本發(fā)明涉及船舶動力學(xué)試驗裝置，尤其是一種拖曳水池piv試驗?zāi)Ｐ蛷?qiáng)制約束裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

1、目前深水拖曳水池piv流場試驗基本以系統(tǒng)隨車安裝的測試方式為主，岸基式的測試方式幾乎已經(jīng)棄用，并且主要圍繞基于雙目成像工作原理的stereo-piv(含2臺相機(jī))系統(tǒng)制定流場測試方案，其中stereo-piv系統(tǒng)對外輸出的激光是片狀光形式。

2、研究人員對船模本體、附體，特別是螺旋槳周圍的流場分布極感興趣，而在拖曳水池試驗場景下，沿拖曳方向(或者流向)的速度遠(yuǎn)大于另外兩個方向的速度，在考慮piv測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度和對測試區(qū)域干擾程度的前提下，stereo-piv系統(tǒng)的激光部分和相機(jī)系統(tǒng)集成在同一段剛性結(jié)構(gòu)體中，導(dǎo)致輸出的片狀激光垂直于拖曳方向，由于為了確保在相機(jī)感光元件上有合適的像素偏移值，需要控制相鄰兩幀的拍攝時間間隔不宜過小，否則會出現(xiàn)峰值鎖定現(xiàn)象導(dǎo)致難以識別粒子群在前后兩幀的位移，而流向速度較大的特性也會導(dǎo)致示蹤粒子在拍攝第二幀時已脫離激光照亮區(qū)域，因此對拍攝的相鄰兩幀示蹤粒子分布原始圖片進(jìn)行互相關(guān)計算得到的速度場會因粒子穿越丟失而存在較多的速度壞點，從統(tǒng)計學(xué)的角度可以連續(xù)拍攝多組圖片，對計算得到的速度場進(jìn)行平均處理來得到較好的流場結(jié)果，但是上述對采樣的多組數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行平均處理的方式要求模型在試驗過程中處于穩(wěn)定態(tài)。此外，在拖曳水池開展piv流場試驗一般是在靜水條件下進(jìn)行，研究人員關(guān)注的是在靜水中典型航速下的目標(biāo)流場分布，船模的設(shè)計/結(jié)構(gòu)吃水水線是目標(biāo)船靜止在靜水中和水面的交接線，運動狀態(tài)下船模存在抬艏/埋艏等姿態(tài)變化，此時的水線與船模在靜止時的水線不同，因此開展流場試驗時需要將船模姿態(tài)調(diào)整到自由航行時的姿態(tài)。

3、現(xiàn)有技術(shù)中具備開展船模三維piv流場試驗?zāi)芰Φ耐弦匪剌^少，且以商業(yè)水池為主，公開資料有限，主要有兩種約束模型的方式：

4、一、采用阻力自航試驗任務(wù)中的源自英國cussons公司研制的阻力儀，該阻力儀上有一套氣動控制的夾具，利用該夾具帶動船模以設(shè)定航速運行，配合阻力自航試驗中相關(guān)的導(dǎo)航裝置來約束縱蕩和艏搖等，使船模在垂蕩和縱傾兩個姿態(tài)下處于自由態(tài)，自動達(dá)到穩(wěn)定平衡，但是該方案采用的氣動抱閘裝置受氣動系統(tǒng)剛度差的影響，每次抱閘后夾具的夾持點相對于拖車存在物理位置偏移，使得流場實際測量面與期望測量面存在位置偏差，失去流場測量的意義；

5、二、下水前在船模表面畫好對應(yīng)航速自由狀態(tài)下的吃水線，利用木板將船模和拖車測試平臺強(qiáng)制綁定，在固定過程中根據(jù)畫的水線調(diào)節(jié)每根木板的固定方式，使水線和水面對齊，該方法存在的缺點是木板剛度差，在拖曳過程中存在一定程度的變形，會導(dǎo)致模型姿態(tài)發(fā)生變化，此外，現(xiàn)場安裝固定的木板較多，并且需要嚴(yán)格控制每根木板的安裝位置來確保水線與水池水面的對齊，帶來較大的工作量和較高的難度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)人針對上述現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)中在深水拖曳水池piv三維流場試驗中現(xiàn)有的模型姿態(tài)調(diào)節(jié)方法存在效率低、工作量大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等問題，并且現(xiàn)有的商用stereo-piv系統(tǒng)的有效測量區(qū)域在設(shè)計階段即被固化，幾乎沒有調(diào)節(jié)空間，因此存在模型被測區(qū)域和piv系統(tǒng)可測區(qū)域匹配的問題，從而提供一種拖曳水池piv試驗?zāi)Ｐ蛷?qiáng)制約束裝置及使用方法，從而使其具有較豐富的姿態(tài)約束功能、高效簡易的實施流程和可靠的船模姿態(tài)維持特性。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種拖曳水池piv試驗?zāi)Ｐ蛷?qiáng)制約束裝置，包括試驗船模，試驗船模上設(shè)置有多個船模甲板連接板，單個船模甲板連接板上通過船模連接座安裝模型強(qiáng)制約束裝置，模型強(qiáng)制約束裝置連接測試平臺；

