多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置及测试方法

摘要

本发明提供了一种多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置及测试方法，属于海洋船舶测试技术领域。解决了现有装置无法实现水下航行体围壳区域脉动载荷测试问题。它包括循环水槽、水下航行体模型、整流罩、连接杆、支撑杆和定位铁块，水下航行体模型设在循环水槽内部且模型的头部朝向循环水槽的来流方向，水下航行体模型翻转布置使水下航行体模型的围壳朝向下方；整流罩安装在水下航行体模型上，围壳完全浸入水中，通过调整支撑杆穿过连接杆上圆形孔洞的位置调节水下航行体模型的浸水深度和俯仰角度，通过改变支撑杆和循环水槽侧壁的夹角调节水下航行体模型的迎流角度。本发明可完成水下航行体围壳区域不同工况下的脉动压力和振动加速度测试。

说明书

技术领域

本发明创造属于船舶与海洋工程测试技术领域，尤其是涉及一种多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置及测试方法。

背景技术

水下航行体在潜航时的振动及流激噪声情况对其隐蔽性和航行安全性研究具有重要的意义。通过水下航行体模型脉动载荷试验测量得到其表面的脉动压力及振动加速度响应，可以分析其流激噪声的形成与传播规律，这对于降低水下航行体流激噪声，提高其隐蔽性和航行安全性具有指导意义。同时，进行水下航行体流激试验能够提前发现船舶结构设计中存在的声学问题，为船舶声学设计提供良好的实验平台和仿真数据参考。

试验测试在水下航行体船型开发、声学性能分析等领域具有不可替代的作用，模型试验一方面可以验证已有的研究成果，更容易发现设计中存在的问题，另一方面可以为后续仿真设计提供优秀的数据参考。随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的发展，利用CFD软件对水下航行体模型脉动载荷的仿真成为一种效果好、成本低的方法。应用相关仿真软件可对试验场景进行复现：对流体区域进行网格前处理，验证网格收敛性，设置与试验实际边界条件相符合的初始条件，进行脉动载荷的数值仿真计算。试验测试能够与数值仿真双向验证，检验和修正仿真数据，进而优化仿真计算方法，准确地找出设计缺陷。

循环水槽是由振荡机构、驱动电机控制系统和数据采集系统组成大型试验设备。操作者可通过流速控制台向驱动电机发送指令，调整电机转速，从而获得所需流速进行流激试验，同时实现水槽中水的循环利用。循环水槽具有良好的流速控制能力和工作段尺寸大等一系列优点,是水下模型试验的常用设备。因此，基于循环水槽开发设计水下航行体模型脉动载荷测试装置具有广阔的实际应用价值。通过对现有技术的文献检索发现，近年来，关于循环水槽中水下结构围壳区域脉动载荷测试装置的专利文件鲜有发表，因此有必要设计一种多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置，以解决现有装置无法实现水下航行体模型脉动载荷测试的问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置，包括循环水槽、水下航行体模型、整流罩、连接杆、支撑杆和定位铁块，所述水下航行体模型布置在循环水槽内部且水下航行体模型的头部朝向循环水槽的来流方向，水下航行体模型翻转布置使水下航行体模型的围壳朝向下方；所述整流罩安装在水下航行体模型上，试验时，整流罩露出水面，水下航行体模型的围壳完全浸入水中；

所述支撑杆设置两个，支撑杆长度大于循环水槽的宽度，两个支撑杆平行布置，所述连接杆设置两个，在每个连接杆上均匀开设若干圆形孔洞，每个连接杆的末端均设置为螺纹段，一个支撑杆穿过一个连接杆上的某一圆形孔洞后横跨在循环水槽的侧壁上，且每个支撑杆的两端各通过一个定位铁块定位在循环水槽的对应侧壁的边沿上，并通过夹具将定位铁块和循环水槽的边缘夹紧；连接杆上相邻两圆形孔洞的圆心间距d满足d＝L·tanθ，其中L为两个连接杆之间的距离，θ为试验所需最小俯仰角度；

