本发明涉及一种水池船模在波浪中的拖曳装置及其试验方法，包括拖车和船模，拖车横梁上固装有夹持机构，位于夹持机构下方的船模上固装有夹板机构，夹持机构在气缸作用下对夹板机构进行夹紧和松开动作；拖车横梁与船模共同安装有试航仪，试航仪安装于船模的重心位置；还包括导航机构；船模通过夹持机构夹紧夹板机构的摩擦力实现随着拖车启动加速或停车减速，在夹持机构松开夹板机构后，船模则在试航仪主杆的拖曳下运动，并由导航机构限制运动方向。本发明实现了船模在波浪试验中牵引及制动时的自动保护，大大提升了试验安全性和测试精度，减少了人力成本，提高了试验自动化程度。
1.一种水池船模在波浪中的拖曳装置，包括拖车，其上设有拖车横梁（1），其特征在于：
所述拖车横梁（1）下部的水面（7）上放置有船模（2），所述拖车横梁（1）上固装有夹持机构（3），位于夹持机构（3）下方的船模（2）上固装有夹板机构（4），所述夹持机构（3）在气缸（304）作用下对夹板机构（4）进行夹紧和松开动作；拖车横梁（1）与船模（2）共同安装有试航仪（5）和导航机构（6），所述试航仪（5）安装于船模（2）的重心位置；所述船模（2）通过夹持机构（3）夹紧夹板机构（4）的摩擦力实现随着拖车启动加速或停车减速，在夹持机构（3）松开夹板机构（4）后，船模（2）则在试航仪（5）的主杆（504）的拖曳下运动，并由导航机构（6）限制运动方向；
所述夹板机构（4）的结构为：包括与船模（2）固接的安装座一（405），安装座一（405）上对称安装有竖向的滑槽（401），两个滑槽（401）之间共同安装有夹持板（402），所述夹持板（402）上部与两个滑槽（401）顶部分别安装有上弹簧（403），夹持板（402）下部与安装座一（405）之间安装有对称的下弹簧（404），所述上弹簧（403）与下弹簧（404）均位于滑槽（401）内并沿其长度方向布置；
所述导航机构（6）的结构为：包括与拖车横梁（1）固装的固定座三（604），固定座三（604）顶部的两端分别安装有轴支座（603），两个轴支座（603）之间水平安装有导轨二（602），导轨二（602）上安装有沿其滑动的滑动座二（601），贯穿滑动座二（601）竖直安装有导航杆（605），所述导航杆（605）的底端通过铰支座（606）连接有安装座三（607），所述安装座三（607）通过紧固件与船模（2）固装。
2.如权利要求1所述的一种水池船模在波浪中的拖曳装置，其特征在于：所述夹持机构（3）的结构为：包括与拖车横梁（1）固装的固定座一（301），固定座一（301）上安装有支撑板（302），支撑板（302）上通过气缸连杆机构安装有双夹持钢板（303）；所述双夹持钢板（303）为两块对称的钢板，双夹持钢板（303）的两块钢板在气缸连杆机构驱动下合拢夹紧夹板机构（4）或张开释放。
3.如权利要求2所述的一种水池船模在波浪中的拖曳装置，其特征在于：所述气缸连杆机构的结构为：包括安装于支撑板（302）上的气缸（304），气缸（304）输出端对称铰接有第一连杆（305），单根第一连杆（305）端部铰接有第二连杆（306），第二连杆（306）端部与双夹持钢板（303）铰接；所述第二连杆（306）中部与支撑板（302）铰接；位于第二连杆（306）外侧的支撑板（302）与双夹持钢板（303）之间还铰接有第三连杆（307）。
4.如权利要求3所述的一种水池船模在波浪中的拖曳装置，其特征在于：试航仪（5）的结构为：包括水平布置的导轨一（501），导轨一（501）两端分别通过固定座二（502）固装于拖车横梁（1），导轨一（501）上安装有沿其长度方向运动的滑动座一（505），滑动座一（505）与两个固定座二（502）之间分别安装有弹簧（503），贯穿滑动座一（505）竖直安装有主杆（504），所述主杆（504）底部依次安装有阻力传感器（509）、角度传感器一（510）和角度传感器二（511），并在底部端头连接有安装座二（512），所述安装座二（512）固装于船模（2）上；所述主杆（504）侧边还安装有位移传感器（508）。
5.如权利要求4所述的一种水池船模在波浪中的拖曳装置，其特征在于：还包括定滑轮（506），所述定滑轮（506）上跨装有线缆，线缆一端安装有砝码（507），另一端穿过定滑轮（506）并连接至滑动座一（505）。
