一种船模任意浮态下静水力性能检测装置及方法
阅读说明：本技术 一种船模任意浮态下静水力性能检测装置及方法 (Device and method for detecting hydrostatic performance of ship model in any floating state ) 是由 解德 张正艺 汪伟斌 付田 舒晨晨 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种船模任意浮态下静水力性能检测装置及方法,其中装置包括升降单元、旋转单元和测力仪,所述升降单元和旋转单元之间通过测力仪连接,所述装置在工作状态下,旋转单元下方与船模连接,船模下方设置水池；所述升降单元,用于通过纵向移动带动船模升降,进而控制船模在水池中的吃水；所述旋转单元包括两个垂直相交的旋转轴,用于通过一个旋转轴纵向旋转、另一个旋转轴横向旋转,控制船模倾斜；所述测力仪,用于测量船模在不同吃水状态下的浮力以及不同倾斜状态下的弯矩。本发明升降单元与旋转单元结合能够精确模拟出船模的任意浮态,采用测力仪直接测量出不同浮态下船模浮力以及弯矩,进而全面地表征船模的静水力性能。(The invention discloses a device and a method for detecting hydrostatic performance of a ship model in any floating state, wherein the device comprises a lifting unit, a rotating unit and a dynamometer, the lifting unit is connected with the rotating unit through the dynamometer, the lower part of the rotating unit is connected with the ship model in a working state, and a water pool is arranged below the ship model; the lifting unit is used for driving the ship model to lift through longitudinal movement so as to control the draught of the ship model in the pool; the rotating unit comprises two vertically crossed rotating shafts, and is used for controlling the ship model to incline through the longitudinal rotation of one rotating shaft and the transverse rotation of the other rotating shaft; the dynamometer is used for measuring the buoyancy of the ship model in different draft states and the bending moment in different inclination states. The lifting unit and the rotating unit are combined, so that any floating state of the ship model can be accurately simulated, the buoyancy and bending moment of the ship model in different floating states can be directly measured by adopting the dynamometer, and the hydrostatic performance of the ship model can be comprehensively represented.)
技术领域
本发明属于船舶静水力性能测量试验技术领域，更具体地，涉及一种船模任意浮态下静水力性能检测装置及方法。
背景技术
浮性和稳性是船舶与海洋工程专业实验教学中最为重要的概念之一，船舶静力学原理相关的教材中对求任意浮态下浮力的方法做了原理性的介绍，但没有一种能够直观测量浮力实验的装置。
现有的技术中测量静水力的设备主要是在船体模型的边侧上设置力矩测量装置来测量横倾或者纵倾弯矩，利用悬挂重物的方式来控制倾角以及吃水，这样的测量方式误差较大，不能精确模拟出船模的任意浮态。在国内船舶试验中缺少一种简便，直观的角度旋转装置，从而限制了船舶的教学实验的展开。
由此可见，现有技术存在误差较大、不能精确模拟出船模的任意浮态的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种船模任意浮态下静水力性能检测装置及方法，由此解决现有技术存在误差较大、不能精确模拟出船模的任意浮态的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种船模任意浮态下静水力性能检测装置，包括：升降单元、旋转单元和测力仪，所述升降单元和旋转单元之间通过测力仪连接，所述装置在工作状态下，旋转单元下方与船模连接，船模下方设置水池；