在水下航行体模型的顶部开设两个连接杆螺纹孔，水下航行体模型上的两个连接杆螺纹孔分别与一个连接杆的螺纹段相连；在水下航行体模型顶部开设有若干传感器安装大开口，在水下航行体模型的外表面设有若干压力传感器螺纹孔，在水下航行体模型内部设有若干加速度传感器螺柱，压力传感器和加速度传感器由传感器安装大开口放入水下航行体模型内部，在加速度传感器螺柱上安装加速度传感器，在压力传感器螺纹孔上安装压力传感器，且压力传感器表面与水下航行体模型表面齐平，各传感器的电缆在整流罩内部穿过；在水下航行体模型的每个传感器安装大开口处设有一配套曲板，且配套曲板与相应传感器安装大开口处设有橡胶密封垫；

通过调整支撑杆穿过连接杆上圆形孔洞的位置调节水下航行体模型的浸水深度和俯仰角度，通过改变支撑杆和循环水槽侧壁的夹角调节水下航行体模型的迎流角度。

更进一步的，所述定位铁块上开设有方形卡槽和拱形卡槽，其中方形卡槽贯穿定位铁块的前后端面，拱形卡槽贯穿定位铁块的左右端面，其中固定铁块的方形卡槽用于卡合循环水槽的侧壁，拱形卡槽用于容纳支撑杆。

更进一步的，所有压力传感器和加速度传感器均安装在水下航行体模型的围壳区域指定位置。

更进一步的，所述连接杆的横截面形状为流线型。

更进一步的，压力传感器螺纹孔和加速度传感器螺柱的设置数量根据测试需求灵活调整。

更进一步的，在所述传感器安装大开口外围设有若干连接孔，在配套曲板上设有若干螺纹孔，通过螺钉穿过螺纹孔和对应的连接孔将配套曲板固定在对应的传感器安装大开口处。

更进一步的，所述连接杆选用空心管；支撑杆选用空心管。

更进一步的，所述整流罩为流线型，在整流罩上设置螺纹孔，通过螺丝将整流罩安装在水下航行体模型上，且整流罩和水下航行体模型之间设有密封防水橡胶垫片。

更进一步的，所述夹具为G型木工夹。

多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：

(1)布置传感器：将压力传感器和加速度传感器通过压力传感器螺纹孔和加速度传感器螺柱安装在水下航行体模型的围壳区域预定位置，并在压力传感器螺纹孔处涂抹胶水或缠绕生料带进行防水处理，传感器电缆通过整流罩穿出，利用螺丝封闭传感器安装大开口，并在水下航行体模型上固定整流罩；

(2)组装测试装置：利用螺纹段将连接杆与水下航行体模型固定，连接杆上的圆形孔洞要正对循环水槽侧壁，支撑杆穿过连接杆的圆形孔洞，横跨在循环水槽的侧壁，定位铁块横跨支撑杆，放置在循环水槽的侧壁边缘上，利用G型木工夹夹紧定位铁块和循环水槽的边缘，连接杆和支撑杆用绳子捆绑固定；

(3)开始测试：利用循环水槽流速控制台调节循环水槽内流速，待流速稳定后利用数据采集仪器和配套测试软件进行脉动压力和振动加速度的数据采集；

(4)调整模型位置：若要改变水下航行体模型的浸水深度，松开G型木工夹，改变支撑杆穿过连接杆上的圆形孔洞的位置，前后两个支撑杆同时穿过位于连接杆上同一高度的圆形孔洞；若要改变水下航行体模型的俯仰角度，松开G型木工夹，保持一个支撑杆位置不动，另一个支撑杆穿过不同的圆形孔洞；若要改变水下航行体模型的迎流角度，改变支撑杆和循环水槽侧壁的夹角即可完成；

(5)结束测试：重复上述步骤完成测量任务后，利用循环水槽流速控制台调节循环水槽内流速为0，待循环水槽中水流静止后关闭流速控制系统；

(6)拆分测试装置：结束测试后，松开G型木工夹，抬起支撑杆将水下航行体模型从循环水槽中拿出，取出测试用传感器，拆分测试装置的零部件。

与现有技术相比，本发明创造所述的多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置及测试方法的有益效果是：