6.如权利要求1所述的一种水池船模在波浪中的拖曳装置，其特征在于：所述导航机构（6）通过导轨二（602）与铰支座（606）的安装，约束船模（2）的横向位移，并且释放了纵摇、横摇、垂荡和纵荡四个自由度。
7.一种利用权利要求5所述的水池船模在波浪中的拖曳装置的试验方法，其特征在于：
第一步：准备工作，预置砝码（507），数据采集系统采集零点数据，双夹持钢板（303）在气缸连杆机构驱动下夹紧夹持板（402），造波机开始造波；
第二步：启动加速，待船模（2）附近的入射波稳定后，拖车开始运行，固装于拖车横梁（1）上的夹持机构（3）随拖车运行，进而通过双夹持钢板（303）与夹持板（402）之间的夹紧摩擦力，带动船模（2）随拖车一起运行；
第三步：开始试验，待拖车达到预定航速，双夹持钢板（303）张开并释放夹持板（402），滑动座一（505）在惯性作用下沿导轨一（501）滑动，通过线缆拽动砝码（507），并作用于两侧的弹簧（503），主杆（504）相对于滑动座一（505）滑动并倾斜；待由弹簧（503）、滑动座一（505）、定滑轮（506）和砝码（507）组成的弹簧系统恢复平衡状态后，即船模（2）仅依靠主杆（504）的拖曳而运行，通过阻力传感器（509）、位移传感器（508）、角度传感器一（510）及角度传感器二（511）采集船模（2）于该状态下在波浪中受到的阻力、垂荡、纵摇运动响应和横摇运动响应的物理量；
第四步：减速停止，数据采集完成后，将双夹持钢板（303）夹紧夹持板（402），拖车开始制动减速，依靠双夹持钢板（303）与夹持板（402）之间的夹紧摩擦力，使得船模（2）随拖车一起减速运行，直至停止；
第五步：返程，待第四步中船模（2）随拖车停止后，拖车开始反向运行，依靠双夹持钢板（303）与夹持板（402）之间的夹紧摩擦力来牵引船模（2），直至返回试验初始位置，双夹持钢板（303）张开并释放夹持板（402）。
一种水池船模在波浪中的拖曳装置及其试验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及船舶水动力学试验技术领域，尤其是一种水池船模在波浪中的拖曳装置及其试验方法。
背景技术
[0002] 船舶在波浪中的运动响应、阻力增加值和失速值是评估船舶在波浪中快速性能和耐波性能的重要指标，这些指标可以通过船模试验获得。船模波浪试验可分为：波浪中自由自航模试验和波浪中拖曳模型试验两类。
[0003] 自由自航模试验的主要优点是可以评估船体全部六个自由度的运动特性，模型保护方面只需考虑水密即可，但相对于拖曳模型试验而言，自由自航模试验的测量不确定度较大，同时，由于难以施加外力补偿摩擦阻力修正值，自由自航模试验通常只能在“模型自航点”下开展，无法满足船模试验的相似定律。
[0004] 波浪中拖曳模型试验通常采用试航仪开展，按所释放的自由度分类，最常见的有波浪中二自由度试航仪(考虑垂荡和纵摇运动)和四自由度试航仪(考虑垂荡、纵摇、横摇和纵荡运动)。
[0005] 使用二自由度试航仪开展拖曳模型试验时，适用于小尺度模型，因而几乎不需考虑模型保护的问题，但也由于其使用的模型尺度较小，且释放的自由度较少，而使得其无法研究其他运动自由度产生的水动力学问题。
[0006] 应用四自由度试航仪建立的波浪中拖曳模型试验方法，在研究船舶耐波性和快速性问题时有着诸多优点，研究课题适用范围广、测试精度高、模型尺度的选择更为宽泛，但由于纵荡自由度的释放，必须对模型实施人为保护，不仅增加了波浪试验成本，也存在着保护人员受伤和模型受损的风险，额外增加了一项因人为保护而产生的不确定源；并且在船模尺度较大时，船模惯性亦较大，使得人为保护不切实际。
发明内容
[0007] 本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的水池船模在波浪中的拖曳装置及其试验方法，从而在使用四自由度试航仪开展波浪中拖曳船模试验时，实现船模牵引及制动时的自动保护，大大降低试验成本及安全风险，提高测试精度。
[0008] 本发明所采用的技术方案如下：