4、模型強(qiáng)制約束裝置的結(jié)構(gòu)為：包括間隔布置的滑塊軌和齒輪軌，滑塊軌落座在測試平臺滑軌上，滑塊軌沿著測試平臺滑軌滑動，齒輪軌落座在測試平臺基座上，測試平臺基座上安裝有測試平臺的齒條，滑塊軌和齒輪軌之間間隔分布有橫向移動滑軌，滑塊軌的一端以及齒輪軌的兩端分別安裝有夾緊裝置；滑塊軌、齒輪軌和兩個橫向移動滑軌形成四邊形結(jié)構(gòu)，位于其中一個橫向移動滑軌的外部安裝有橫向移動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，兩個橫向移動滑軌上配合安裝有平移框架，平移框架的內(nèi)部安裝升降桿，平移框架的頂面固定有頂板，頂板上安裝電機(jī)，電機(jī)的輸出端連接蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的輸出軸穿過頂板后與升降桿鎖緊，升降桿的底部與船模連接座固定。

5、其進(jìn)一步技術(shù)方案在于：

6、夾緊裝置可緊緊抱住測試平臺滑軌和測試平臺基座，從而將整套模型強(qiáng)制約束裝置鎖緊在測試平臺上。

7、齒輪軌內(nèi)插入縱向移動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，核心驅(qū)動部件圓柱齒輪在齒輪軌內(nèi)部，并與齒條相互咬合。

8、電機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器連接蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)；頂板上安裝有墊板，墊板是為了平衡電機(jī)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的高度差。

9、平移框架兩側(cè)各安裝兩個垂向移動滑塊，并用緊固件固定，垂向移動滑軌用緊固件固定在升降桿兩側(cè)，升降桿頂部固定有大螺母，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的輸出端和大螺母配合工作，可驅(qū)動升降桿沿垂向移動，四個垂向移動滑塊和兩根垂向移動滑軌配合工作，起移動導(dǎo)向作用。

10、升降桿上裝有第一指針，平移框架上貼有沿垂向布置的刻度尺，配合使用可顯示升降桿的垂向位置。

11、主橫向橫梁和副橫向橫梁分別通過緊固件固定在滑塊軌和齒輪軌上，主橫向橫梁和副橫向橫梁的上表面均鋪設(shè)有一根橫向移動滑軌，平移框架兩側(cè)均固定橫向移動滑塊，橫向移動滑塊與橫向移動滑軌配合起滑行導(dǎo)向用途。

12、主橫向橫梁和副橫向橫梁均采用工字梁結(jié)構(gòu)。

13、橫向移動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的安裝結(jié)構(gòu)為：驅(qū)動絲桿直徑較小的一端先裝入一號推力球軸承，然后穿過主橫向橫梁的通孔，一號推力球軸承鑲嵌在安裝座內(nèi)，起轉(zhuǎn)動支撐作用，在穿透出來的部位上裝入二號推力球軸承和擋圈本體，主橫向橫梁的通孔孔徑小于一號推力球軸承和二號推力球軸承的直徑，一號推力球軸承和二號推力球軸承被主橫向橫梁格擋開，驅(qū)動絲桿直徑較小的一端車有一小段細(xì)螺紋，通過小圓螺母將二號推力球軸承和擋圈本體緊緊貼合主橫向橫梁，手柄安裝在末端，方便轉(zhuǎn)動驅(qū)動絲桿，將絲母倒裝在平移框架上，驅(qū)動絲桿直徑較大一端車粗螺紋與絲母配合使用；轉(zhuǎn)動手柄，驅(qū)動絲桿對絲母進(jìn)行驅(qū)動，平移框架在橫向移動滑塊與橫向移動滑軌的導(dǎo)向作用下可在橫向移動，每根橫向移動滑軌上裝有兩個限位塊，這兩個限位塊分布在平移框架的兩側(cè)，當(dāng)平移框架在橫向移動到預(yù)定位置后，利用緊固件和限位塊鎖定平移框架的橫向位置。