(1)该装置针对水下航行体围壳区域的脉动载荷测试，降低了模型连接杆和整流罩对测试区域流场的影响，可灵活调整水下航行体浸水深度、俯仰角度和迎流角度，测量试验模型在不同来流速度下的脉动压力和振动加速度。

(2)该装置主要侧重水下航行体围壳区域的脉动载荷测试，可根据试验需求调节水下航行体模型的浸水深度、俯仰角度和迎流角度，并为水下航行体结构在循环水槽中脉动载荷的测试提供了一种有效手段。

(3)本发明结构简单、便于维护、适应性好、应用范围广泛，降低了水下航行体围壳区域脉动载荷的测试难度。

(4)本申请在所述支撑杆与循环水槽的连接处设置有具有限位功能的定位铁块，限制支撑杆前后方向错动。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置工作状态示意图；

图2为本发明创造实施例所述的多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置的(未包括循环水槽)的装配图；

图3为水下航行体模型的结构示意图；

图4为水下航行体模型的仰视图；

图5为本发明创造实施例所述的多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置中的连接杆的结构示意图；

图6为配套曲板的结构示意图；

图7为G型木工夹的结构示意图。

附图标记说明：

1、水下航行体模型；2、整流罩；3、连接杆；4、支撑杆；5、定位铁块；6、压力传感器螺纹孔；7、传感器安装大开口；8、连接杆螺纹孔；9、加速度传感器螺柱；10、圆形孔洞；11、螺纹段；12、配套曲板；13、螺纹孔；14、橡胶密封垫；15、G型木工夹；16、循环水槽；17、围壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图7所示，一种多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置，包括循环水槽16、水下航行体模型1、整流罩2、连接杆3、支撑杆4和定位铁块5，所述水下航行体模型1布置在循环水槽16内部且水下航行体模型1的头部朝向循环水槽17的来流方向，水下航行体模型1翻转布置使水下航行体模型1的围壳17朝向下方；所述整流罩2安装在水下航行体模型1上，试验时，整流罩2露出水面，防止传感器测试电线被水流冲击，水下航行体模型1的围壳17完全浸入水中；

所述支撑杆4设置两个，支撑杆4长度大于循环水槽17的宽度，两个支撑杆4平行布置，所述连接杆3设置两个，在每个连接杆3上均匀开设若干圆形孔洞10，每个连接杆3的末端均设置为螺纹段11，一个支撑杆4穿过一个连接杆3上的某一圆形孔洞10后横跨在循环水槽17的侧壁上，且每个支撑杆4的两端各通过一个定位铁块5定位在循环水槽17的对应侧壁的边沿上，并通过夹具将定位铁块5和循环水槽17的边缘夹紧；所述夹具为G型木工夹15；连接杆3上相邻两圆形孔洞10的圆心间距d满足d＝L·tanθ，其中L为两个连接杆3之间的距离，θ为试验所需最小俯仰角度；

在水下航行体模型1的顶部开设两个连接杆螺纹孔8，水下航行体模型1上的两个连接杆螺纹孔8分别与一个连接杆3的螺纹段11相连；在水下航行体模型1顶部开设有若干传感器安装大开口7，在水下航行体模型1的外表面设有若干压力传感器螺纹孔6，在水下航行体模型1内部设有若干加速度传感器螺柱9，压力传感器和加速度传感器由传感器安装大开口7放入水下航行体模型1内部，在加速度传感器螺柱9上安装加速度传感器，在压力传感器螺纹孔6上安装压力传感器，且压力传感器表面与水下航行体模型1表面齐平，所有压力传感器和加速度传感器均安装在水下航行体模型1的围壳区域指定位置；各传感器的电缆在整流罩2内部穿过；在水下航行体模型1的每个传感器安装大开口处设有一配套曲板12，且配套曲板12与相应传感器安装大开口处设有橡胶密封垫14；

