CN103630328B - 应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，包括吊架、接线盒、一对导向轴、底座以及五分力天平装置，所述导向轴通过导向轴支座上端安装在吊架的下表面，下端安装在底座的上表面；所述五分力天平装置安装在底座上表面并与所述接线盒相接，在五分力天平装置的底部安装一穿过底座导流罩连接盘的传力杆。本发明质量轻、响应快，电信号容易传输，便于水动试验测量自动化；体积小，不仅可测量作用在全模型上的水动力与力矩，而且可测量作用在部件模型或外挂无模型上的水动力与力矩。

Description

应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置

技术领域

本发明涉及一种水下受力的分析装置，尤其涉及一种应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置。

背景技术

水动力学是水动与物体相互作用的科学，是航海技术最重要的理论之一。现如今游轮、货轮、客轮外形不断改进，性能不断提高，无不与水动力学的发展密切相关。在新型轮船设计中，水动力学将起到愈发重要的作用，而在这其中水动力试验更为关键。

水动天平已有一百余年的历史，随着水动及其试验技术的发展而发展，特别是近30年来，各种类型的应变天平在低速与高速水动中得到广泛的应用，天平校准设备与校准方法也有了很大的改进。

但是现有的机械天平测量，其体积大质量重、信号传输缓慢，测量范围较为狭隘，而且其设计加工复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置。

本发明的技术方案是：应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，包括吊架、接线盒、一对导向轴、底座以及五分力天平装置，所述导向轴通过导向轴支座上端安装在吊架的下表面，下端安装在底座的上表面；所述五分力天平装置安装在底座上表面并与所述接线盒相接，在五分力天平装置的底部安装一穿过底座导流罩连接盘的传力杆。

优选的，所述吊架沿其长度方向的两端下表面设置有一对卡紧块，所述卡紧块上设置有压紧块。

优选的，所述导向轴支座包括第一支座和第二支座，所述导向轴的上端通过第一支座安装在吊架的下表面，下端通过第二支座安装在底座的上表面。

优选的，所述第二支座包括上支座和套筒，所述上支座螺纹连接在套筒的上方，所述套筒安装在底座的上表面。

优选的，所述底座的上方设置有将所述五分力天平装置密封的密封腔室。

优选的，所述密封腔室包括水平有机玻璃和竖直有机玻璃，所述竖直有机玻璃周向布置在底座的上表面，所述水平有机玻璃密封盖合所述竖直有机玻璃的上方。

优选的，所述五分力天平装置包括二分力传感器、三分力传感器以及安装座；所述二分力传感器安装在安装座的上表面，所述安装座安装在导向轴支座上；所述三分力传感器与所述传力杆相接，所述三分力传感器设置在二分力传感器的下方。

优选的，所述三分力传感器通过连接法兰与所述传力杆相接。

优选的，所述三分力传感器为三片梁式和四柱梁式组合测力，其中三片梁主要可以测量船模在水中的阻力及侧向力；四柱梁可以测量船模在水中的偏航力矩。

优选的，二分力传感器为二片梁式主要测力，其中二片梁可以测量船模在水中的上升力以及滚转力矩。

本发明具有如下有益效果：

1)质量轻、响应快，电信号容易传输，便于水动试验测量自动化；

2)体积小，不仅可测量作用在全模型上的水动力与力矩，而且可测量作用在部件模型或外挂无模型上的水动力与力矩；

3)设计、加工简单，成本较低，可在循环水槽中配置多台天平装置，实现尺寸与载荷的系列化，也可根据不同的试验模型设计专用的天平装置；

4)可适用于尾部支撑、腹部支撑、背部支撑等各种模型支撑方式，使用方便，适应性强，能满足不同类型水洞试验的要求。

附图说明

图1为本发明的正面剖视图；

图1a为本发明的侧面剖视图；

图1b为本发明的俯视图；

图2为图1的A-A视图；

图3为图1的B-B视图；

图4为图1的C-C视图；

图5为本发明二分力传感器的二片梁式示意图；

图6为本发明三分力传的三片梁式示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1、1a、1b所示，为本发明的一种应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，包括吊架100、接线盒200、一对导向轴300、底座400以及五分力天平装置500。本发明的吊架100沿其长度方向的两端下表面设置有两对卡紧块101，该卡紧块101的竖直截面为倒U型，在卡紧块101的下部内侧设置压紧块1011。

如图1a、1b所示，两个导向轴300通过导向轴支座安装在吊架的下表面，本发明的导向轴支座包括第一支座301和第二支座302，所述导向轴300的上端通过第一支座301安装在吊架100的下表面102，下端通过第二支座302安装在底座400的上表面401。本发明的第二支座302包括上支座3021和套筒3022，上支座3021螺纹连接在套筒3022上，套筒3022安装在底座的上表面401。

如图2、3、4所示，本发明的五分力天平装置500安装在底座上表面401并与接线盒200相接进行信号传输，接线盒200通过安装板202安装在吊架100的上表面，接线盒200的两端上设置有信号输出201。在五分力天平装置500的底部安装一穿过底座导流罩连接盘402的传力杆403。该传力杆403的尾端连接试验模型404，传力杆403部分在水面405的上方。传力杆403是试验模型404与五分力天平装置500传达力矩及水动力的最重要途径。

在底座400的上方设置有将五分力天平装置500密封的密封腔室600。密封腔室600包括水平有机玻璃601和竖直有机玻璃602，竖直有机玻璃602周向布置在底座400的上表面形成一个方形或圆形的空间，水平有机玻璃601密封盖合竖直有机玻璃602的上方，这样就构成了一个密封的空腔。

