拖曳水池平面运动组织机构机构试验技术-拖曳水池平面运动组织pdf

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　　拖曳水池平面运动机构 试验技术 邓德衡 2009.06.19 主要内容 1、操纵性研究进展 2、操纵性试验介绍 • 自由自航试验 • 约束模试验 3、平面运动机构试验技术 • 国内外平面运动机构装置（部分） • 上海交通大学平面运动机构 • 上海交通大学平面运动机构示意图 • 平面运动机构原理 • 某集装箱船平面运动机构试验录像 • 某气垫船平面运动机构试验录像 4 、将来进行的工作 5、问题？ 操纵性研究进展 近几届ITTC操纵性委员会研究任务要点* 23届（1999～2002 ） 24届（2002～2005 ） 25届（2005～2008 ） ·评述浅水、限制水域操 ·研究操纵性数值方法应 ·评述本学科典型试验推 纵性研究进展；高 用指南，探索限制 荐规程及考虑GPS 速船操纵性和控制 水域、池壁影响、 等新技术和海洋环 特性评估方法。 船／船相互作用的 境影响修正的操纵 ·评述拘束模试验推荐规 数值方法。 性海试规程。 程；准备开发自航 ·评述高速船、非常规船 ·评述高速船、吊舱推进 模试验规程，包括Z 操纵性研究需求以 船操纵性预报与衡 推和喷水推进；设 及新试验技术与外 准方法。 计操纵性仿真模型 推方法研究进展。 ·协办操纵性仿真模型检 验证规程。 ·修订拘束模、自航模试 验与验证专题研讨 验规程。 会，协助收集验证 数据。 * 引自沈泓萃 “ITTC及船舶水动力学研究方向与重点分析” 船舶操纵性预报方法 图引自25th ITTC报告 各种方法优缺点的简单比较 预报方法 优点 缺点 基于经验公式/数据库预报 快速 准确性依赖于所积累的数 据和船型 基于系统辨识方法 结合自航模试验和约束模 需要高质量的数据和相应 试验的优点 的数学模型 基于自航模试验 直接得出操纵性参数 无法进行深入的分析 基于约束模试验和计算机 几乎可以模拟所有的船舶 需要进行试验后才能得出 模拟 操纵 结果且依赖于数学模型 CFD （黏性流） 不需加工模型、可获得较 计算结果很大程度依赖于 好的结果 用户 CFD （势流） 快速求解 通常精度较差，或不适合 过于几十年来以上各种预报方法都在发展中 一般是根据所指定的任务来选择相应的方法 图引自25th ITTC报告 操纵性试验 自由自航试验 约束模试验 操纵性试验 自由自航试验 • 实物或模型按规定的机动进行自由操纵试验，可以直 接测量其运动状态和表征其运动的特征参数 • 根据测得的运动参数，借助数学模型，可用系统识别 方法，求得表征船舶运动的特征参数，及作用于船舶 的水动力 • 从试验中只能测得有限个能表示流体动力综合影响的 特征参数，不能用于研究每个因素的单独影响 • 模型的自由自航试验存在着尺度效应问题，模型和实 船的相关性至今仍是操纵性研究的重要课题之一 自由自航试验种类 • 回转试验 • Z形试验 • 螺旋试验 • 逆螺旋试验 • 回舵试验 • …… 自由自航模试验国际上的一些进展 • Hydro-Testing Alliance——JRP5 JRP9 • 16家研究机构 • 测试了4种无线数据传输系统 • 测试了11种轨迹跟踪系统 引自JRP9-Big Benchmarking Event 上海交通大学新研制的自航模型试验系统FRT • 自动进行标准操纵性试验 • 可测量项目包括： • 螺旋桨转速、螺旋桨推力与扭矩 • 舵角、舵的三分力 • 航向角、船模纵摇、横摇角 • 三向角速度、三向加速度 • 采用CCD相机测量轨迹 • 通过无线网卡传输数据 • 能够实时显示并分析得出各种操纵性参数 约束模试验 约束模型试验是指船舶不是自由置于水中，而由 某种机构带动在水池中进行特定的运动，从而测 得作用于船舶模型上的水动力和水动力系数，之 后建立运动的数学模型，用计算机计算和预报船 舶在各种机动下的运动状态和用于表征其运动状 态的特征参数 • 对模型的运动施加约束，在基准运动上叠加一个或两 个扰动运动，定量地改变其扰动量，测出由此扰动所 引起的作用于船模上的水动力，得到扰动运动的水动 力系数 约束模型试验是精确测定船舶水动力系数的唯一 方法 约束模试验最后求得的是水动力系数，其尺度效 应比自由自航模试验要小得多 