近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置

技术领域

本发明涉及冰区船舶与海洋工程试验技术领域，具体为近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置。

背景技术

二十一世纪是海洋的世纪，随着温室效应的加剧，极地冰雪融化加速，大范围冰雪消融带来一系列极地生态环境问题的同时，也为人类探索极地带来了机遇与挑战。作为影响世界可持续发展和人类生存的新疆域，两极地区成为大国之间围绕利益和影响力竞争的新的战略制高点。“深海”和“极地”作为全面贯彻落实建设海洋强国战略的新部署，与国家的发展与安全有着长远的利益关系。极地潜器是支撑极地海洋探查、资源开发、海洋科学研究、海洋工程作业的重要技术手段和装备之一，可助力我国极地深海探测与作业能力的形成，是维护国家极地权益、实施国家极地战略的重要之举。

极地科考由于纬度高、极低温以及大面积海冰覆盖等恶劣环境，对潜器的通信、导航、能源供应以及水动力特性等综合性能都具有特殊的要求。极地潜器作业过程中常面临大范围冰覆盖，需长时间处于近冰下航行。考虑冰层的存在使潜器周围流场的不均性进一步加剧，严重影响了潜器的航行稳定性和结构安全性。有必要研究极地潜器在连续冰层和浮冰区域航行时螺旋桨水动力载荷、冰载荷以及绕流场的变化机理。有必要搭建近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置。然而，目前在水池开展潜器阻力试验和自航试验时，潜器的拖曳装置主要采用竖直方向的支撑杆进行拖曳，而近冰面航行状态下潜器自航状态载荷及流场测试试验时由于模拟冰层的阻隔，无法采用现有的拖曳装置。同时，为了精确测试冰层与艇体、螺旋桨之间流场的耦合作用，减少支撑杆对三者流场的干扰也是必须考虑的因素；为此提供一种近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，包括试验水池、模拟冰层材料、模拟冰层铺设回收装置、模拟潜器自航状态装置、试验测试装置，所述试验水池包括拖车和轨道；

所述模拟冰层材料由聚丙烯板材构成；

所述模拟冰层铺设回收装置由空心钢板、第一螺栓、L型钢板、第二螺栓、轴承、转动轴、伸缩钢杆、按压固定装置、半圆形带孔洞突附体、孔洞连接轴承、夹具、弹簧、操纵杆、牵引绳构成；

所述模拟冰层铺设回收装置由第一螺栓固定在试验水池侧壁上；

所述模拟潜器自航状态装置由潜器模型、螺旋桨模型、适航仪、支撑杆、伸缩轴、电机、轴系和调速箱构成；

所述试验测试装置由随车PIV测量系统、自航仪和六分量防水测力天平构成。

作为本发明的一种优选技术方案，所述空心钢板由第一螺栓固定在试验水池侧壁上，所述L型钢板通过第二螺栓与空心钢板相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述轴承固定在L型钢板的中部凹槽内，所述轴承上安装有转动轴，所述转动轴的中部安装伸缩钢杆，所述转动轴的上端固定有操纵杆，所述伸缩钢杆带有圆形孔槽，所述伸缩钢杆的前端焊接半圆形带孔洞突出附体，所述半圆形带孔洞突出附体中部连接有孔洞连接轴承。

作为本发明的一种优选技术方案，所述夹具通过孔洞连接轴承与伸缩钢杆相连，所述夹具后端连接有弹簧，所述夹具上方焊接突出带孔洞附体，所述牵引绳与夹具上方的突出带孔洞附体相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述螺旋桨模型安装在潜器模型后端，所述潜器模型通过支撑杆与适航仪相连，所述支撑杆内置伸缩轴，所述六分量防水测力天平固定在潜器模型与支撑杆连接处前端，所述适航仪与拖车侧桥上的固模架相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述聚丙烯板材边缘打有孔洞，所述聚丙烯板材设有若干个，所述聚丙烯板材之间通过U型连板固定边缘孔洞相互连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述PIV随车测量系统、自航仪与六分量防水测力天平均与数据采集系统相连。

