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        垂直平面運動機構

          目前約束船模試驗是比較******地確定水動力系數的主要方法。約束船模試驗是用機械的約束,強迫船模作規定的運動。試驗時,在基準運動上疊加一個或兩個擾動運動,定量地改變其擾動量,測定其作用于船模上的水動力,從而求得各水動力系數。由約束船模試驗求得的無因次水動力系數,可直接用于實艦操縱性能分析。

          采用約束船模試驗確定水動力的方法主要有:斜航試驗(ORT)、回轉臂試驗(RAT)以及平面運動機構試驗(PMM)。我們的試驗設備屬于垂直型(可帶固定b角)平面運動試驗機構。

          一、 試驗設備簡介

          本套試驗系統屬于垂直型平面運動機構。圖2-1所示是該試驗系統示意圖,其由振蕩機構、驅動電機控制系統、測力數據采集系統(包括天平)以及數據處理軟件四部分組成。

          2.1 結構方案

          整套試驗系統安裝在哈工程大學水池試驗室拖車上與拖車一同運動,振蕩機構的兩根振蕩支桿(5)下端絞接于固定船模的天平套筒上(12),調節船模內部的配重使得船模在水中為靜平衡狀態。改變伺服電機(7)轉速可獲得不同的振蕩頻率,改變正弦發生機構的偏心距可獲得不同的振幅,改變伺服電機初始相位角即可改變前后支桿的振蕩相位差。滾轉模態由滾轉發生機構實現,安裝時需拆除后振蕩支桿,由電機A驅動滾轉支桿(11)實現滾轉振蕩,振蕩角度由正弦發生機構偏心距決定。

          本垂直型平面運動機構根據哈爾濱工程大學要求,可以實現純升沉、純橫蕩、純俯仰、純搖首、滾轉、直航和斜航七種運動模態。


          1.水池拖車 2.底座 3.滾轉發生機構 4.連桿 5.振蕩支桿 6.b轉盤

          7.電機 8.減速器 9.光電控制裝置 10.正弦發生機構 11.滾轉支桿

          12.天平套筒 13.天平 14.船模

          2.2 測控方案

          圖2-2為測控系統原理圖。



          電機的轉速控制由脈沖調寬式轉速控制系統完成,穩定的轉速使機械系統作正弦振蕩。通過應變放大器使6路應變天平信號和標準信號(純升沉運動中為船模位移信號,純俯仰運動中為船??v傾角信號)進入采樣保持與A/D轉換器模板,在與船模運動位置同步的光柵作用下,進行同步采集。數據進入PC機后,由軟件完成數據預處理,給出相對于標準信號的幅值與相角。

          2. 3 數據采集與處理

          在直航和斜航試驗狀態中,首先以1000Hz的采樣頻率分別在滑水速度v(在有效滑水試驗區域內)和不滑水v=0(取天平零讀數)兩種狀態下進行天平六分力信號采集,然后經天平疊代計算后,將滑水時的六分力分別減去不滑水的零讀數,即求得所需力和力矩。

          在動態試驗狀態中(包括純升沉、純橫蕩、純俯仰、純搖首、滾轉),應用與船模運動位置同步的光碼盤給出的從0位開始每周240個等距脈沖來激發采集系統,實時采集。經采樣保持器和A/D轉換送計算機進行數值積分,積分周期根據試驗中船模速度以及振蕩頻率決定,為2 周~10周(經調試此周數已基本夠用),給出所測力(矩)相對于基準信號的幅值和幅角,然后進行天平公式疊代求得所需正交分量和同相分量。

          2.4 六分力應變天平

          為滿足試驗的需要,我院研制了DDT92-01六分力桿式應變天平,天平的載荷范圍及精度見表2.1和表2.2。



          2.5 技術指標和精度要求

          1) 船模正弦直線振幅 0 ~±4cm (連續可調)

          2) 船模正弦角振蕩振幅 0°~±10°(連續可調)

          3) 振蕩頻率 0.05~1Hz f=0.05Hz

          4) 功角范圍 0°~±20° =2°

          5) 漂角范圍 0°~±20° =2°(采用轉盤調b角時 =1°)

          6) 船模浸深 0~1.3m

          7) 支桿間距 0.74m 、0.94m、1.15m(以模型大小決定,本次為0.94m)

          8) 模型長度 2.5~4m

          9) 船模******速度 4m/s(動態)、6m/s(靜態)

          二、 測試結果

          本次平面運動機構測試試驗在哈爾濱工程大學水池實驗室進行,測試時間于2001年8月10日開始至8月15日。

          測試船模采用7103模型,模型總重300Kg,全長3.5m,******橫截面直徑0.52m,模型采用金屬骨架玻璃鋼外殼結構,經配平后船模在水中處于靜平衡狀態(連同天平和套筒)。以下數據全部采用國際通用坐標系,如圖2-1所示。

          試驗中還做了主要模態的主要測力元的重復性精度,以均方根誤差形式表達,其計算公式為:



          表3.1給出了斜拖試驗 狀態下的七次重復性試驗結果,可以看出在該運動模態下的天平主要測力元X和Z重復精度滿足不大于5%的要求。而M元略大于5%,是由于測量數據較天平滿量程過小引起的;因Y、K以及N元數值接近于零,遠小于天平該元量程,因此重復精度較大屬正常。

          以下為試驗曲線圖:


          3.3 2001年10月15日重復性試驗結果

          本次重復性試驗內容包括有直航試驗和純俯仰試驗。

          表3.14給出了直航v=3.5m/s試驗狀態下的七次重復性試驗結果,可以看出在該運動模態下的天平主要測力元X重復性精度為1.319%,滿足靜態試驗數據重復性精度不大于5%的要求。

          表3.15給出了純俯仰試驗狀態下的七次重復性試驗結果,可以看出在該運動模態下的天平主要測力元重復性精度******為12.752%,滿足合同中動態試驗數據重復性精度不大于20%的要求。

          本次重復性試驗中的模型安裝及配平狀態與2001年8月10~15日試驗中的模型狀態不盡相同,對動態試驗數據有一定影響,因此此次純俯仰試驗數據與圖3.10和圖3.11中的數據略有差別,屬于正常結果。


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