一种船模六自由度运动测量的适航装置

摘要

本发明公开了一种船模六自由度运动测量的适航装置，包括设置于水面上的两道平行的导轨、平动测量系统、船模系统、转动测量系统以及拖拽系统；平动测量系统包括矩形框架、横荡杆、垂直导向套筒、垂荡杆、第一弹簧、竖棍、第二弹簧；矩形框架包括横梁、纵梁，两道横梁的两端分别与导轨垂直连接，两道纵梁垂直固定于两道横梁上；横荡杆与两道横梁相连接，横荡杆的中部设有垂直导向套筒，垂荡杆一端穿过垂直导向套筒并与船模系统连接；多个第一弹簧设置于横荡杆与纵梁之间；四根竖棍的上端分别与横梁、纵梁交叉处的下端面连接，下端与第二弹簧的一端连接，第二弹簧的另一端与船模系统连接。本发明能够测量拖航船模的六自由度运动。

权利要求

1.一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，包括设置于水池水面上的两道平行布置的导轨、设置于导轨上的平动测量系统、固定于平动测量系统上的船模系统、固定于平动测量系统与船模系统之间的转动测量系统以及与平动测量系统连接的拖拽系统；

所述平动测量系统包括矩形框架、横荡杆、垂直导向套筒、垂荡杆、第一弹簧、竖棍、第二弹簧；所述矩形框架包括横梁、纵梁，两道横梁的两端分别与导轨垂直连接，两道纵梁垂直固定于两道横梁上；横荡杆与两道横梁相连接，横荡杆的中部设有垂直导向套筒，垂荡杆一端穿过垂直导向套筒并与船模系统连接；多个第一弹簧设置于横荡杆与纵梁之间；四根竖棍的上端分别与横梁、纵梁交叉处的下端面连接，下端与第二弹簧的一端连接，第二弹簧的另一端与船模系统连接；

所述转动测量系统包括艏摇转轴、纵摇转轴、横摇转轴、安装平板；艏摇转轴设置于垂荡杆的底端；横摇转轴固定在安装平板上；纵摇转轴固定于横摇转轴的中部，两端分别与艏摇转轴的下端连接；安装平板固定在船模系统重心处；

所述拖拽系统包括钢丝绳、定滑轮、砝码或卷扬机；所述钢丝绳一端与矩形框架连接，另一端跨过定滑轮连接砝码或卷扬机；

竖棍的底端安装有第三弹簧和第三导向滑块；第三导向滑块的顶部和底部各连接一个第三弹簧，第三弹簧的一端连接第三导向滑块，另一端连接固定在竖棍上的挡板；第三导向滑块与第二弹簧相连接。

2.根据权利要求1所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，两道横梁的两端通过第一导向滑块与导轨垂直连接，所述横荡杆的两端通过第二导向滑块与两道横梁连接。

3.根据权利要求2所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，所述第一导向滑块、第二导向滑块的横截面都为倒置槽型，两者的内表面设有滚珠；所述垂直导向套筒横截面为矩形，内表面设有滚珠。

4.根据权利要求1所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，四个第一弹簧对称布置在横荡杆的左右两侧，第一弹簧的两端分别连接纵梁和横荡杆。

5.根据权利要求2或3所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，第一导向滑块、第二导向滑块、垂直导向套筒上分别安装有位移传感器。

6.根据权利要求1所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，所述定滑轮通过动滑轮与砝码连接。

7.根据权利要求1所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，所述艏摇转轴、纵摇转轴、横摇转轴上分别安装有角度传感器。

8.根据权利要求1所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，沿导轨长度方向上，每间隔一定距离设置一个支撑立柱，支撑立柱的上端与导轨底面连接，下端与水池底面连接。

9.根据权利要求1所述的一种船模六自由度运动测量的适航装置，其特征在于，所述船模系统包括船壳、重心基座，重心基座固定在船模系统的重心位置处，安装平板与重心基座连接。

说明书

一种船模六自由度运动测量的适航装置

技术领域

[0001] 本发明涉及船模水动力学试验领域，特别涉及一种船模六自由度运动测量的适航装置。

背景技术

[0002] 船舶在海浪中航行时会产生六自由度摇荡运动。船舶沿通过其重心G的纵轴(OX轴)、横轴(OY轴)与竖轴(OZ轴)的往复振荡分别称为纵荡、横荡和垂荡运动，它们属于线位
移运动；船舶绕OX、OY、OZ三个轴的角振荡分别称为横摇、纵摇和艏摇运动，它们属于角位移
运动。