约束模试验方法必须拥有一定规模的试验设备， 一般使用部门和设计单位并不具备这种条件 约束模试验方法 • 直线拖曳试验（斜拖试验） • 旋臂试验 • 圆周运动试验 • 平面运动机构试验 直线拖曳试验 • 在普通的长拖曳水池进行 • 试验时将模型斜置于与拖曳方向成某一角度（漂角） • 可测速度导数、控制导数 • 不能测量角速度系数和加速度系数 旋臂试验 • 始于航空领域中气动的测定， 能方便地求得各回转导数 • 20世纪40年代起开始用来测定 船舶的回转导数 • 在旋臂试验中，需满足付汝德 数相等和雷诺数高于临界值的 要求，故被试验的模型的尺度 和速度都不能太小 • 其规模较大、造价较高、技术 较复杂，同时测量的数据局限 性较大，现在这种设备已很少 再造 圆周运动试验 • 利用主、副拖车使模型可沿水池的纵向、横向运动， 同时可绕轴Z转动 • 需要的水池宽度大，设备昂贵 • 主要困难是如何正确控制具有相当重量的拖车和船模 的运动 平面运动机构试验技术 美国的格特勒（Gertler ）和古德曼（Goodman）所研制 的平面运动机构（Planar Motion Mechanism，简称PMM） 可在普通拖曳水池中试验确定各种水动力导数 • 1952年美国国家航空Langley风洞，用于飞机稳定导数的测定 • 1957年移植到美国泰勒水池（DTMB），安装到普通的拖曳水 池拖车上，测定潜艇垂直面流体动力系数 • 刚开始是用于小振幅 专利封面 平面运动机构可使作拖曳运动的模型产生振荡运 动，由于强迫模型作谐和变化的横荡和首摇运 动，故可以巧妙地进行谐和分析，从而把流体动 力中与速度、加速度有同相位的成分分离出来， 能方便地求取各项力和力矩的线性加速度导数和 线性速度导数 平面运动机构可测量各种速度系数、角速度系数、 加速度系数和耦合系数 平面运动机构装置种类 • 第一代平面运动机构是小振幅的，仅能测得线性的速 度和加速度导数 • 第二代平面运动机构是大振幅、低频率，由于加大运 动幅度，因此除测线性导数外，还能包括非线性导数 • 第三代的平面运动机构是平面运动拖车，其振幅大大 增加 • 第四代平面运动机构是数控平面运动拖车，其用计算 机控制，功能更多 HSVA • Computerized Planar Motion Carriage (CPMC) *引自官方网站资源 西日本流体技研 • 循环水槽上平面运动机构 *引自官方网站资源 IIHR • Tests: static drift, pure sway, pure yaw, yaw and drift, combined PMM/3DPIV • Sway amplitude range: 0-500 mm • Yaw amplitude range: ±30° • Frequency range: 0-0.25 Hz *引自官方网站资源 Akashi Ship Model Basin Co.,LTD • Test Items - Rudder angle test - Oblique towing test - Pure sway test - Pure yaw test - Yaw with drift test *引自官方网站资源 Oceanic Consulting Corporation • Amplitud every large, ± Model Test with PMM 4.0m. • Motions sway rates up to 0.7 m/s, yaw rates up to 60°/sec. *引自官方网站资源 国内平面运动机构 • 上海交通大学 • 中国船舶科学研究中心 • 哈尔滨工程大学 • 广东省航运科学研究所 平面运动机构优点 • 能测定大量水动力系数 • 对于研究近水面、近侧壁、近海底时的水动力较方便 • 目前已成为一种常规的试验方法 平面运动机构缺点 • 受拖曳水池长度限制，振荡频率不能太低，否则一个 航次不能完成所需的振荡次数 • 船舶为低频运动，振荡频率高了，水动力系数有变化 • 增加水池长度 • 另外可将PMM置于循环水槽上进行测试 上海交通大学平面运动机构（两套） • 垂直面平面运动机构（VPMM ） • 测定线性水动力系数，以及与横摇有关的水动力系数 • 大振幅水平面平面运动机构（LAHPMM） —— 国内唯一的大振幅平面运动机构 • 振幅大，不仅能测定线性水动力系数，还可测定多种非线性 及耦合水动力系数 • 模型通过测力传感器与平面运动机构的支杆连接，测得的力通过 动态应变仪后由计算机进行采样、处理 • 利用此两台平面运动机构，可以确定潜艇空间标准运动方程中的 所有系数，以及水面、近水面运动方程中的水动力系数 垂直面平面运动机构（VPMM ） 垂直面平面运动机构示意图 垂直面平面运动机构构造图 1 步进电机 2 齿轮箱 3 偏心机构 4 光电控制装置 5 轴承 调节前后两 振荡杆的振 6 拖车安装架 幅、相位、 频率产生相 7 导流罩 应运动 8 振荡杆 9 力传感器 10 螺旋桨电机 运动示意图 纯升沉运动 1 两振荡杆同相位、同 振幅、同频率 2 船模纵倾角为零 纯俯仰运动 1 两振荡杆同振幅、调 节相位差到一相应值 2 船模动系的垂向速度 与加速度为零 大振幅水平面平面运动机构（LAHPMM） 大振幅水平面平面运动机构构造图 1－横荡车 2 －油缸 3 －轨道 4 －缓冲器 5－横荡伺服阀 6 －横荡反馈电位器 7 －摇首伺服阀 8－摇首机构 9 －摇首反馈电位器 10－横梁 11－连接杆 12－船模 13－传感器 大振幅水平面平面运动机构则通过调节横荡车、首摇机构的振幅和相位来实 现 • 纯横荡运动时，平面运 动机构使船模在水平面 内作正弦振荡，船模的 首向角始终为零，同时 拖车匀速直行 • 纯首摇运动时船模运动 速度与重心轨迹曲线相 切，船模漂角（攻角）、 船模动坐标系的横向速 度与加速度均为零 水动力系数测试原理 以双支点平面运动机构作说明 纯横荡 纯横荡运动时模 型原点处的运动 ⎧ y a sin ωt ⎪ ⎨v y aωcosωt ⎧ =− − 2 − Y (m Y)( aω sin ωt) Y aωcosωt ⎪ 2 ⎪ v v v y −a sin t ⎩ ω ω ⎨ N mx N a 2 sin t N a cos t ⎪ ( =− )(− ω ω )− ω ω ⎩ G v v 纯横荡运动方程 ⎧ Y (m =−Y)v −Y v ⎪ v v ⎨ N (mx =−N )v −N v ⎪ ⎩ G v v 模型受到的支架约束力 和力矩 ⎧ Y Y =+Y ⎪ F S ⎨ N (Y =−Y )d ⎪⎩ F S 基于线性化假设，约束模型 作简谐振荡运动时的约束力 也一定是简谐变化的 ⎧ Y Y sin ωt =−ϕ ⎪ 0 ( y ) ⎨ N N sin t =− ⎪⎩ 0 (ω ϕn ) ⎧ =− Y Y sin ωt ϕ ⎪ 0 ( y ) ⎨ N N sin t =− ⎪⎩ 0 (ω ϕn ) ⎧ Y Y cosϕ sinωt =−Y sinϕ cosωt ⎪ 0 y 0 y ⎪ Y sin ωt −Y cosωt ⎨ in out N N con sin t N sin cos t ⎪ ϕ ω =− ϕ ω 0 n 0 n ⎪ N sin ωt −N cosωt ⎩ in out Y Y cosϕ Y Y sinϕ ⎧⎪in 0 y out 0 y In:同相分量 ⎨ N N conϕ N N sinϕ ⎪⎩ in 0 n out 0 n Out：正交分量 ⎧ 2 2 Y =−aω m −Y ( ) ⎧ in v Y m Y aω sin ωt Y aωcosωt ( =− −)( )− ⎪ v v ⎪ ⎨ 2 Y Y aω N mx N a sin t N a cos t ⎪out v ⎪ ( =− )(− ω ω )− ω ω ⎩ G v v 对比 ⎨ 2 N =−aω mx −N 两式 ⎪ ( ) in G v ⎪ N N aω ⎩ out v ⎧ Y Y cosϕ sinωt =−Y sinϕ cosωt ⎪ 0 y 0 y 或写成 ⎪ Y sin ωt −Y cosωt ⎨ in out ϕ ω ϕ ω N N con sin t =−N sin cos t ⎪ 0 n 0 n ⎧ Y Y cosϕ ⎪ Y in =+m 0 y =+m N sin ωt −N cosωt ⎪v 2 2 ⎩ in out aω aω ⎪ ⎪ Y Y sinϕ Y out 0 y ⎪⎪v aω aω ⎨ ⎪ N N conϕ

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