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一种船模重量、重心、转动惯量测量方法

阅读：1038发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种船模重量、重心、转动惯量测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于船模水池试验技术领域，公开了一种船模重量、重心、转动惯量测量装置及方法，所述装置包括：测量平台(1)、六分力天平(2)、船模过渡连接件(3)和被测船模(4)；测量平台(1)用于提供船模在俯仰、横滚方向上的运动；六分力天平(2)用于测量船模运动后的实时受力和力矩；船模过渡连接件(3)用于连接六分力天平(2)和被测船模(4)，通过给予被测船模强迫正弦周期性往复运动，测试六分力天平垂向力、俯仰力矩、横滚力矩的大小，通过换算求得船模重心、转动惯量，不需要二次安装和调试。，下面是一种船模重量、重心、转动惯量测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种船模重量、重心、转动惯量测量装置，其特征在于，所述装置包括：测量平台(1)、六分力天平(2)、船模过渡连接件(3)和被测船模(4)；
所述的测量平台(1)用于提供船模在俯仰、横滚方向上的周期性往复运动；
所述的六分力天平(2)用于测量船模运动后的实时受力和力矩；
所述的船模过渡连接件(3)用于连接六分力天平(2)和被测船模(4)。
2.根据权利要求1所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量装置，其特征在于，所述船模过渡连接件(3)下底面是平的，上连接面与被测船模(4)相应位置相贯线一致，与被测船模(4)贴合，使得被测船模(4)的坐标轴与六分力天平(2)测量方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量装置置，其特征在于，所述测量平台(1)由固定底座(1-1)、四个电动缸(1-2)、活动底座(1-3)组成；
四个电动缸按顺时针方向依次记为电动缸(1-2-1)、电动缸(1-2-3)、电动缸(1-2-4)、电动缸(1-2-2)；当电动缸(1-2-1)、电动缸(1-2-2)同步伸出或收缩，电动缸(1-2-3)、电动缸(1-2-4)同步收缩或伸出时，活动底座(1-3)为俯仰运动；当电动缸(1-2-1)、电动缸(1-2-
3)同步伸出或收缩，电动缸(1-2-2)、电动缸(1-2-4)同步收缩或伸出时，活动底座(1-3)为横滚运动。
4.一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，采用权利要求1-3中任一项所述的装置实现，其特征在于，当被测船模安装在船模过渡件连接时，记为满载状态，当被测船模未安装时，记为空载状态；所述方法包括：
通过满载状态测量的重量、重心、转动惯量与空载状态测量的重量、重心、转动惯量的换算，得到被测船模的重量、重心、转动惯量。
5.根据权利要求4所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，其特征在于，获取测量平台满载状态的垂向力、空载状态的垂向力，所述满载状态的垂向力与所述空载状态的垂向力的差值为被测船模的重量。
6.根据权利要求4所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，其特征在于，通过测量平台给予被测船模一个倾斜角度，通过六分力天平的测量值得到被测船模的重心在三个方向的位置。
7.根据权利要求6所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，其特征在于，通过测量平台给予被测船模一个俯仰方向的倾斜角度θ，则船模重心距旋转中心的Z方向距离有如下关系：
式中M为被测船模绕旋转中心处受到的俯仰力矩；m为被测船模的重量；θ为被测船模在俯仰方向的倾斜角度；zG为船模重心距旋转中心的Z方向距离。
8.根据权利要求4所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，其特征在于，当船模进行纯俯仰运动时，其运动规律满足：
式中θ0为被测船模纯俯仰运动的振幅；q、为被测船模的俯仰角速度和角加速度；ω为被测船模俯仰运动的圆频率；θ、为被测船模绕旋转中心处y轴的俯仰角度和角速度；
被测船模纯俯仰运动时受到的时历力和力矩作为与俯仰运动同相位的惯性力和力矩，则
式中Z为被测船模旋转中心处受到的垂向力；M为被测船模绕旋转中心处受到俯仰力矩；m为被测船模的重量；xG为重心距旋转中心的X方向距离；Iy为被测船模绕旋转中心处的俯仰转动惯量；
将式(1)代入式(2)中，可得：
式中，Zin、Min分别表示垂向力、俯仰力矩与俯仰运动同相分量的幅值。
9.根据权利要求4所述的一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，其特征在于，当船模进行纯横滚运动时，其运动规律满足：
式中θ0为被测船模纯横滚运动的振幅；p、为被测船模的横滚角速度和角加速度；ω为被测船模横滚运动的圆频率；θ、为被测船模绕旋转中心处y轴的俯仰角度和角速度；
被测船模纯横滚运动时受到的时历力和力矩作为与横滚运动同相位的惯性力和力矩，则
式中Z为被测船模旋转中心处受到的垂向力；K为被测船模绕旋转中心处受到的横滚力矩；m为被测船模的重量；yG为重心距旋转中心的Y方向距离；Ix为被测船模绕旋转中心处的横滚转动惯量；
将式(3)代入式(4)中，可得：
式中，Zin、Kin表示垂向力、横滚力矩与俯仰运动同相分量的幅值。