本发明的有益效果是：本发明一种近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，聚丙烯板材的密度与潜器模型之间的摩擦系数均与冻结模型冰的材料属性相近，因此采用铺设聚丙烯板材来替代传统冻结冰模型来模拟连续冰层试验环境；聚丙烯板材存储方便，材料本身具有一定的耐腐蚀性，不需要特殊的存储环境，并且可以反复利用，既节省材料又能完整的展现连续冰层的壁面效应，大大提高了试验的时效性和便捷性。整个冰层由多块聚丙烯板材通过U型连板固定连接，同时，为防止自航实验时的流场影响造成夹具松动，从而影响模拟冰层材料的稳定性，配合尼龙绳进行拖拽和固定。整个模拟冰层材料具有安装和拆卸方便，稳定性好，操作效率高等优点。

本发明一种近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，模拟冰层铺设回收装置通过第一螺栓下的真空吸盘固定在试验水池侧壁上，不会对试验水池造成任何破坏，整体拆装方便，在试验过后可以拆装保存；L型钢板通过第二螺栓与空心钢板相连，通过第二螺栓及空心钢板两侧的滑动槽来调节L型钢板的上下位置，以此来调节转动轴的上下位置，达到控制夹具上下位置的效果；轴承固定在L型钢板的中部凹槽内与转动轴相连，提高了转动轴的灵活性；伸缩钢杆固定在转动轴中部，可以根据需要来调节伸缩钢杆的长度；按压固定装置可以更好的固定伸缩钢杆的长度；夹具通过伸缩钢杆前端的孔洞连接轴承与伸缩钢杆相连，夹具后端连接弹簧，在不受其他外力情况下通过弹簧的作用呈闭合状态，夹取物体接触面成锯齿状，可以更好地固定模拟冰层材料；通过连接夹具上端突出孔洞的牵引绳来调节夹具的开口大小方便夹取不同厚度的聚丙烯板材；转动轴上端固定操纵杆，可以通过控制转动轴来控制夹具自由转动，提高了模拟冰层铺设回收装置的灵活性和操作性。

本发明一种近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，潜器模型和螺旋桨模型的大小及质量根据试验潜器和螺旋桨进行换算；采用L型侧壁式适航仪，可以根据航行工况进行模块化调节，大大减少了适航仪对潜器模型和冰层之间流场的干扰；潜器模型通过支撑杆与适航仪相连，在支撑杆与潜器模型前端连接处粘贴防水胶带，防止试验过程中潜器模型进水对试验结果产生影响；支撑杆内置伸缩轴可以更好地支撑潜器模型，提高了试验过程的稳定性；适航仪由L型的翼型板连接而成，同时，在潜器模型前端通过圆柱与适航仪连接，从而减少了试验过程中支撑杆和适航仪产生的流场对试验数据的影响；六分量防水测力天平固定在潜器模型与支撑杆连接处前端测量潜器模型的响应力与所受阻力，可以尽可能的减少潜器模型与支撑杆前端产生的流场对试验数据的影响；测试装置的载荷测量精度通过标准力进行传感器静态标定和动态标定，保证载荷的测量精度；适航仪和PIV测量系统都固定在拖车侧桥的固模架上随拖车运动，通过控制拖车的运行速度来控制潜器模型的速度；电机、轴系、自航仪、安装在潜器模型内部，螺旋桨模型安装在潜器模型尾部与轴系相连，通过拖车内的调速箱来控制螺旋桨的转速；自航仪、六分量防水测力天平和随车PIV测量系统的试验数据最终上传到拖车内的数据采集系统。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明图1中B的放大结构示意图；

图3是本发明装置的模拟冰层材料的整体效果图；

图4是本发明装置的侧视图；

图5是本发明模拟冰层铺设回收装置的整体效果图；

图6是本发明装置模拟冰层铺设回收装置的轴承图；

图7是本发明装置模拟潜器自航状态装置的整体效果图；

图8是图5中A的局部放大图。

图中：试验水池1、试验水池侧壁2、轨道3、聚丙烯板材4、U型连板5、模拟冰层铺设回收装置6、空心钢板7、第一螺栓8、L型钢板9、第二螺栓10、轴承11、转动轴12、伸缩钢杆13、按压固定装置14、半圆形带孔洞突附体15、孔洞连接轴承16、夹具17、弹簧18、操纵杆19、牵引绳20、适航仪21、支撑杆22、伸缩轴23、潜器模型24、螺旋桨模型25、随车PIV测量系统26、六分量防水测力天平27、尼龙绳28、电机29、轴系30、自航仪31。

