船模横摇运动激励装置及船模横摇阻尼测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于船舶工程领域，具体涉及一种船模横摇运动激励装置及船模横摇阻尼测量方法。激励装置包括用于连接固定至船模的法兰盘、竖直设置在法兰盘上方的导向结构、设置于导向结构上的丝杠滑块组、设置于法兰盘上的旋转驱动机构；丝杠滑块组中的滑块可沿导向结构上下移动；旋转驱动机构包括设置在法兰盘底部的电机、用于连接丝杠的联轴器。本发明专利技术不同于现有船模强迫横摇运动的产生式，无需要提供产生横摇运动的外部强迫横摇力矩，回避了生成和控制外部强迫横摇力矩的困难，横摇运动产生方式简单方便；本发明专利技术的测量方法在有效的频率范围内仅通过调整滑块振荡频率便可实现不同幅度的稳态横摇运动，测量方法新颖灵巧。

【技术实现步骤摘要】
船模横摇运动激励装置及船模横摇阻尼测量方法
本专利技术属于船舶工程领域，具体涉及一种船模横摇运动激励装置及船模横摇阻尼测量方法。
技术介绍
横摇阻尼是船舶横摇运动时水对船体纵向轴线的水动力矩。目前，船模横摇阻尼测量方法有两类：模横摇运动自由衰减试验以及船模强迫横摇运动试验。船模横摇运动自由衰减是强迫船模有一个初始的静横倾角度；释放船模后，在初始静横倾角和水对船模横摇阻尼力矩的共同作用下，船模横摇运动逐步振荡衰减，直至静止；船模横摇运动自由衰减试验是测量船模横摇阻尼的常规方法，虽然试验简单，但由于横摇自由衰减试验不能产生横摇幅度稳定的运动，测量大幅度横摇运动阻尼和强非线性横摇阻尼都受到限制。强迫横摇运动试验测量船模横摇阻尼，需要提供一个幅值恒定的正弦式的作用于船模的外部力矩，生成这样一个外部力矩正是强迫横摇运动试验测量船模横摇阻尼的难点。横向振荡载荷产生作用于船模的外部力矩，按一个固定的频率横向振荡载荷是容易的，由于力矩大小取决于横向移动的行程与横摇角的余弦乘积成正比，产生的力矩幅值不仅与行程有关，还与横摇角的大小有关，所以要保证幅值恒定的外部力矩在理论上就无法实现。因此，强迫横摇运动试验只能通过特定的机械结构或电磁模式来实现，由此导致的问题就是机械结构复杂，装置的尺寸大、重量重；另一个更重要的问题是控制复杂、难度大。为了实现幅值恒定的外部力矩，控制电机转速来保证外部力矩的振荡频率，再由电机输出扭矩来保证外部力矩幅值的恒定，此时反馈信号是必须的。反馈信号包括横摇角和横摇轴的力矩值，横摇轴的力矩值通常采用应力应变仪测量，并通过电信号反馈至电机控制部件中。由此可见，需要电机转速、电机扭矩、反馈信号等多个控制要素和转换测量要素结合，才能保证所需要的幅值恒定的外部力矩，这种复杂的控制除其本身固有问题外，多个环节要素组合大大增加了横摇阻尼测量的误差，横摇阻尼测量品质降低，尤为重要的是大幅度横摇运动的非线性横摇阻尼的测量甚至难以实现。经检索发现，文献《磁粉离合器横摇激振装置(彭英声)》提供了一种电磁模式的方法，这个装置能够实现幅值恒定的作用于船模的外部力矩，但由于控制过于复杂，制约了这种模式至今未能得到实际应用。文献《油船强迫横摇试验及分析研究(刘小健等)》、《不同横摇幅值下的强迫横摇水动力测试及参数分析研(刘小健等)》提供了一种电机驱动机械结构产生幅值恒定的外力矩方法，由于尺寸重量的原因使得装置必须安装于拖车上，这个装置和测量方法除其固有的控制难度外，文献只给出了最大横摇角15°的测量结果，这表明该装置方法未能摆脱船模大幅度非线性横摇阻尼测量所受到的限制制约。经检索发现，专利申请号为CN201410333812.8，公开号为CN104123866A的专利技术专利，提供的是一种船模强迫横摇实验装置，包括固定装置、控制与驱动装置和数据采集装置，固定装置包括底板和安装在底板上的框架，还包括曲柄导轨移动装置和连杆驱动装置，曲柄导轨移动装置包括安装在直线导轨支座上的一号水平导轨及二号水平导轨、与一号水平导轨及二号水平导轨配合的一号滑块及二号滑块、与两个滑块固连的竖直导轨、与竖直导轨配合的竖直滑块和与竖直滑块连接的曲柄，所述曲柄中间位置和控制与驱动装置连接，所述连杆驱动装置包括推杆和连杆，推杆的一端与一号滑块固连、另一端与连杆连接，连杆的下端与数据采集装置连接。这是一个典型的连杆机械结构方式驱动船模横摇运动的装置，连杆机构驱动船模横摇运动最大特点在于，随着船模横摇角度增大，保持幅值恒定的外部力矩越来越困难，导致横摇阻尼测量误差急剧放大。
技术实现思路
本专利技术创造的目的在于，基于船舶参数横摇的力学机理，提供一种新的船模横摇运动驱动方式——激励装置，提供基于该装置的船模横摇阻尼测量方法，激励装置结构更加简单，测量方法新颖、简便，对实验环境要求低，适用于在各类水池/水槽/自然水域中应用。为实现上述目的，本专利技术创造采用如下技术方案。一种船模横摇运动激励装置，包括用于连接固定至船模的法兰盘、竖直设置在法兰盘上方的导向结构、设置于导向结构上的丝杠滑块组、设置于法兰盘上的旋转驱动机构；丝杠滑块组中的滑块可沿导向结构上下移动；旋转驱动机构包括设置在法兰盘底部的电机、用于连接丝杠的联轴器；电机用于驱动丝杠旋转。对前述船模横摇运动激励装置的进一步改进，导向结构包括两个平行设置的竖直导向板以及连接两个竖直导向板顶部的顶板，竖直导向板垂直于法兰盘；丝杠滑块组中的丝杠设于两个竖直导向板之间，丝杠滑块组中的滑块在丝杠驱动下沿竖直导向板上下滑动。对前述船模横摇运动激励装置的进一步改进，导向结构为筒状结构，中间设有光滑孔道，滑块形状与光滑孔道匹配以可在光滑孔道中间上下滑动。对前述船模横摇运动激励装置的进一步改进，滑块上设有通孔，导向结构包括可插入通孔中的导向杆。对前述船模横摇运动激励装置的进一步改进，所述丝杠是指滚珠丝杠。一种船模横摇阻尼测量方法，包括如下步骤：S1.启动激励船模横摇运动的装置，电机驱动滑块沿丝杠往复垂直上下振荡，总振荡行程为lqo；S2.控制电机的转动方向和转动速度，使滑块以频率ω上下振荡，振荡行程随时间t的变化规律lq(t)按谐波模式,lq(t)＝0.5lqosin(ωt)；S3.约在船模横摇固有频率ω0的一个区间[2ω0-0.3ω0,2ω0+0.3ω0]范围内，调节滑块的振荡频率ω并保持不变，观察船模的横摇运动情况，若船模出现横摇运动，继续保持振荡频率ω不变，直到船模横摇运动达到稳定状态，即横摇角幅值保持为常数；S4.根据滑块重量q，记录船模稳态横摇角幅值记录随时间t变化的船模横摇角记录随时间t变化的质量滑块沿丝杠的振荡行程lq(t)；S5.截取船模稳态横摇运动半周期(T/2)内，横摇角和滑块行程的N个数据，数值求和计算船模稳态横摇运动半周期内滑块释放的总能量S6.假定船模等效横摇阻尼系数为常数，任意时刻t，水对船模横摇运动的阻尼力矩等于等效横摇阻尼系数与横摇角速度的乘积在角位移内，横摇阻尼耗散能量等于横摇阻尼力矩与角位移的乘积船模稳态横摇运动半周期(T/2)内阻尼耗散总能量等于所有角位移内的能量积分：S7.由随时间t变化的横摇角关系式通过微分得出横摇角速度横摇角位移的变化规律：横摇角速度和横摇角位移的变化规律，代入到阻尼耗散总能量的积分式中，得到积分结果基于能量守恒原理，稳态横摇半周期内，滑块释放的总能量等于船模横摇阻尼耗散的总能量，基于此能量守恒关系确定船模横摇等效阻尼系数2Nφ的测量值：其有益效果在于：1、本专利技术的装置提供了一种全新的船模横摇运动产生方式——激励船模横摇运动，不同于现有船模强迫横摇运动的产生式，无需要提供产生横摇运动的外部强迫横摇力矩，从而回避了生成和控制外部强迫横摇力矩的困难，船模横摇运动的产生方式简单方便；2、本专利技术的测量方法，巧妙运用船舶参数激励横摇运动的特性，在有效的频率范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船模横摇运动激励装置，其特征在于，包括用于连接固定至船模的法兰盘、竖直设置在法兰盘上方的导向结构、设置于导向结构上的丝杠滑块组、设置于法兰盘上的旋转驱动机构；丝杠滑块组中的滑块可沿导向结构上下移动；旋转驱动机构包括设置在法兰盘底部的电机、用于连接丝杠的联轴器；电机用于驱动丝杠旋转。/n