说明书全文

一种船模重量、重心、转动惯量测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于船模水池试验技术领域，尤其涉及一种船模重量、重心、转动惯量测量方法。

背景技术

[0002] 在水池试验中，模型的重量、重心、转动惯量的测量方法基本是采用刀口、惯量调节架形式，如CN1401981A、CN1170131C、CN101852641A、CN101852641B。马勇在《哈尔滨工程大学学报》2011年01期上发表“船模重量、重心及转动惯量测量系统设计”中详细介绍了该方法。

[0003] 该方法是通过惯量调节架悬臂摇摆原理，测量转动周期，换算得到转动惯量。惯量调节架装置及其测量方法不能满足船模重心、转动惯量测量的要求，主要体现在一下几个方面：(1)该方法每次安装只能测量一个方向的重心和转动惯量，如俯仰惯量和横滚惯量的均需要测量，则要调转90度船模方向，进行二次安装和调试。(2)船模的理论重心需要与刀口在同一纵向位置，在船模安装在惯量调节架上时，位置是唯一的，位置安装的误差会被引入到最终的重心、转动惯量的测量中。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，通过给予被测船模强迫正弦周期性往复运动，测试六分力天平垂向力、俯仰力矩、横滚力矩的大小，通过换算求得船模重心、转动惯量，不需要二次安装和调试。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 技术方案一：

[0007] 一种船模重量、重心、转动惯量测量装置，所述装置包括：测量平台(1)、六分力天平(2)、船模过渡连接件(3)和被测船模(4)；

[0008] 所述的测量平台(1)用于提供船模在俯仰、横滚方向上的周期性往复运动；

[0009] 所述的六分力天平(2)用于测量船模运动后的实时受力和力矩；

[0010] 所述的船模过渡连接件(3)用于连接六分力天平(2)和被测船模(4)。

[0011] 本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

[0012] (1)所述船模过渡连接件(3)下底面是平的，上连接面与被测船模(4)相应位置相贯线一致，与被测船模(4)贴合，使得被测船模(4)的坐标轴与六分力天平(2)测量方向一致。

[0013] (2)所述测量平台(1)由固定底座(1-1)、四个电动缸(1-2)、活动底座(1-3)组成；

[0014] 四个电动缸按顺时针方向依次记为电动缸(1-2-1)、电动缸(1-2-3)、电动缸(1-2-4)、电动缸(1-2-2)；当电动缸(1-2-1)、电动缸(1-2-2)同步伸出或收缩，电动缸(1-2-3)、电动缸(1-2-4)同步收缩或伸出时，活动底座(1-3)为俯仰运动；当电动缸(1-2-1)、电动缸(1-
2-3)同步伸出或收缩，电动缸(1-2-2)、电动缸(1-2-4)同步收缩或伸出时，活动底座(1-3)为横滚运动。

[0015] 技术方案二：

[0016] 一种船模重量、重心、转动惯量测量方法，采用技术方案一所述的装置实现，当被测船模安装在船模过渡件连接时，记为满载状态，当被测船模未安装时，记为空载状态；所述方法包括：