[0009] 一种水池船模在波浪中的拖曳装置，包括拖车，其上设有拖车横梁，所述拖车横梁下部的水面上放置有船模，所述拖车横梁上固装有夹持机构，位于夹持机构下方的船模上固装有夹板机构，所述夹持机构在气缸作用下对夹板机构进行夹紧和松开动作；拖车横梁与船模共同安装有试航仪和导航机构，所述试航仪安装于船模的重心位置；所述船模通过夹持机构夹紧夹板机构的摩擦力实现随着拖车启动加速或停车减速，在夹持机构松开夹板机构后，船模则在试航仪的主杆的拖曳下运动，并由导航机构限制运动方向。
[0010] 所述夹持机构的结构为：包括与拖车横梁固装的固定座一，固定座一上安装有支撑板，支撑板上通过气缸连杆机构安装有双夹持钢板；所述双夹持钢板为两块对称的钢板，双夹持钢板的两块钢板在气缸连杆机构驱动下合拢夹紧夹板机构或张开释放。
[0011] 所述气缸连杆机构的结构为：包括安装于支撑板上的气缸，气缸输出端对称铰接有第一连杆，单根第一连杆端部铰接有第二连杆，第二连杆端部与双夹持钢板铰接；所述第二连杆中部与支撑板铰接；位于第二连杆外侧的支撑板与双夹持钢板之间还铰接有第三连杆。
[0012] 所述夹板机构的结构为：包括与船模固接的安装座一，安装座一上对称安装有竖向的滑槽，两个滑槽之间共同安装有夹持板，所述夹持板上部与两个滑槽顶部分别安装有上弹簧，夹持板下部与安装座一之间安装有对称的下弹簧，所述上弹簧与下弹簧均位于滑槽内并沿其长度方向布置。
[0013] 所述试航仪的结构为：包括水平布置的导轨一，导轨一两端分别通过固定座二固装于拖车横梁，导轨一上安装有沿其长度方向运动的滑动座一，滑动座一与两个固定座二之间分别安装有弹簧，贯穿滑动座一竖直安装有主杆，所述主杆底部依次安装有阻力传感器、角度传感器一和角度传感器二，并在底部端头连接有安装座二，所述安装座二固装于船模上；所述主杆侧边还安装有位移传感器。
[0014] 还包括定滑轮，所述定滑轮上跨装有线缆，线缆一端安装有砝码，另一端穿过定滑轮并连接至滑动座一。
[0015] 所述导航机构的结构为：包括与拖车横梁固装的固定座三，固定座三顶部的两端分别安装有轴支座，两个轴支座之间水平安装有导轨二，导轨二上安装有沿其滑动的滑动座二，贯穿滑动座二竖直安装有导航杆，所述导航杆的底端通过铰支座连接有安装座三，所述安装座三通过紧固件与船模固装。
[0016] 所述导航机构通过导轨二与铰支座，约束船模的横向位移，并且释放了纵摇、横摇、垂荡和纵荡四个自由度。
[0017] 一种利用所述的水池船模在波浪中的拖曳装置的试验方法，包括如下步骤：
[0018] 第一步：准备工作，预置砝码，数据采集系统采集零点，双夹持钢板在气缸连杆机构驱动下夹紧夹持板，造波机开始造波；
[0019] 第二步：启动加速，待船模附近的入射波稳定后，拖车开始运行，固装于拖车横梁上的夹持机构随拖车运行，进而通过双夹持钢板与夹持板之间的夹紧摩擦力，带动船模随拖车一起运行；
[0020] 第三步：开始试验，待拖车达到预定航速，双夹持钢板张开并释放夹持板，滑动座一在惯性作用下沿导轨一滑动，通过线缆拽动砝码，并作用于两侧的弹簧，主杆相对于滑动座一滑动并倾斜；待由弹簧、滑动座一、定滑轮和砝码组成的弹簧系统恢复平衡状态后，即船模仅依靠主杆的拖曳而运行，通过阻力传感器、位移传感器、角度传感器一及角度传感器二采集船模于该状态下在波浪中受到的阻力、垂荡、纵摇运动相应和横摇运动响应等物理量；
[0021] 第四步：减速停止，数据采集完成后，将双夹持钢板夹紧夹持板，拖车开始制动减速，依靠双夹持钢板与夹持板之间的夹紧摩擦力，使得船模随拖车一起减速运行，直至停止；
[0022] 第五步：返程，待第四步中船模随拖车停止后，拖车开始反向运行，依靠双夹持钢板与夹持板之间的夹紧摩擦力来牵引船模，直至返回试验初始位置，双夹持钢板张开并释放夹持板。
[0023] 本发明的有益效果如下：
[0024] 本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过夹持机构和夹板机构，并配合试航仪，实现了船模在波浪试验中牵引及制动时的自动保护，并且在试验中能精确测量船模在波浪中的阻力和四自由度运动，也可用于测量船模在静水中的航行姿态和阻力，大大提升了试验安全性和测试精度，减少了人力成本，提高了试验自动化程，适用于常规尺度和较大尺度船模的拖曳试验；并可以此拖曳试验方法为基础，开展船舶波浪中阻力增加拖曳模型试验、船舶波浪中自航拖曳试验、船舶波浪中参数横摇拖曳试验、船舶波激振动和砰击颤振模型拖曳试验等船舶非线性水动力学试验研究，具有十分广泛的应用前景。