具体实施方式

下面结合对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1：近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，包括试验水池1、模拟冰层材料、模拟冰层铺设回收装置6、模拟潜器自航状态装置、试验测试装置；试验水池1包括拖车和轨道3；

模拟冰层材料由聚丙烯板材4构成；

模拟冰层铺设回收装置6由第一螺栓8固定在试验水池侧壁2上；模拟冰层铺设回收装置6包括操纵杆19、转动轴12、轴承11、第一螺栓8、第二螺栓10、空心钢板7、L型钢板9、伸缩钢杆13、按压固定装置14、弹簧18、夹具17；

模拟潜器自航状态装置由潜器模型24、螺旋桨模型25、适航仪21、支撑杆22、伸缩轴23、电机29、轴系30、调速箱构成；

试验测试装置由随车PIV测量系统26、自航仪31、六分量防水测力天平27构成。

空心钢板7由第一螺栓8固定在试验水池侧壁2上，L型钢板9通过第二螺栓10与空心钢板7相连。

轴承11固定在L型钢板9的中部凹槽内，轴承11上安装有转动轴12，转动轴12的中部安装伸缩钢杆13，转动轴12的上端固定有操纵杆19，伸缩钢杆13带有圆形孔槽，伸缩钢杆13的前端焊接半圆形带孔洞突出附体25，半圆形带孔洞突出附体25中部连接有孔洞连接轴承16。

夹具17通过孔洞连接轴承16与伸缩钢杆13相连，夹具17后端连接有弹簧18，夹具17上方焊接突出带孔洞附体，牵引绳20与夹具17上方的突出带孔洞附体相连。

螺旋桨模型25安装在潜器模型24后端，潜器模型24通过支撑杆22与适航仪21相连，支撑杆22内置伸缩轴23，六分量防水测力天平27固定在潜器模型24与支撑杆22连接处前端，适航仪21与拖车侧桥上的固模架相连。

聚丙烯板材4边缘打有孔洞，聚丙烯板材4通过U型连板5固定边缘孔洞相连。

PIV随车测量系统5、自航仪31与六分量防水测力天平27均与数据采集系统相连。

工作原理：一种近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置，由试验水池1、模拟冰层材料、模拟冰层铺设回收装置6、模拟潜器自航状态装置、试验测试装置构成。

结合图1-8所示，在搭建过程中首先搭建模拟冰层材料。在试验水池1池头将每两块聚丙烯板材4通过U型连板5固定连接，达到需要的模拟连续冰层长度；搭建完成的模拟冰层材料模拟连续冰层最前端和最后端两块板的边缘打有孔洞并穿有尼龙绳28，将连接好的聚丙烯板材4放入试验水池中。试验人员可以通过尼龙绳28沿着水池池壁在水中拖动模拟冰层材料，将模拟冰层材料拖到大致试验位置后，将尼龙绳28固定在水池池壁一侧的轨道3下方。然后搭建模拟冰层铺设回收装置6；将空心钢板7固定在试验水池侧壁2上，将L型钢板9嵌套在空心钢板7内通过第二螺栓10固定，将轴承11固定在L型钢板9的中部凹槽内，然后将转动轴12固定在轴承11上，保证转动轴12的灵活性。将伸缩钢杆13固定在轴承11中部，操纵杆19固定在转动轴12上部，半圆形带孔洞突附体15焊接在伸缩钢杆13的前端，孔洞内固定有孔洞连接轴承16，夹具17通过孔洞连接轴承16与伸缩钢杆13相连，并且夹具17后端通过焊接两个突出附体连接弹簧18，夹具17在不受其他外力情况下通过弹簧18的作用呈闭合状态，夹具17上端焊接突出带孔洞附体并且穿有牵引绳20，通过拉拽牵引绳20控制夹具17开口大小。夹具17的上下位置可以通过调整L型钢板9的上下位置来控制；