通过调整支撑杆4穿过连接杆3上圆形孔洞10的位置调节水下航行体模型1的浸水深度和俯仰角度，通过改变支撑杆4和循环水槽17侧壁的夹角调节水下航行体模型1的迎流角度；探究水下航行体围壳区域多工况脉动压力和振动加速度规律。

所述定位铁块5上开设有方形卡槽和拱形卡槽，其中方形卡槽贯穿定位铁块5的前后端面，拱形卡槽贯穿定位铁块5的左右端面，其中定位铁块的方形卡槽用于卡合循环水槽的侧壁，拱形卡槽用于容纳支撑杆4。

所述连接杆3的横截面形状为流线型，降低连接杆对试验流场的影响。

所述水下航行体模型脉动载荷测试装置中压力传感器开孔和加速度传感器螺柱的位置和数目根据实际测量需求进行设置，压力传感器螺纹孔尺寸和加速度传感器螺柱尺寸根据实际测试传感器型号进行调整；试验模型具有对称性，压力传感器和加速度传感器可分别布置在模型的两侧。

在所述传感器安装大开口7外围设有若干连接孔，在配套曲板12上设有若干螺纹孔13，通过螺钉穿过螺纹孔13和对应的连接孔将配套曲板12固定在对应的传感器安装大开口7处。如此设计连接固定，且水密性有保证。

所述连接杆3在保证结构强度的前提下选用空心管，降低结构重量；支撑杆4在保证结构强度的前提下选用空心管，降低支撑杆重量。

所述整流罩2为流线型，在整流罩2上设置螺纹孔13，通过螺丝将整流罩2安装在水下航行体模型1上，且整流罩2和水下航行体模型1之间设有密封防水橡胶垫片。

本申请的测试装置使水下航行体模型具备试验测试条件。若需调整水下航行体模型1浸水深度，改变支撑杆4穿过的圆形孔洞10的位置；若需调整水下航行体模型1俯仰角度，一个支撑杆保持不动，另一个支撑杆穿过不同圆形孔洞；若需改变试验模型的迎流角度，调整支撑杆4和循环水槽侧壁的夹角即可。

多自由度水下航行体围壳区域脉动载荷测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：

(1)布置传感器：将压力传感器和加速度传感器通过压力传感器螺纹孔6和加速度传感器螺柱9安装在水下航行体模型1的围壳区域预定位置，并在压力传感器螺纹孔6处涂抹胶水或缠绕生料带进行防水处理，传感器电缆通过整流罩2穿出，利用螺丝封闭传感器安装大开口7，并在水下航行体模型1上固定整流罩2；

(2)组装测试装置：利用螺纹段11将连接杆3与水下航行体模型1固定，连接杆3上的圆形孔洞10要正对循环水槽17侧壁，支撑杆4穿过连接杆3的圆形孔洞10，横跨在循环水槽17的侧壁，定位铁块5横跨支撑杆4，放置在循环水槽17的侧壁边缘上，利用G型木工夹15夹紧定位铁块5和循环水槽17的边缘，连接杆3和支撑杆4用绳子捆绑固定；

(3)开始测试：利用循环水槽流速控制台调节循环水槽17内流速，待流速稳定后利用数据采集仪器和配套测试软件进行脉动压力和振动加速度的数据采集；

(4)调整模型位置：若要改变水下航行体模型1的浸水深度，松开G型木工夹15，改变支撑杆4穿过连接杆3上的圆形孔洞10的位置，前后两个支撑杆4同时穿过位于连接杆3上同一高度的圆形孔洞10；若要改变水下航行体模型1的俯仰角度，松开G型木工夹15，保持一个支撑杆4位置不动，另一个支撑杆4穿过不同的圆形孔洞10；若要改变水下航行体模型1的迎流角度，改变支撑杆4和循环水槽17侧壁的夹角即可完成；

(5)结束测试：重复上述步骤完成测量任务后，利用循环水槽流速控制台调节循环水槽17内流速为0，待循环水槽17中水流静止后关闭流速控制系统；

(6)拆分测试装置：结束测试后，松开G型木工夹15，抬起支撑杆4将水下航行体模型1从循环水槽17中拿出，取出测试用传感器，拆分测试装置的零部件。

以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。