[0017] 通过满载状态测量的重量、重心、转动惯量与空载状态测量的重量、重心、转动惯量的换算，得到被测船模的重量、重心、转动惯量。

[0018] 本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

[0019] (1)获取测量平台满载状态的垂向力、空载状态的垂向力，所述满载状态的垂向力与所述空载状态的垂向力的差值为被测船模的重量。

[0020] (2)通过测量平台给予被测船模一个倾斜角度，通过六分力天平的测量值得到被测船模的重心在三个方向的位置。

[0021] (3)通过测量平台给予被测船模一个俯仰方向的倾斜角度θ，则船模重心距旋转中心的Z方向距离有如下关系：

[0022]

[0023] 式中M为被测船模绕旋转中心处受到的俯仰力矩；m为被测船模的重量；θ为被测船模在俯仰方向的倾斜角度；zG为船模重心距旋转中心的Z方向距离。

[0024] (4)当船模进行纯俯仰运动时，其运动规律满足：

[0025]

[0026] 式中θ0为被测船模纯俯仰运动的振幅；q、为被测船模的俯仰角速度和角加速度；ω为被测船模俯仰运动的圆频率；θ、为被测船模绕旋转中心处y轴的俯仰角度和角速度；

[0027] 被测船模纯俯仰运动时受到的时历力和力矩作为与俯仰运动同相位的惯性力和力矩，则

[0028]

[0029] 式中Z为被测船模旋转中心处受到的垂向力；M为被测船模绕旋转中心处受到俯仰力矩；m为被测船模的重量；xG为重心距旋转中心的X方向距离；Iy为被测船模绕旋转中心处的俯仰转动惯量；

[0030] 将式(1)代入式(2)中，可得：

[0031]

[0032] 式中，Zin、Min分别表示垂向力、俯仰力矩与俯仰运动同相分量的幅值。

[0033] (5)当船模进行纯横滚运动时，其运动规律满足：

[0034]

[0035] 式中θ0为被测船模纯横滚运动的振幅；p、为被测船模的横滚角速度和角加速度；ω为被测船模横滚运动的圆频率；θ、为被测船模绕旋转中心处y轴的俯仰角度和角速度；

[0036] 被测船模纯横滚运动时受到的时历力和力矩作为与横滚运动同相位的惯性力和力矩，则

[0037]

[0038] 式中Z为被测船模旋转中心处受到的垂向力；K为被测船模绕旋转中心处受到的横滚力矩；m为被测船模的重量；yG为重心距旋转中心的Y方向距离；Ix为被测船模绕旋转中心处的横滚转动惯量；

[0039] 将式(3)代入式(4)中，可得：

[0040]

[0041] 式中，Zin、Kin表示垂向力、横滚力矩与俯仰运动同相分量的幅值。

[0042] 本发明优点是：在保证船模的坐标轴与六分力天平测量方向一致的前提下，船模具体位置与测量结果无关，不会引入位置安装误差；一次安装就可测量俯仰方向、横滚方向惯量，不需要二次安装。附图说明

[0043] 图1是本发明一种船模重量、重心、转动惯量测量装置的结构示意图；

[0044] 图2是本发明一种船模测量装置中测量平台的结构示意图；

[0045] 图3是被测船模随时间变化的俯仰运动姿态示意图；

[0046] 图4是被测船模随时间变化的横滚运动姿态示意图。

具体实施方式

[0047] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0048] 如图1所示，所述的测量平台1用于提供船模在俯仰、横滚方向上的运动；所述的六分力天平2用于测量船模运动后的实时受力和力矩；所述的船模过渡连接件3用于连接六分力天平2和被测船模4，船模过渡连接件3下地面是平的，上连接面与被测船模4相应位置相贯线一致，与被测船模贴合，用于保证被测船模4的坐标轴与六分力天平2测量方向一致；所述的被测船模4为本发明的测量对象。

[0049] 如图2所示，所述的测量平台1由由固定底座1-1、四个电动缸1-2-1、1-2-2、1-2-3、1-2-4、活动底座1-3组成；当电动缸1-2-1、1-2-2同步伸出或收缩、电动缸1-2-3、1-2-4同步收缩或伸出时，活动底座此时为俯仰运动；当电动1-2-1、1-2-3同步伸出或收缩、电动缸1-
2-2、1-2-4同步收缩或伸出时，活动底座此时为横滚运动。