再次，搭建模拟潜器自航状态装置，在潜器模型24内部安装电机29、轴系30、自航仪31等自航试验测试装置，安装完成后将螺旋桨模型25固定在潜器模型24后端与轴系30相连。调整支撑杆22内置伸缩轴23的长度，将潜器模型24与支撑杆22相连，待潜器模型24与支撑杆22连接后，控制伸缩轴23的长度，使伸缩轴23与潜艇模型6内壁面接触，提升潜器模型24在试验过程中的稳定性。在潜器模型24与支撑杆22的连接处粘贴防水胶带；将六分量防水测力天平27固定在潜器模型24与支撑杆22的连接处前端。将支撑杆22与适航仪21固定。适航仪21和PIV测量系统5都固定在拖车侧桥的固模架上随拖车运动，通过控制拖车的运行速度来控制潜器模型24的速度，通过拖车内的调速箱来控制螺旋桨转速。自航仪31、六分量防水测力天平27和随车PIV测量系统26的试验数据最终上传到拖车内的数据采集系统；

待整个近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置建成后，即可利用该设施开展近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试试验。这里以潜器的直航状态为分析对象，开展近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试试验，叙述整个近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试装置的使用过程。在开展近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试试验之前，首先对潜器和螺旋桨的质量、连续冰层场景以及潜器自航状态进行调研，确定试验方案。潜器模型24和螺旋桨模型25的大小及质量根据试验潜器和螺旋桨进行换算；

检查转动轴12和夹具17的灵活度，以便更好的控制和调整模拟连续冰层材料的位置；夹具17的上下位置可以通过调整L型钢板9的上下位置来控制，每个装置根据聚丙烯板材4所在水面位置，通过调整L型钢板9的上下位置将夹具17调整到合适位置，然后通过调整伸缩钢杆13的长度，配合操纵杆19并通过牵引绳20调整夹具17开口大小，让夹具17固定住聚丙烯板材4，固定好后可以通过伸缩钢杆13、操纵杆19，配合模拟连续冰层前后两端的尼龙绳28，将模拟冰层材料调整到试验位置；伸缩钢杆13长度确定后，通过按压固定装置14将伸缩钢杆13的长度固定并再次检查固定在水池池壁一侧轨道3下方的尼龙绳28的稳定性；

将拖车置于试验水池起始端，准备完成后即可开始近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试试验；

试验时，通过控制拖车的速度和螺旋桨转速来模拟潜器模型24的自航状态，通过测试得到的数据结果进行不确定度与收敛性分析来给出测试结果的测试精度与可信度，通过速度样本的处理分析速度分布，提取湍流特性以及旋涡分布特性，为冰区边界条件下潜器及螺旋桨载荷、绕流场分布特性与流动机理研究提供数值基础。

待近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试试验完成后，将各测试装置的数据拷出。同时，将拖车重新置于试验水池1起始端，待水面恢复平静后，即可开展下一次近冰面航行状态下潜器自航状态时载荷及流场测试试验研究。该试验装置可以根据不同的工况，根据需要的连续冰层试验环境来调整模拟冰层材料的厚度，制作相似的模拟连续冰层试验环境，根据需要试验的潜器和螺旋桨的大小及质量，来调整螺旋桨模型25与潜器模型24的大小及质量来模拟多种型号的潜器及螺旋桨进行多种工况下的联调试验，从而得到更为全面的数据。该试验装置不受季节的制约，整个试验装置在一年四季都能得到充分利用；

试验完成后，首先解开固定在水池池壁一侧轨道3下方的尼龙绳28，然后通过调整L型钢板9的上下位置将夹具17调整到合适位置，然后通过调整伸缩钢杆13的长度，配合操纵杆19和尼龙绳28将模拟冰层材料转移到试验水池侧壁2边，通过牵引绳20调整夹具17开口大小，解除夹具17对模拟连续冰层材料的固定，完成模拟连续冰层材料的回收。将回收后的模拟冰层材料解除U型连板5的连接并堆叠放置，方便下次利用。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。