本发明的五分力天平装置500包括二分力传感器501、三分力传感器502以及安装座503；二分力传感器501安装在安装座503的上表面，安装座503安装在导向轴支座3021上，通过导向轴支座3021在套筒3022的转动，可以实现该安装座503的高度调节。三分力传感器502设置在二分力传感器501的下方，三分力传感器502与传力杆403通过连接法兰4031相接，二分力传感器501、三分力传感器502主要是感测水下模型的受力情况，并将此信号发送至数据采集。

在设计五分力天平装置500时需要考虑到几方面因素如：

1)天平测量分量数及其设计量程；

2)天平静校精度与准度；

3)天平允许的最大集合尺寸；

4)模型质量、质心位置与力矩参考中心位置；

5)天平工作环境温度、湿度与压力变化范围；

6)水动水流脉动的振幅与频率；

7)天平与模型、天平与支杆的连接形式及连接尺寸。

五分力天平装置500的设计量程是根据作用在模型上的水流动力载荷与模型的质量来确定的，在天平体轴系中给定。五分力天平装置500各分量的设计量程要合理选择与匹配，如果匹配不合理，会增加应变天平的设计难度，影响五分力天平装置500的性能。

五分力天平装置500的精度设计指标为：合格指标为0.1%～0.2%，先进指标为0.03%～0.06%。应变天平的准度指标为：合格指标为0.4%～0.5%，先进指标为0.1%～0.2%，此发明的精度优于0.1%。

五分力天平装置500对于灵敏度要求也极为严格，一般高速五分力天平装置500的设计应变值范围在150～500με，低速五分力天平装置500的设计应变值范围在300～1000με，此发明的灵敏度在300～1000με范围之内。

五分力天平装置500设计时，要保证五分力天平装置500系统有足够的强度，以保证水动试验的安全。不仅如此在保证有足够强度之后，刚度是五分力天平装置500设计的另一个重要指标。刚度不足将导致天平各分量之间有较大的非线性干扰，也会导致模型变形，影响测量精度与准度，在设计时，此发明也进行过计算校核，满足刚度和强度要求。

五分力天平装置500要有较大的应变变形比，在测量电路的供桥电压一定的情况下，五分力天平装置500输出信号的大小取决于天平元件的应变。但是，对某一特定结构的天平元件来说，提高应变就意味着天平刚度的下降。因此，应变与刚度是两个相互矛盾的指标，于是就有了应变变形比的概念。此发明在这方面进行了多次的校核验算，在结构形式与几何尺寸调整多次的情况下，获得了较高的应变变形比。

五分力天平装置500要有较小的温度效应，温度的高低导致天平零点漂移和天平灵敏度的变化，影响测量精度与准度。本发明的适用温度需控制在0～40°之内。

如图5和图6所示，根据测量元件弹性梁的厚度与宽度之间的响度尺寸，组合元件的结构形式可分为片梁式和柱梁式；柱梁式一般有单柱梁式、三柱梁式、四柱梁式与多柱梁式。考虑到应变变形比最大化，在设计三分力传感器502结构设计时，采用了三片梁式5021和四柱梁式5022的组合元件对阻力、侧向力、偏航力矩进行测量；而二分力传感器501结构设计为二片梁式5011的组合元件对上升力、滚转力矩进行测量。经过反复的优化，本发明现在具有较高的应变变形比。

其次在应变变形比明显的部位，需要黏贴金属应变片，利用应变式变换原理可以制成电阻式应变片或应变薄膜。它可以感受测量物体受力或力矩时产生的应变，并将应变变化转换为电阻变化，通过电桥进一步转换为电压或电流的变化。在选着金属应变片时需要考虑到几方面因素：应变片的电阻值、绝缘电阻、灵敏系数、机械滞后、允许电流、应变极限、零漂和蠕变。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：包括吊架、接线盒、一对导向轴、底座以及五分力天平装置，所述导向轴通过导向轴支座将该导向轴上端安装在吊架的下表面，将该导向轴下端安装在底座的上表面；所述五分力天平装置安装在底座上表面并与所述接线盒相接，在五分力天平装置的底部安装一穿过底座导流罩连接盘的传力杆。

2.根据权利要求1所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述吊架沿其长度方向的两端下表面设置有一对卡紧块，所述卡紧块上设置有压紧块。

3.根据权利要求1所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述导向轴支座包括第一支座和第二支座，所述导向轴的上端通过第一支座安装在吊架的下表面，下端通过第二支座安装在底座的上表面。

4.根据权利要求3所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述第二支座包括上支座和套筒，所述上支座螺纹连接在套筒的上方，所述套筒安装在底座的上表面。

5.根据权利要求1所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述底座的上方设置有将所述五分力天平装置密封的密封腔室。

6.根据权利要求5所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述密封腔室包括水平有机玻璃和竖直有机玻璃，所述竖直有机玻璃周向布置在底座的上表面，所述水平有机玻璃密封盖合所述竖直有机玻璃的上方。

7.根据权利要求1所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述五分力天平装置包括二分力传感器、三分力传感器以及安装座；所述二分力传感器安装在安装座的上表面，所述安装座安装在导向轴支座上；所述三分力传感器与所述传力杆相接，所述三分力传感器设置在二分力传感器的下方。

8.根据权利要求7所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述三分力传感器通过连接法兰与所述传力杆相接。

9.根据权利要求7或8所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述三分力传感器为三片梁式和四柱梁式组合测力。

10.根据权利要求7所述的应用于分析循环水槽中试验模型受力情况的装置，其特征在于：所述二分力传感器为二片梁式。