一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置

摘要

本发明属于船舶破冰技术领域，具体涉及一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置。本发明通过安装在水池两侧的深度定位仪测量航行体下潜深度，利用液压升降仪带动冰下航行体模型在冰面下方以不同运动方式运动，从而激起冰面发生水弹性变形，利用液压升降仪带动航行体模型首部和尾部以一定方式运动，从而控制模型运动轨迹，通过水池一侧的垂直位移传感器测量冰面的变形，观察冰面的破冰情况，实现对冰下航行体以不同运动方式破冰能力的研究。本发明可以自定义选择模型运动方式以及航行深度，同时也可以改变模型形状和冰层厚度，能高效的研究不同因素作用下对冰面的破坏程度。

权利要求

1.一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置，其特征在于：包括试验水池和航行体模型；所述的试验水池中注入有一定量的水，在试验水池底部安装有运动轨道；所述的航行体模型底部设有凹槽；所述的航行体模型下方安装有两个液压升降仪，其中第一液压升降仪固定于航行模型尾部下方的凹槽，第二液压升降仪安装于凹槽中且可沿凹槽滑动；所述的第二液压升降仪通过弹簧与第一液压升降仪连接；所述的航行体模型通过两个液压升降仪安装于试验水池底部的运动轨道上，且航行体模型位于水面以下；所述的试验水池中安装有深度定位仪和垂直位移传感器；所述的深度定位仪安装于试验水池前后两侧；

试验时，将试验水池内的水面冻结成冰面，垂直位移传感器安装在试验水池一侧接近冰面处；启动运动轨道、第一液压升降仪和第二液压升降仪，第一液压升降仪的运动方式为sin(ωt)，第二液压升降仪的运动方式为sin(ωt‑θ)，运动轨道带动航行体模型以一定速度前进；航行体模型在冰面下方的运动会激起流体扰动，从而激起冰面发生水弹性响应；此时，记录下垂直位移传感器测量的冰面垂直方向位移，观察冰层的变形情况；通过深度定位仪记录航行体模型的下潜深度；

通过控制θ的值，控制航行体模型运动时俯仰的角度；通过控制ω的值，控制航行体模型俯仰的频率；通过控制ω、θ的值及运动轨道的前进速度，控制航行体模型的具体运动轨迹；通过设定两个液压升降仪的具体升降方式，实现航行体模型以正余弦波波形或者斯托克斯波波形的方式运动，从而研究水下航行体在不同运动方式下的破冰效果差异。

说明书

一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置

技术领域

[0001] 本发明属于船舶破冰技术领域，具体涉及一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置。

背景技术

[0002] 在极地方面，冰面的存在为潜艇提供了天然的隐蔽条件，但是同时也阻碍了潜艇出水执行任务的需求。为了让潜艇成功破冰出水，潜艇破冰技术的研究成为各国国防关注
的重点。而美国和俄罗斯目前已经突破了利用潜艇自身结构进行上浮破冰的技术。但是这
种潜艇自身上浮破冰的方法对潜艇结构强度的要求较大，对潜艇的设计提了更高的要求。
目前，更有效的办法是利用潜艇在近冰面航行时激起的水弹性波进行破冰，一方面避免了
潜艇结构与冰面直接接触，一定程度上保护了潜艇结构，另一方面冰面水弹性波的范围大，
机动灵活，破冰效果也更好。但是，由于潜艇冰下航行的运动方式不同，激起的水弹性波在
范围和强度上都存在差异，从而导致破冰效果优劣各异，所以需要实验分析研究冰下航行
体运动方式与破冰效果的关系，找出最有效破冰的运动方式，从而大大提高航行体破冰能
力。目前针对潜艇极地航行和破冰的研究还很欠缺，所以相关的实验设备也不多见，能有效
地模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置仍未出现。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供研究潜艇极地航行和破冰的一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置。

[0004] 本发明的目的通过如下技术方案实现：包括试验水池和航行体模型；所述的试验水池底部安装有运动轨道；所述的航行体模型下方安装有液压升降仪，航行体模型通过液
压升降仪安装于运动轨道；所述的试验水池中安装有深度定位仪和垂直位移传感器。

[0005] 本发明还可以包括：

[0006] 所述的航行体模型底部设有凹槽；所述的航行体模型下方安装有两个液压升降仪，其中第一液压升降仪固定于航行模型尾部下方的凹槽，第二液压升降仪安装于凹槽中
且可沿凹槽滑动；所述的第二液压升降仪通过弹簧与第一液压升降仪连接。

[0007] 所述的深度定位仪安装于试验水池前后两侧；所述的垂直位移传感器安装于试验水池上部。

[0008] 所述的试验水池具有玻璃侧面。

[0009] 本发明的有益效果在于：

[0010] 本发明通过安装在水池两侧的深度定位仪测量航行体下潜深度，利用液压升降仪带动冰下航行体模型在冰面下方以不同运动方式运动，从而激起冰面发生水弹性变形，利
用液压升降仪带动航行体模型首部和尾部以一定方式运动，从而控制模型运动轨迹，通过
水池一侧的垂直位移传感器测量冰面的变形，观察冰面的破冰情况，实现对冰下航行体以
不同运动方式破冰能力的研究。本发明可以自定义选择模型运动方式以及航行深度，同时
也可以改变模型形状和冰层厚度，能高效的研究不同因素作用下对冰面的破坏程度。