所述升降单元，用于通过纵向移动带动船模升降，进而控制船模在水池中的吃水；
所述旋转单元包括两个垂直相交的旋转轴，用于通过一个旋转轴纵向旋转、另一个旋转轴横向旋转，控制船模倾斜；
所述测力仪，用于测量船模在不同吃水状态下的浮力以及不同倾斜状态下的弯矩。
进一步地，所述旋转单元包括连接杆以及垂直相交的第二旋转轴和第三旋转轴，
所述第二旋转轴与连接杆活动连接，连接杆底部与船模固定连接，第二旋转轴用于通过纵向旋转带动连接杆旋转，进而带动船模倾斜；
所述第三旋转轴和连接杆固定连接，用于通过横向旋转带动连接杆与第二旋转轴之间发生滑动，进而改变船模朝向。
进一步地，所述测力仪在测量时，与第三旋转轴的旋转角度一致。
进一步地，所述装置还包括位于升降单元与测力仪之间的龙门支架，升降单元通过滑动导轨与龙门支架连接，所述装置在工作时，通过滑动导轨移动至水池正上方。
进一步地，所述升降单元包括：第一固定平台、电机、第一升降平台、支撑杆、第一旋转轴、第二固定平台和第二升降平台，
所述第一固定平台和第二固定平台通过支撑杆连接，第一升降平台与第二升降平台通过支撑杆连接，第一旋转轴固定于第一固定平台和第二固定平台之间，并穿过第一升降平台，电机用于驱动第一旋转轴旋转。
进一步地，所述旋转单元还包括角位台，角位台与第二升降平台之间通过测力仪连接，角位台同时与第二旋转轴和第三旋转轴连接，用于支撑和固定第二旋转轴和第三旋转轴。
按照本发明的另一方面，提供了一种船模任意浮态下静水力性能检测方法，包括：
将一种船模任意浮态下静水力性能检测装置下方与船模连接，然后将船模移动至水池正上方；
升降单元通过纵向移动带动船模升降，进而控制船模在水池中的吃水；
旋转单元通过一个旋转轴纵向旋转、另一个旋转轴横向旋转，控制船模倾斜；
测力仪测量船模在不同吃水状态下的浮力以及不同倾斜状态下的弯矩。
进一步地，所述船模的纵倾角度为α，横倾角度为β，则一个旋转轴纵向旋转的角度δ为：δ＝arc sin[(tanθcosβsinα+sinβ)cosθ]，另一个旋转轴横向旋转的角度θ为：
进一步地，所述旋转单元中角位台的旋转中心到升降单元中第二升降平台的距离为a，旋转单元中角位台的旋转中心到船模上表面的距离为b，a和b随船模的改变进行调整，调整至满足如下关系：
其中，θ0为船模的倾斜角度，L为船模的长，B为船模的宽。
进一步地，所述测力仪在测量时与第三旋转轴的旋转角度一致。
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，能够取得下列有益效果：
(1)本发明采用升降单元控制船模不同吃水，采用旋转单元控制船模不同倾斜状态，升降单元与旋转单元结合能够精确模拟出船模的任意浮态，将船舶地浮态转换成倾斜以及吃水两个因素来分开控制，能够更加方便精准有效地模拟船舶的横倾状态或者纵倾状态；与设置两个旋转装置相比，本发明的旋转组合方法避免了两个旋转装置发生碰撞的可能性，扩大了装置的应用范围。采用测力仪直接测量出不同浮态下船模浮力以及弯矩，快速准确的得出船舶的静水力性能参数，精度高。
(2)本发明旋转单元中第二旋转轴与连接杆活动连接控制连接杆旋转，第三旋转轴与连接杆固定连接，控制转接器与第二旋转轴之间发生滑动，进而控制船模的方向。通过第二旋转轴与第三旋转轴的组合控制实现对船模倾角的控制，即可达到船模试验的特定倾斜状态。
(3)本发明中测力仪与第三旋转轴旋转相同角度，进而使得测力仪的测力方向与船模的方向保持一致。设置滑动导轨便于船模在检测时位于水池正上方。通过电机驱动第一旋转轴转动可以带动第一升降平台进行移动，从而实现整个装置的升降。
(4)本发明在测量过程中通过控制旋转单元中两个旋转轴的旋转角度进而控制船模的倾斜角度。角位台通过第二旋转轴转动带动连接杆进行旋转，进而使船模发生倾斜，为使船模不与装置发生碰撞，需要调节角位台的旋转中心到第二升降平台的距离以及到船模上表面的距离。
附图说明
图1是本发明实施例提供的船模任意浮态下静水力性能测试装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第二旋转轴结构示意图；
图3是本发明实施例提供的船模连接板结构示意图；
图4是本发明实施例提供的转接板结构示意图；
图5是本发明实施例提供的船模绕z轴旋转角度示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为第一固定平台，2为电机，3为第一升降平台，4为支撑杆，5为第一旋转轴，6为第二固定平台，7为滑动导轨，8为龙门支架，9为第二升降平台，10为测力仪，11为角位台，12为第二旋转轴，13为第三旋转轴，14为连接杆，15为船模，16为水池，17为滚珠，18为螺纹孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种船模任意浮态下静水力性能检测装置包括第一固定平台1、电机2、第一升降平台3、支撑杆4、第一旋转轴5、第二固定平台6、滑动导轨7、龙门支架8、第二升降平台9、测力仪10、角位台11、第二旋转轴12、第三旋转轴13、连接杆14、船模15、水池16、滚珠17、螺纹孔18。