[0003] 水池模型耐波性试验是研究和预报船舶在波浪中运动响应的最直接有效的方法，不仅可用于船舶设计阶段的船型优化与定型，而且还是验证理论算法的重要途径。现有的
拖曳水池模型试验中，通常是借助于大型航车和适航仪装置测量船模在迎浪工况下运动。
一些先进的水池实验室安装有大型X‑Y型航车，可用于测量船模在斜浪中的运动响应。然
而，在水池实验室中建设航车系统的造价较高。现有的大量水池实验室(例如海洋工程、港
口与航道、水利工程等用途的水池)中虽配备了完善的造波机系统，但往往并未装有航车，
使得这类水池中难以开展拖航船模的耐波性试验。

[0004] 此外，船模拖曳水池试验中船模运动的测量需要借助于适航仪系统，现有的接触式的机械适航仪可以测量船模在波浪中的横摇、纵摇、升沉、横荡、纵荡共5个自由度运动，
但无法测量艏摇运动。这是因为斜浪中船模会发生艏摇运动，横向力作用下的船模航向会
逐渐发生偏离。但是现有的适航仪装置无法为拖航船模提供艏摇方向的恢复力，无法使船
模的航向恢复到预定方向，因此船模不具有航向稳定性。实船在海上航行时是通过不断操
舵来对航向角进行修正，达到航向稳定性的目的。因此，水池模型试验中，通常是将船模的
艏摇自由度进行约束与固定，不测量船模的艏摇运动，但这与实船海上航行时的运动姿态
存在一定的差异。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种船模六自由度运动测量的适航装置，不需要安装在航车等大型设备上，且能够测量拖航船模的六自由度运动。

[0006] 本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种船模六自由度运动测量的适航装置，包括设置于水池水面上的两道平行布置的导轨、设置于导轨上的平动测量系统、固定于
平动测量系统上的船模系统、固定于平动测量系统与船模系统之间的转动测量系统以及与
平动测量系统连接的拖拽系统；

[0007] 所述平动测量系统包括矩形框架、横荡杆、垂直导向套筒、垂荡杆、第一弹簧、竖棍、第二弹簧；所述矩形框架包括横梁、纵梁，两道横梁的两端分别与导轨垂直连接，两道纵
梁垂直固定于两道横梁上；横荡杆与两道横梁相连接，横荡杆的中部设有垂直导向套筒，垂
荡杆一端穿过垂直导向套筒并与船模系统连接；多个第一弹簧设置于横荡杆与纵梁之间；
四根竖棍的上端分别与横梁、纵梁交叉处的下端面连接，下端与第二弹簧的一端连接，第二
弹簧的另一端与船模系统连接；

[0008] 所述转动测量系统包括艏摇转轴、纵摇转轴、横摇转轴、安装平板；艏摇转轴设置于垂荡杆的底端；横摇转轴固定在安装平板上；纵摇转轴固定于横摇转轴的中部，两端分别
与艏摇转轴的下端连接；安装平板固定在船模系统重心处；

[0009] 所述拖拽系统包括钢丝绳、定滑轮、砝码或卷扬机；所述钢丝绳一端与矩形框架连接，另一端跨过定滑轮连接砝码或卷扬机。

[0010] 进一步地，两道横梁的两端通过第一导向滑块与导轨垂直连接，所述横荡杆的两端通过第二导向滑块与两道横梁连接。第一导向滑块使得矩形框架可沿导轨纵向自由滑
动，第二导向滑块可使横荡杆能够沿两道横梁横向自由滑动。

[0011] 进一步地，所述第一导向滑块、第二导向滑块的横截面都为倒置槽型，两者的内表面设有滚珠；所述垂直导向套筒横截面为矩形，内表面设有滚珠。滚珠可减小滑动摩擦力。

[0012] 进一步地，四个第一弹簧对称布置在横荡杆的左右两侧，第一弹簧的两端分别连接纵梁和横荡杆。

[0013] 进一步地，竖棍的底端安装有第三弹簧和第三导向滑块；第三导向滑块的顶部和底部各连接一个第三弹簧，第三弹簧的一端连接第三导向滑块，另一端连接固定在竖棍上
的挡板；第三导向滑块与第二弹簧相连接。通过第三导向滑块与第二弹簧相连接，目的是在
船模系统垂向运动过程中使第二弹簧尽可能保持水平，从而避免第二弹簧对船模系统垂向
运动的干扰与影响。