附图说明

[0011] 图1为本发明的总体示意图。

[0012] 图2为本发明的试验水池示意图。

[0013] 图3为本发明的航行体模型的结构示意图。

[0014] 图4为液压升降仪运动示例曲线图。

[0015] 图5为航行体冰下运动轨迹示例曲线图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

[0017] 本发明涉及的是一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置，主要用于研究航行体在冰面下方以不同运动方式航行时的破冰能力。本发明在使用时先在低温实验
室内将水池内的水面冻结成冰面，运动轨道带动液压升降仪以一定速度前进，同时启动液
压升降仪，调节前后液压升降仪的运动方程，使航行体模型在冰下以不同运动方式航行，航
行体引起周围的流体发生扰动，扰动传至冰面，激起冰面产生水弹性波。深度定位仪测量航
行体的下潜深度，垂直位移传感器记录冰面的变形特点，通过改变航行体的运动方式、下潜
深度以及冰厚等条件，多参数进行试验，从而研究水下航行体以不同运动方式的破冰效果，
探索最有效破冰的运动方式。

[0018] 本发明是一种模拟冰下航行体以不同运动方式破冰的实验装置，主要应用于冰下航行体以不同运动方式激起的水弹性波破冰过程的模拟，包括具有玻璃侧面的试验水池1、
航行体模型2、运动轨道3、第一液压升降仪4(模型尾部)、第二液压升降仪(模型首部)、水下
深度定位仪6、垂直位移传感器7和冰面8。

[0019] 图1和图2中具有玻璃侧面的试验水池1固定放置在水平的地面上，冰面8冻结于试验水池1的两侧壁面，运动轨道3固定于水池底部，轨道上安装有液压升降仪4和液压升降仪
5，航行体模型2与升降仪通过垫片9在航行体下方凹槽11处相连，升降仪4固定，升降仪5可
随着垫片9在凹槽11内滑动，两侧升降仪间固定有压缩弹簧10(垫片9可以在凹槽11内滑动，
但是受到弹簧的限制，垫片9固定在凹槽11内)。深度定位仪6固定于试验水池1前后两端，垂
直位移传感器7安装在水池一侧接近冰面处。

[0020] 升降仪与航行体模型相连，为了防止在升降仪带动模型进行升降运动时航行体由于拉伸或挤压出现损坏，解决方式如下：航行体下方有凹槽，升降仪通过垫片在凹槽内与航
行体相连，且尾部一侧的升降仪固定，首部一侧的升降仪可沿凹槽滑动，两侧升降仪之间由
压缩弹簧相连，压缩弹簧可以在模型升降过程受到拉伸或挤压时起到调节缓冲作用。

[0021] 航行体的运动方式可以通过调节升降仪的运动来实现。设定尾部一侧升降仪的运动方式为sin(ωt)，而首部一侧升降仪的运动方式为sin(ωt‑θ)，改变θ的值可以改变航行
体运动时俯仰的角度改变ω的值可以控制模型俯仰的频率，通过改变ω，θ与前进速度三者
的大小可以控制航行体的具体运动轨迹。通过设定升降仪的具体升降方式，可以实现水下
航行体以正余弦波波形或者斯托克斯波波形的方式运动，从而研究水下航行体在不同运动
方式下的破冰效果差异。

[0022] 实验前，向实验水池内注入一定量的水，在低温实验室内将水池内的水面冻结成冰面。运动轨道固定在水池底部，轨道上安装液压升降仪，可带动升降仪以一定速度运动。
水池前后两侧安装有深度定位仪，测量航行体在水下的深度。水池一侧接近冰面位置安装
垂直位移传感器，测量冰面变形情况。

[0023] 启动液压升降仪4和5按图4示例的运动曲线进行运动，运动轨道3带动升降仪以一定速度前进，使航行体模型2在冰面8下方进行移动，从而实现航行体在冰面下方不同方式
运动的模拟。冰下航行体的运动会激起流体扰动，从而激起冰面发生水弹性响应。此时，记
录下垂直位移传感器7测量的冰面垂直方向位移的示数，观察冰层的变形情况。通过深度定
位仪6记录模型的下潜深度。改变ω和θ的值及前进速度来控制液压升降仪的运动轨迹，从
而改变航行体模型冰下运动的方式，再次记录下垂直位移传感器7测量的冰面垂直方向位
移，并观察冰面是否发生破坏，探索冰下航行体不同运动方式破冰的破冰能力。本发明也可
通过改变水下航行体的下潜深度，冰层厚度等参数观察不同条件下冰面的变形情况以及破
冰条件。

[0024] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。