【技术特征摘要】
1.一种船模横摇运动激励装置，其特征在于，包括用于连接固定至船模的法兰盘、竖直设置在法兰盘上方的导向结构、设置于导向结构上的丝杠滑块组、设置于法兰盘上的旋转驱动机构；丝杠滑块组中的滑块可沿导向结构上下移动；旋转驱动机构包括设置在法兰盘底部的电机、用于连接丝杠的联轴器；电机用于驱动丝杠旋转。


2.根据权利要求1所述一种船模横摇运动激励装置，其特征在于，导向结构包括两个平行设置的竖直导向板以及连接两个竖直导向板顶部的顶板，竖直导向板垂直于法兰盘；丝杠滑块组中的丝杠设于两个竖直导向板之间，丝杠滑块组中的滑块在丝杠驱动下沿竖直导向板上下滑动。


3.根据权利要求1所述一种船模横摇运动激励装置，其特征在于，导向结构为筒状结构，中间设有光滑孔道，滑块形状与光滑孔道匹配以可在光滑孔道中间上下滑动。


4.根据权利要求1所述一种船模横摇运动激励装置，其特征在于，滑块上设有通孔，导向结构包括可插入通孔中的导向杆。


5.根据权利要求1所述一种船模横摇运动激励装置，其特征在于，所述丝杠是指滚珠丝杠。


6.一种船模横摇阻尼测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.启动船模横摇运动激励装置，电机驱动滑块沿滚珠丝杆往复垂直上下振荡，总振荡行程为lqo；
S2.控制电机的转动方向和转动速度，使滑块以频率ω上下振荡，振荡行程随时间t的变化规律lq(t)按谐波模式,lq(t)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱军，夏齐强，王智宇，朱韬，黄昆仑，葛义军，叶茂松，
申请(专利权)人：朱军，
类型：发明
国别省市：湖北;42