[0014] 进一步地，第一导向滑块、第二导向滑块、垂直导向套筒上分别安装有位移传感器。分别用于测量船模系统的纵荡信号、横荡信号、垂荡信号。

[0015] 进一步地，所述定滑轮通过动滑轮与砝码连接。通过设置动滑轮可以增加砝码下落过程中的钢丝绳行程，从而增加砝码下落同样高度时的船模系统的行程。

[0016] 进一步地，所述艏摇转轴、纵摇转轴、横摇转轴上分别安装有角度传感器。分别测量船模的横摇、纵摇和艏摇信号。

[0017] 进一步地，沿导轨长度方向上，每间隔一定距离设置一个支撑立柱，支撑立柱的上端与导轨底面连接，下端与水池底面连接。支撑立柱可防止导轨在自重作用下发生下垂变
形。

[0018] 进一步地，所述船模系统包括船壳、重心基座，重心基座固定在船模系统的重心位置处，安装平板与重心基座连接。

[0019] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0020] 1.本发明的适航装置不需要安装在航车等大型设备上，也可开展船模耐波性试验。因此，本装置可以广泛应用于未安装航车的水池实验室(例如海洋工程、港口与航道、水
利工程等用途的水池)中，用于开展拖航船模的耐波性试验，甚至可应用于在实际海域环境
中开展模型耐波性试验。该装置可在水池中快速安装与拆卸，并能够进行轨道方向的调整，
从而可以开展不同浪向角下的船模耐波性试验。

[0021] 2.该装置能够测量拖航船模的六自由度运动。尤其是通过安装第二弹簧可为船模艏摇运动提供恢复力，从而模拟了船舶的操舵效应，使得船模具有航向稳定性，解决了现有
适航仪装置无法模拟与测量艏摇运动的缺陷。因此，本装置适用于任何浪向角下的船模耐
波性试验，能够真实地模拟船舶在海洋环境中的航行姿态。

附图说明

[0022] 图1是本发明实施例中迎浪工况下轨道在水池中的布置俯视图；

[0023] 图2是本发明实施例中斜浪工况下轨道在水池中的布置俯视图；

[0024] 图3是本发明实施例中适航装置的总体结构图；

[0025] 图4是图3的侧视图；

[0026] 图5是图3的俯视图；

[0027] 图6是本发明实施例中船模系统及第二弹簧的俯视图；

[0028] 图7是本发明实施例中第一导向滑块与导轨连接处的局部视图；

[0029] 图8是本发明实施例中转动测量系统的结构示意图；

[0030] 图9是本发明实施例中钢丝绳与卷扬机连接的示意图；

[0031] 图10是本发明实施例中钢丝绳与砝码连接的示意图。

[0032] 其中：1：导轨，2：支撑立柱，3：矩形框架，4：纵梁，5：横梁，6：横荡杆，7：竖棍，8：挡板，9：第一弹簧，10：第二弹簧，11：第三弹簧，12：第一导向滑块，13：第二导向滑块，14：第三
导向滑块，15：滚珠，16：垂直导向套筒，17；垂荡杆，18：艏摇转轴；19：纵摇转轴，20：横摇转
轴，21：安装平板，22：钢丝绳，23：定滑轮，24：动滑轮，25：砝码，26：卷扬机，27：船壳，28：重
心基座，29：水池，30：造波机。

具体实施方式

[0033] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0034] 一种船模六自由度运动测量的适航装置，包括设置于水池水面上的两道平行布置的导轨1、设置于导轨上的平动测量系统、固定于平动测量系统上的船模系统、固定于平动
测量系统与船模系统之间的转动测量系统以及与平动测量系统连接的拖拽系统。

[0035] 两道平行布置的导轨设置于水池29的水面上一定高度处，并与水面平行，在水池的一端设置有造波机30。导轨采用矩形等截面形式，为可装卸式，因此可在无航车的水池中
快速安装并使用。如图1、2所示，轨道可以在水池上方沿任意位置和角度布置，从而测量不
同航向角下的船模运动响应。沿导轨长度方向上，每间隔一定距离设置一个支撑立柱2，防
止导轨在自重作用下发生下垂变形。支撑立柱的上端与导轨底面连接，下端与水池底面连
接。