14、一種拖曳水池piv試驗?zāi)Ｐ蛷?qiáng)制約束裝置的使用方法，包括如下流程：

15、在水平臺上對試驗船模畫好一根自由航行狀態(tài)下的吃水線，在該吃水線下方約1cm處劃一根參考吃水線；

16、強(qiáng)制約束裝置坐落在拖車測試平臺上，滑塊軌和齒輪軌與測試平臺上的滑軌條和齒輪條相互配合起導(dǎo)向作用，通過轉(zhuǎn)動圓柱齒輪，在齒輪和齒輪條的相互作用下可使強(qiáng)制約束裝置沿著滑軌條或齒軌條滑行，配有鎖緊組件可使強(qiáng)制約束裝置和滑軌條或齒軌條位置保持不變；

17、升降桿通過模型連接座和船模固定，模型連接座放開縱傾約束，可適配船模在自由態(tài)下不同的縱傾角要求；

18、通過電機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)帶動升降桿在垂向移動；

19、試驗船模內(nèi)擺放壓鐵直到參考水線和水面齊平，調(diào)節(jié)上述兩臺強(qiáng)制約束裝置升降桿的高度，將試驗船模下壓，使自由航行態(tài)水線和水面齊平，然后將模型連接座和試驗船模連接，可對試驗船模的升沉和縱傾姿態(tài)鎖定。

20、本發(fā)明的有益效果如下：

21、本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、合理，操作方便，通過采用較多的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，在拖曳模型和保持模型姿態(tài)穩(wěn)定性方面有較好表現(xiàn)；兩套裝置協(xié)同使用，在垂向、橫向和縱向三個自由度上都能快速調(diào)節(jié)模型位置，在縱傾方面放開自由度限制的連接座可實時滿足船模多種縱傾角的試驗需求，降低操作人員在準(zhǔn)備階段的工作強(qiáng)度；提出的參考水線安裝法進(jìn)一步強(qiáng)化了本裝置和船模間的連接強(qiáng)度，在試驗準(zhǔn)備階段即可保證船模在水池內(nèi)的穩(wěn)定性，方便人員固定裝置和船模。

22、本發(fā)明通過機(jī)械機(jī)構(gòu)和電氣化裝置高效地實現(xiàn)了對船模在橫向、垂向和縱向三個方向的位置調(diào)整，并且“蹺蹺板”結(jié)構(gòu)形式的模型連接座可方便快捷地固定在有縱傾變化的模型甲板面。

23、本發(fā)明強(qiáng)制約束裝置采用機(jī)械化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)強(qiáng)度高、剛度大，在三個方向具備一定的位置鎖定能力，使試驗中模型姿態(tài)保持較好的穩(wěn)定性。

24、本發(fā)明基于淺吃水的參考水線安裝法，增加了船模和強(qiáng)制約束裝置升降桿之間的垂向作用力，在安裝階段提高了船模在水池內(nèi)的穩(wěn)定性，方便安裝人員在船模內(nèi)走動開展定位安裝工作，降低操作難度、提高操作效率。

25、本發(fā)明模型強(qiáng)制約束裝置的橫向移動功能可以使測量距離固化的stereo-piv系統(tǒng)應(yīng)用到不同尺寸的船模和不同測量的區(qū)域(槳盤面、船附體)，即在約束模型的前提下又?jǐn)U張了現(xiàn)有piv系統(tǒng)的測試范圍。

26、本發(fā)明適用于在深水拖曳水池中開展隨車式piv流場試驗時按照預(yù)期值對目標(biāo)船模進(jìn)行姿態(tài)控制，以及使目標(biāo)測量區(qū)域落在piv系統(tǒng)的最佳測試范圍內(nèi)，并對船模升沉(垂蕩)和縱傾(縱搖)姿態(tài)的調(diào)整以及和船模穩(wěn)固連接的方法。