[0050] 为了使本技术领域的人员更好地本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本发明的测量原理进行清楚、完整地描述。

[0051] 当被测船模4安装在船模过渡件连接3时，即为满载状态，当被测船模4未安装时，即为空载状态。满载状态、空载状态均要进行倾斜运动、俯仰运动、横滚运动。俯仰运动、横滚运动的旋转中心为被测船模4的理论重心位置。由测量平台1给予被测船模的强迫正弦周期性往复的纯俯仰运动、纯横滚运动一个给定的振幅和频率。

[0052] 通过满载状态测量的重量、重心、转动惯量与空载状态测量的重量、重心、转动惯量的换算，可以得到被测船模4的重量、重心、转动惯量。

[0053] 通过测量平台1的满载状态垂向力Z满载、空载状态垂向力Z空载测量，其差值即为被测船模4的重量m。即：

[0054] m＝Z满载-Z空载 (1)

[0055] 通过测量平台1给予被测船模4一个俯仰方向的倾斜角度θ，则重心距旋转中心的Z方向距离有如下关系：

[0056]

[0057] 式(2)中M为被测船模4绕旋转中心处受到的俯仰力矩；m为被测船模4的重量；θ为被测船模4在俯仰方向的倾斜角度；zG为重心距旋转中心的Z方向距离；

[0058] 在水池试验船模转动惯量的测量中，被测船模4的俯仰转动惯量、横滚转动惯量更为关注。以下重点介绍转动惯量测量原理。

[0059] 如图3所示，以纯俯仰运动为例，其运动规律满足：

[0060]

[0061] 式(3)中θ0为被测船模4纯俯仰运动的振幅；q、为被测船模4的俯仰角速度和角加速度；ω为被测船模4俯仰运动的圆频率；θ、为被测船模4绕旋转中心处y轴的俯仰角度和角速度。

[0062] 由于被测船模4在空气中受到的阻尼力较小，可以忽略，将被测船模4纯俯仰运动时受到的时历力和力矩为与俯仰运动同相位的惯性力和力矩。

[0063]

[0064] 式(4)中Z为被测船模4旋转中心处受到的垂向力；M为被测船模4绕旋转中心处受到的俯仰力矩；m为被测船模4的重量；xG为重心距旋转中心的X方向距离；Iy为被测船模4绕旋转中心处的俯仰转动惯量。

[0065] 将式(3)代入式(4)中，可得：

[0066]

[0067] 式中(5)，Zin、Min表示垂向力、俯仰力矩与俯仰运动同相分量的幅值。

[0068] 如图4所示，以纯横滚运动为例，其运动规律满足：

[0069]

[0070] 式(6)中θ0为被测船模4纯横滚运动的振幅；p、为被测船模4的横滚角速度和角加速度；ω为被测船模4横滚运动的圆频率；θ、为被测船模4绕旋转中心处y轴的俯仰角度和角速度。

[0071] 由于被测船模4在空气中受到的阻尼力较小，可以忽略，将被测船模4纯横滚运动时受到的时历力和力矩为与横滚运动同相位的惯性力和力矩。

[0072]

[0073] 式(7)中Z为被测船模4旋转中心处受到的垂向力；K为被测船模4绕旋转中心处受到的横滚力矩；m为被测船模4的重量；yG为重心距旋转中心的Y方向距离；Ix为被测船模4绕旋转中心处的横滚转动惯量。

[0074] 将式(6)代入式(7)中，可得：

[0075]

[0076] 式中(8)，Zin、Kin表示垂向力、横滚力矩与俯仰运动同相分量的幅值。

[0077] 通过本发明装置，可以依次测量船模重量m，重心(xG，yG，zG)、横滚转动惯量Ix和俯仰转动惯量Iy。

[0078] 在俯仰运动中横滚力矩K相对较小，在横滚运动中俯仰力矩M相对较小，测量不明显；在俯仰运动中俯仰转动惯量Iy误差较小，因此俯仰转动惯量Iy主要从俯仰运动中测量得到，同理横滚转动惯量Ix主要从横滚运动中测量得到。

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