[0025] 本发明还包括如下优点：
[0026] 夹持板上下两端分别配有上弹簧和下弹簧支撑，当夹持板被夹持机构中的双夹持钢板夹紧时，上弹簧和下弹簧能够缓冲作用在船模上的力，进而起到保护船模的作用；
[0027] 船模牵引或制动依靠夹持机构和夹板机构间的摩擦力实现，起到保护船模本身和各类测量传感器的作用；
[0028] 导航机构有效约束船模横荡和艏摇运动，且完全释放垂荡、纵摇、纵荡、横摇这四个自由度运动，使得船模在顶浪入射波的作用下可自由运动，而纵向受力测量则不受导航机构影响和限制。
附图说明
[0029] 图1为本发明的结构示意图。
[0030] 图2为本发明夹持机构的结构示意图。
[0031] 图3为图2的侧视图(省略固定座一)。
[0032] 图4为本发明夹板机构的结构示意图。
[0033] 图5为本发明试航仪的结构示意图。
[0034] 图6为本发明导航机构的结构示意图。
[0035] 其中：1、拖车横梁；2、船模；3、夹持机构；301、固定座一；302、支撑板；303、双夹持钢板；304、气缸；305、第一连杆；306、第二连杆；307、第三连杆；4、夹板机构；401、滑槽；402、夹持板；403、上弹簧；404、下弹簧；405、安装座一；5、试航仪；501、导轨一；502、固定座二；503、弹簧；504、主杆；505、滑动座一；506、定滑轮；507、砝码；508、位移传感器；509、阻力传感器；510、角度传感器一；511、角度传感器二；512、安装座二；6、导航机构；601、滑动座二；
602、导轨二；603、轴支座；604、固定座三；605、导航杆；606、铰支座；607、安装座三；7、水面。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
[0037] 如图1所示，本实施例的一种水池船模在波浪中的拖曳装置，包括拖车，其上设有拖车横梁1，拖车横梁1下部的水面7上放置有船模2，拖车横梁1上固装有夹持机构3，位于夹持机构3下方的船模2上固装有夹板机构4，夹持机构3在气缸304作用下对夹板机构4进行夹紧和松开动作；拖车横梁1与船模2共同安装有试航仪5和导航机构6，试航仪5安装于船模2的重心位置；船模2通过夹持机构3夹紧夹板机构4的摩擦力实现随着拖车启动加速或停车减速，在夹持机构3松开夹板机构4后，船模2则在试航仪5的主杆504的拖曳下运动，并由导航机构6限制运动方向，实现了船模2在波浪试验中牵引及制动时的自动保护；船模2牵引或制动依靠夹持机构3和夹板机构4间的摩擦力实现，起到保护船模2本身和各类测量传感器的作用；
[0038] 如图2和图3所示，夹持机构3的结构为：包括与拖车横梁1固装的固定座一301，固定座一301上安装有支撑板302，支撑板302上通过气缸连杆机构安装有双夹持钢板303；双夹持钢板303为两块对称的钢板，双夹持钢板303的两块钢板在气缸连杆机构302驱动下合拢夹紧夹板机构4或张开释放。
[0039] 气缸连杆机构的结构为：包括安装于支撑板302上的气缸304，气缸304输出端对称铰接有第一连杆305，单根第一连杆305端部铰接有第二连杆306，第二连杆306端部与双夹持钢板303铰接；第二连杆306中部与支撑板302铰接；位于第二连杆306外侧的支撑板302与双夹持钢板303之间还铰接有第三连杆307；
[0040] 气缸304输出端伸出，进而施压于第一连杆305，第一连杆305施压于第二连杆306的上端头，使得第二连杆306在上端头施加力的作用下绕着中部的铰接点转动，进而两个第二连杆306端部的双夹持钢板303分别向内侧靠近，从而夹住夹持板402；反之气缸304输出端缩回，通过第一连杆305拉动第二连杆306反向旋转，两块双夹持钢板303张开并相互远离，从而松开夹持板402。第三连杆307的两端分别铰接于支撑板302和双夹持钢板303上，使得双夹持钢板303的夹紧和张开动作更加稳定。