[0036] 如图3、4、5所示，平动测量系统包括矩形框架3、横荡杆6、垂直导向套筒16、垂荡杆17、第一弹簧9、竖棍7、第二弹簧10。矩形框架包括横梁5、纵梁4，两道横梁与导轨垂直且其
宽度等于两导轨间宽度，两道横梁端部都装有第一导向滑块12，使得矩形框架可沿导轨纵
向自由滑动。矩形框架的两道纵梁与两道横梁垂直连接固定，形成一体。横荡杆的两端通过
第二导向滑块13与前后两道横梁相连接，并能够沿两道横梁横向自由滑动。为了提供船模
横荡运动的恢复力，本实施例中共采用四个第一弹簧，在横荡杆的左右两侧各布置两个。第
一弹簧的两端分别连接纵梁和横荡杆，并与两者垂直布置。横荡杆的中部设有垂直导向套
筒，用于连接垂荡杆，垂荡杆穿过垂直导向套筒并能够无约束地上下运动。

[0037] 竖棍为圆柱形，其上端与矩形框架的横梁与纵梁的交叉处的下端面相连接，其下端与第二弹簧的一端相连接。本实施例中共采用四根竖棍和四个第二弹簧。如图6所示，位
于船模系统前方的两个第二弹簧的另一端连接船艏，位于船模系统后方的两个第二弹簧的
另一端连接船艉。第二弹簧用于为船模艏摇运动提供恢复力。

[0038] 如图7所示，第一导向滑块、第二导向滑块的横截面为倒置槽型，两者的内表面与导轨或横梁的顶面和两侧面的接触面设置滚珠，从而减小滑动摩擦力。第一导向滑块不接
触导轨的底面，从而避免第一导向滑块沿导轨纵向移动通过支撑立柱时与其发生碰撞。如
图5所示，垂直导向套筒截面为矩形，其内部内设有滚珠，从而减小与垂荡杆之间的滑动摩
擦力。

[0039] 如图3、4所示，竖棍的底端装有第三弹簧11和第三导向滑块14，第三导向滑块截面为圆环形，可穿过竖棍并沿竖棍上下自由运动。第三导向滑块的顶部和底部的两端面各连
接一个第三弹簧。第三弹簧的一端连接第三导向滑块，另一端连接固定在竖棍上的挡板8。
通过第三导向滑块与第二弹簧相连接，目的是在船模系统垂向运动过程中使第二弹簧尽可
能保持水平，从而避免第二弹簧对船模系统垂向运动的干扰与影响。

[0040] 在第一导向滑块上安装位移传感器，测量矩形框架与导轨之间的相对位置，作为船模的纵荡信号。在第二导向滑块上安装位移传感器，测量横荡杆与横梁之间的相对位置，
作为船模的横荡信号。在垂直导向套筒上安装位移传感器，测量垂荡杆与垂直导向套筒之
间的相对位置，作为船模的垂荡信号。

[0041] 如图8所示，转动测量系统包括艏摇转轴18、纵摇转轴19、横摇转轴20、安装平板21。艏摇转轴设置于垂荡杆的底端，横摇转轴固定在安装平板上。纵摇转轴固定于横摇转轴
的中部，两端分别与艏摇转轴的下端连接。船模系统包括船壳27和重心基座28，重心基座固
定在船模重心位置处，安装平板固定在重心基座上。在横摇转轴、纵摇转轴和艏摇转轴上分
别安装有角度传感器，分别测量船模的横摇、纵摇和艏摇信号。

[0042] 如图9、10所示，拖拽系统包括钢丝绳22、定滑轮23、砝码25或卷扬机26。钢丝绳的一端连接矩形框架前方的横梁，另一端跨过定滑轮连接砝码或卷扬机。定滑轮位于的水池
端部，并与导轨具有相同高度，从而使钢丝绳的牵引力沿水平方向。当需要对船模系统施加
恒定拖曳力时，采用砝码牵引钢丝绳；当需要对船模系统施加恒定航速时，采用卷扬机牵引
钢丝绳。如图10所示，定滑轮可通过动滑轮24与砝码连接，通过设置动滑轮可以增加砝码下
落过程中的钢丝绳行程，从而增加砝码下落同样高度时的船模系统行程。

[0043] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保
护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。