船舶多自由度水動力測試系統裝置的研制

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(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，武漢 430074)

帆板動力主要來源于風力和水流的聯合作用。在外部自然條件和規定的板型情況下，帆板的初始靜浮態和運動姿態是決定運動狀態的關鍵因素，因此，試圖通過試驗尋求帆板姿態與其運動性能之間的規律，找出最佳狀態提供給運動員作為操控帆板的依據。在外力作用下，帆板運動是一種不穩定的多自由度的耦合運動。帆板在前進的過程中會產生升沉、轉首、俯仰等復合運動。建立固定在帆板上的直角坐標系，帆板在運動過程中的受力見圖1。

T-帆板受到的阻力;N-橫向力;Za-垂向升沉;Mz-繞z軸的轉矩;θ-帆板的縱傾角;φ-帆板橫傾角圖1 帆板運動時受力示意圖

精確測試帆板的受力狀況和運動姿態是試驗研究的關鍵。常規的試驗方法是加各種約束，將復雜運動分解為單一運動，即分成若干個不同的試驗來完成，如：阻力試驗、強制橫傾試驗和強制縱傾試驗，載荷測試等。這樣的試驗不僅費時費力，關鍵是忽略了各自由度運動之間的耦合影響而導致測試結果失真。

多自由度測量系統裝置由轉角機構、升降隨動系統和三分力天平三大部分組成，該裝置集模型拖帶、運動姿態測試和動力測試于一體，可真實模擬帆板的復合運動。

1 系統裝置工作原理及功能

船舶多自由度水動力測量系統裝置是由轉角機構、三分力天平傳感器、升降隨動系統、超聲波測距儀和傾角儀等組成，見圖2。

圖2 多自由度測量系統裝置示意圖

1.1 轉角機構

轉角機構與帆板之間采用的是萬向連接，以保證帆板能繞X軸、Y軸自由轉動。根據試驗需要調整帆板的壓載，改變帆板的初始縱傾角或橫傾角，測量出不同縱傾角和橫傾角組合的情況下帆板的運動性能，并找出最佳的縱傾角和橫傾角組合。

表1 帆板不同狀態下的試驗測試結果

1.2 三分力天平

該天平[1]可同時測量運動物體的阻力、橫向力和繞垂直軸的轉矩，并且這種結構干擾小，加工方便。

天平靜校。采用最小二乘法原理求出各主系數和干擾系數[2]。

1.3 升降隨動系統

為了保證物體在水動力的作用下能自由升沉，隨動裝置中共有8個可調軸承，其中升沉桿軸向4個平面互相垂直，桿與軸承之間最小可調到0.05 mm。當速度穩定后，隨動裝置起到天平固定點的作用，在升沉桿上端裝一塊平板，用超聲波測距儀測出升沉距離。升沉桿垂直于水面，通過裝置下端轉角機構與帆板重心連接，以保證帆板運動時測量的真實性。

1.4 裝置技術特點

通過轉角機構、升降隨動系統和三分力天平，將傳統的單一測試改變為綜合測量，反映了帆板的真實運動，保證了試驗數據的可靠和精度，并且大大縮短試驗時間。該套裝置可測量物體在靜水中的運動性能，亦可用于物體在波浪中的運動響應，安裝十分方便。

2 帆板試驗結果

新型帆板排水量90 kg，總長2.92 m，最大寬0.922 m。

帆板試驗主要內容是改變帆板的初始縱傾角或橫傾角，測量不同速度時的阻力、橫向力、扭矩、升沉及縱傾角和橫傾角，帆板速度為6.0 m/s時不同狀態的試驗結果見表1。

3 結論

1) 新型帆板隨著靜止縱傾角的加大，其阻力也增大，這一結論與傳統的米斯特帆板特性一致。

2) 帆板靜態縱傾角大，升沉值也大，與實艇操縱結果一致。

3) 橫傾角變化對帆板阻力影響不大，該特性優于米斯特帆板。

多自由度測量系統裝置真實地模擬了帆板的復合運動，測試數據精確可靠。該裝置在測試物體運動姿態的同時還可測量其橫向力和繞帆軸轉矩，彌補了適航儀只能測運動姿態的不足。

[1] 郝亞平.船舶性能試驗技術[M].北京：國防工業出版社，1991.

[2] 邵世明，趙連恩，朱念昌.船舶阻力[M].北京：國防工業出版社，1995.