[0041] 如图4所示，夹板机构4的结构为：包括与船模2固接的安装座一405，安装座一405上对称安装有竖向的滑槽401，两个滑槽401之间共同安装有夹持板402，夹持板402上部与两个滑槽401顶部分别安装有上弹簧403，夹持板402下部与安装座一405之间安装有对称的下弹簧404，上弹簧403与下弹簧404均位于滑槽401内并沿其长度方向布置；当夹持板402被夹持机构3中的双夹持钢板303夹紧时，上弹簧403和下弹簧404能够缓冲作用在船模2上的力，进而起到保护船模2的作用。
[0042] 如图5所示，试航仪5的结构为：包括水平布置的导轨一501，导轨一501两端分别通过固定座二502固装于拖车横梁1，导轨一501上安装有沿其长度方向运动的滑动座一505，滑动座一505与两个固定座二502之间分别安装有弹簧503，贯穿滑动座一505竖直安装有主杆504，主杆504底部依次安装有阻力传感器509、角度传感器一510和角度传感器二511，并在底部端头连接有安装座二512，安装座二512固装于船模2上；主杆504侧边还安装有位移传感器508。
[0043] 还包括定滑轮506，定滑轮506上跨装有线缆，线缆一端安装有砝码507，另一端穿过定滑轮506并连接至滑动座一505。
[0044] 如图6所示，导航机构6的结构为：包括与拖车横梁1固装的固定座三604，固定座三604顶部的两端分别安装有轴支座603，两个轴支座603之间水平安装有导轨二602，导轨二
602上安装有沿其滑动的滑动座二601，贯穿滑动座二601竖直安装有导航杆605，导航杆605的底端通过铰支座606连接有安装座三607，安装座三607通过紧固件与船模2固装。
[0045] 导航机构6通过导轨二602与铰支座606，约束船模2的横向位移，并且释放了纵摇、横摇、垂荡和纵荡四个自由度。
[0046] 船舶的艏-艉(前后)方向称纵向，左-右舷(左右)方向称横向，船的上甲板-船舱底(上下)方向称垂直方向；前后方向的晃动(窜动、荡)称为纵荡，左右方向的晃动(窜动、荡)称为横荡，上下方向的晃动(窜动、荡)称为垂荡；绕着过重心的横轴(横向方向)摇摆叫纵摇；绕着过重心的纵轴摇摆叫横摇；绕着过重心的垂向轴摇摆叫艏摇。
[0047] 本实施例的利用水池船模在波浪中的拖曳装置的试验方法，包括如下步骤：
[0048] 第一步：准备工作，预置砝码507，数据采集系统采集零点，双夹持钢板303在气缸连杆机构驱动下夹紧夹持板402，造波机开始造波；
[0049] 第二步：启动加速，待船模2附近的入射波稳定后，拖车开始运行，固装于拖车横梁1上的夹持机构3随拖车运行，进而通过双夹持钢板303与夹持板402之间的夹紧摩擦力，带动船模2随拖车一起运行；
[0050] 第三步：开始试验，待拖车达到预定航速，双夹持钢板303张开并释放夹持板402，滑动座一505在惯性作用下沿导轨一501滑动，通过线缆拽动砝码507，并作用于两侧的弹簧503，主杆504相对于滑动座一505滑动并倾斜；待由弹簧503、滑动座一505、定滑轮506和砝码507组成的弹簧系统恢复平衡状态后，即船模2仅依靠主杆504的拖曳而运行，通过阻力传感器509、位移传感器508、角度传感器一510及角度传感器二511采集船模2于该状态下在波浪中受到的阻力、垂荡、纵摇运动相应和横摇运动响应等物理量；
[0051] 第四步：减速停止，数据采集完成后，将双夹持钢板303夹紧夹持板402，拖车开始制动减速，依靠双夹持钢板303与夹持板402之间的夹紧摩擦力，使得船模2随拖车一起减速运行，直至停止；
[0052] 第五步：返程，待第四步中船模2随拖车停止后，拖车开始反向运行，依靠双夹持钢板303与夹持板402之间的夹紧摩擦力来牵引船模2，直至返回试验初始位置，双夹持钢板303张开并释放夹持板402。
[0053] 本发明适用于常规尺度和大尺度的船模试验，适用性强，在实验中起到有效保护船模、人员及试验装置的作用，尤其适用于采用四自由度试航仪建立的波浪中拖曳模型试验。
[0054] 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。
