合運(yùn)動(dòng)。帆板在前進(jìn)的過程中會產(chǎn)生升沉、轉(zhuǎn)首、俯仰等復(fù)合運(yùn)動(dòng)。建立固定在帆板上的直角坐標(biāo)系，帆板在運(yùn)動(dòng)過程中的受力見圖1。

T-帆板受到的阻力;N-橫向力;Za-垂向升沉;Mz-繞z軸的轉(zhuǎn)矩;θ-帆板的縱傾角;φ-帆板橫傾角圖1 帆板運(yùn)動(dòng)時(shí)受力示意圖

精確測試帆板的受力狀況和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是試驗(yàn)研究的關(guān)鍵。常規(guī)的試驗(yàn)方法是加各種約束，將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為單一運(yùn)動(dòng)，即分成若干個(gè)不同的試驗(yàn)來完成，如：阻力試驗(yàn)、強(qiáng)制橫傾試驗(yàn)和強(qiáng)制縱傾試驗(yàn)，載荷測試等。這樣的試驗(yàn)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，關(guān)鍵是忽略了各自由度運(yùn)動(dòng)之間的耦合影響而導(dǎo)致測試結(jié)果失真。

多自由度測量系統(tǒng)裝置由轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、升降隨動(dòng)系統(tǒng)和三分力天平三大部分組成，該裝置集模型拖帶、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測試和動(dòng)力測試于一體，可真實(shí)模擬帆板的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)裝置工作原理及功能

船舶多自由度水動(dòng)力測量系統(tǒng)裝置是由轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、三分力天平傳感器、升降隨動(dòng)系統(tǒng)、超聲波測距儀和傾角儀等組成，見圖2。

圖2 多自由度測量系統(tǒng)裝置示意圖

1.1 轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)與帆板之間采用的是萬向連接，以保證帆板能繞X軸、Y軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)整帆板的壓載，改變帆板的初始縱傾角或橫傾角，測量出不同縱傾角和橫傾角組合的情況下帆板的運(yùn)動(dòng)性能，并找出最佳的縱傾角和橫傾角組合。

表1 帆板不同狀態(tài)下的試驗(yàn)測試結(jié)果

1.2 三分力天平

該天平[1]可同時(shí)測量運(yùn)動(dòng)物體的阻力、橫向力和繞垂直軸的轉(zhuǎn)矩，并且這種結(jié)構(gòu)干擾小，加工方便。

天平靜校。采用最小二乘法原理求出各主系數(shù)和干擾系數(shù)[2]。

1.3 升降隨動(dòng)系統(tǒng)

為了保證物體在水動(dòng)力的作用下能自由升沉，隨動(dòng)裝置中共有8個(gè)可調(diào)軸承，其中升沉桿軸向4個(gè)平面互相垂直，桿與軸承之間最小可調(diào)到0.05 mm。當(dāng)速度穩(wěn)定后，隨動(dòng)裝置起到天平固定點(diǎn)的作用，在升沉桿上端裝一塊平板，用超聲波測距儀測出升沉距離。升沉桿垂直于水面，通過裝置下端轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)與帆板重心連接，以保證帆板運(yùn)動(dòng)時(shí)測量的真實(shí)性。

1.4 裝置技術(shù)特點(diǎn)

通過轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、升降隨動(dòng)系統(tǒng)和三分力天平，將傳統(tǒng)的單一測試改變?yōu)榫C合測量，反映了帆板的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠和精度，并且大大縮短試驗(yàn)時(shí)間。該套裝置可測量物體在靜水中的運(yùn)動(dòng)性能，亦可用于物體在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，安裝十分方便。

2 帆板試驗(yàn)結(jié)果

新型帆板排水量90 kg，總長2.92 m，最大寬0.922 m。

帆板試驗(yàn)主要內(nèi)容是改變帆板的初始縱傾角或橫傾角，測量不同速度時(shí)的阻力、橫向力、扭矩、升沉及縱傾角和橫傾角，帆板速度為6.0 m/s時(shí)不同狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3 結(jié)論

1) 新型帆板隨著靜止縱傾角的加大，其阻力也增大，這一結(jié)論與傳統(tǒng)的米斯特帆板特性一致。

2) 帆板靜態(tài)縱傾角大，升沉值也大，與實(shí)艇操縱結(jié)果一致。

3) 橫傾角變化對帆板阻力影響不大，該特性優(yōu)于米斯特帆板。

多自由度測量系統(tǒng)裝置真實(shí)地模擬了帆板的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，測試數(shù)據(jù)精確可靠。該裝置在測試物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的同時(shí)還可測量其橫向力和繞帆軸轉(zhuǎn)矩，彌補(bǔ)了適航儀只能測運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的不足。

[1] 郝亞平.船舶性能試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[2] 邵世明，趙連恩，朱念昌.船舶阻力[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.