整个装置通过第二固定平台6以及滑动导轨7固定在龙门支架8上，第一固定平台1和第二固定平台6通过四个支撑杆4连接，第一升降平台3和第二升降平台9通过四个支撑杆4连接，第一旋转轴5固定在第一固定平台1和第二固定平台6之间，并穿过第一升降平台3，通过电机2驱动第一旋转轴5转动可以带动第一升降平台3进行移动，从而实现整个装置的升降；角位台11与第二升降平台9之间通过测力仪10连接。如图2所示，角位台的第二旋转轴12与连接杆14通过滚珠17进行活动连接，第三旋转轴13与连接杆14进行固定连接。如图3和4所示，连接杆14底部与船模15通过螺纹孔18进行固定连接。通过角位台的第二旋转轴12通过纵向旋转可以控制连接杆14旋转指定角度，通过角位台的第三旋转轴13通过横向旋转可以控制连接杆14与第二旋转轴12发生滑动，进而控制船模15的方向，通过角位台的第二旋转轴12与第三旋转轴13的组合控制，电机2驱动第二升降平台9控制船模15进入水池16中达到特定吃水，可以实现船模的任意浮态，测力仪10安装于第二升降台9的下方，角位台11的上方，且位于角位台11旋转点的正上方，可以准确的测量出实际船模15的浮力以及倾斜产生的弯矩。
保证足够大的升降行程可以满足更多船模试验的吃水需求，第一固定平台1和第二固定平台6之间的距离为H1，电机2的高度为Hm1以及第一升降平台3的厚度为t1，安全间距为Hs1，推出整个船模静水性能测试装置的行程Hr1：
Hr1＝H1-Hm1-t1-Hs1
角位台11通过第二旋转轴12转动带动连接杆进行旋转，进而使船模15发生倾斜，为船模15不与装置发生碰撞，需要调节连接杆的长度来保证船模能够倾斜大角度。角位台11的旋转中心到第二升降平台9的距离为a，到船模15上表面的距离为b，船模15的最大船长为L，船模15的最大船宽为B，与船模15可以旋转的最大角度θ0存在以下关系：
船模静水力性能直接测试装置性能指标如表1所示。
表1
性能
量程
第二旋转轴旋转角度
±60°
第三旋转轴旋转角度
±180°
升降平台升降高度
600mm
测力仪浮力测量
1160N
测力仪弯矩测量
20Nm
基于上述船模静水力性能直接测试装置的性能指标，可以合理设置测试装置行程大小和位移台旋转中心的位置。使得装置的升降行程以及模型旋转角度达到试验需求。
船模静水力性能测试主要使船模倾斜试验，通过船模倾斜试验得到船模各浮态下的浮力以及力矩，进而通过计算可以得出船模的静水力曲线，下面详细说明：
假设实际船模的纵倾角度为α度，横倾角度为β度(即在全局坐标系中，船模先绕y轴旋转α度，在绕x轴旋转β度)，根据绕定坐标系的多个坐标轴转动的公式可以得到该船模旋转的旋转矩阵为：
先绕y轴旋转α角得：
再绕x轴旋转β角得：
参考图5，分析可得旋转过后新生成的水线面与原水线面的横轴的夹角θ，即第三旋转轴旋转角度为：
根据旋转矩阵和第三旋转轴旋转角度θ可以得出第二旋转轴的旋转角度δ。
参考图5，根据角度θ可以得出特定点M的坐标为：
旋转之后M点的坐标为：
根据M的纵坐标可以得出：
sinδ＝(tanθcosβsinα+sinβ)cosθ
所以得出第二旋转轴旋转的角度δ为：
δ＝arc sin[(tanθcosβsinα+sinβ)cosθ]
通过滑动导轨将装置移动至操作台面，将船模固定于连接杆上，再通过滑动导轨将装置平移至水池正上方；通过输入特定的程序将输入的纵倾角度和横倾角度转化为第二旋转轴和第三旋转轴所转动的角度，即可达到船模试验的特定倾斜状态。然后通过控制台输入控制程序，输入船模下降高度，电机可以控制第一旋转轴旋转，控制船模下降不同高度，产生不同吃水，从而进行船模浮力测量实验。
参见图1，假定测力仪的中心点为测力点A，测力仪的坐标系如图1所示，角位台的旋转轴的重心点为假定重心点S，坐标系为固定在空间中的全局坐标系，坐标原点在旋转轴中心点的初始位置。
测力仪为六分力测力仪，通过测力仪可以读出船模不同浮态下，不同吃水d下的浮力以及弯矩，包括：横向力F1，纵向力F2，浮力F3，横向弯矩T1，纵向弯矩T2，偏航力矩T3；
以模型最低点刚接触水面时的吃水为零吃水，程序控制模型下降过程中，水面会不断上升，因此吃水d会随着模型入水过程发生变化，已知船模入水体积为V，水池的水面面积为S，控制程序输入模型下降距离为d1，则是及吃水为：
实际船模假定重心S处的Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz与测力仪测量点A处测量出的F1、F2、F3、T1、T2、T3之间的关系如下所示，参见图1：
已知假定重心横坐标为Xs，假定重心纵坐标为Ys重力加速度为g，水密度为ρ，由Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz以及对应的船模吃水d可以得出：
船模的排水体积：
浮心横坐标：
浮心纵坐标：
浮心垂向坐标：
横向复原力臂：
纵向复原力臂：
总的来说，整个装置结构简单，基本运动为船模的升降，以及船模的旋转，叠加之后可以模拟出船模实际漂浮状态；对机构的所有操作指令都程序化，自动化程序高，操作方便，应用本发明，能够真实的模拟出船舶的浮态，快速准确的得出船舶的静水力性能参数，精度高，范围广，具有良好的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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