本發明涉及船舶動力學試驗裝置，尤其是一種拖曳水池piv試驗模型強制約束裝置及使用方法。

背景技術：

1、目前深水拖曳水池piv流場試驗基本以系統隨車安裝的測試方式為主，岸基式的測試方式幾乎已經棄用，并且主要圍繞基于雙目成像工作原理的stereo-piv(含2臺相機)系統制定流場測試方案，其中stereo-piv系統對外輸出的激光是片狀光形式。

2、研究人員對船模本體、附體，特別是螺旋槳周圍的流場分布極感興趣，而在拖曳水池試驗場景下，沿拖曳方向(或者流向)的速度遠大于另外兩個方向的速度，在考慮piv測試系統結構剛度和對測試區域干擾程度的前提下，stereo-piv系統的激光部分和相機系統集成在同一段剛性結構體中，導致輸出的片狀激光垂直于拖曳方向，由于為了確保在相機感光元件上有合適的像素偏移值，需要控制相鄰兩幀的拍攝時間間隔不宜過小，否則會出現峰值鎖定現象導致難以識別粒子群在前后兩幀的位移，而流向速度較大的特性也會導致示蹤粒子在拍攝第二幀時已脫離激光照亮區域，因此對拍攝的相鄰兩幀示蹤粒子分布原始圖片進行互相關計算得到的速度場會因粒子穿越丟失而存在較多的速度壞點，從統計學的角度可以連續拍攝多組圖片，對計算得到的速度場進行平均處理來得到較好的流場結果，但是上述對采樣的多組數據樣本進行平均處理的方式要求模型在試驗過程中處于穩定態。此外，在拖曳水池開展piv流場試驗一般是在靜水條件下進行，研究人員關注的是在靜水中典型航速下的目標流場分布，船模的設計/結構吃水水線是目標船靜止在靜水中和水面的交接線，運動狀態下船模存在抬艏/埋艏等姿態變化，此時的水線與船模在靜止時的水線不同，因此開展流場試驗時需要將船模姿態調整到自由航行時的姿態。

3、現有技術中具備開展船模三維piv流場試驗能力的拖曳水池較少，且以商業水池為主，公開資料有限，主要有兩種約束模型的方式：

4、一、采用阻力自航試驗任務中的源自英國cussons公司研制的阻力儀，該阻力儀上有一套氣動控制的夾具，利用該夾具帶動船模以設定航速運行，配合阻力自航試驗中相關的導航裝置來約束縱蕩和艏搖等，使船模在垂蕩和縱傾兩個姿態下處于自由態，自動達到穩定平衡，但是該方案采用的氣動抱閘裝置受氣動系統剛度差的影響，每次抱閘后夾具的夾持點相對于拖車存在物理位置偏移，使得流場實際測量面與期望測量面存在位置偏差，失去流場測量的意義；

5、二、下水前在船模表面畫好對應航速自由狀態下的吃水線，利用木板將船模和拖車測試平臺強制綁定，在固定過程中根據畫的水線調節每根木板的固定方式，使水線和水面對齊，該方法存在的缺點是木板剛度差，在拖曳過程中存在一定程度的變形，會導致模型姿態發生變化，此外，現場安裝固定的木板較多，并且需要嚴格控制每根木板的安裝位置來確保水線與水池水面的對齊，帶來較大的工作量和較高的難度。

技術實現思路

1、本技術人針對上述現有生產技術中在深水拖曳水池piv三維流場試驗中現有的模型姿態調節方法存在效率低、工作量大和結構穩定性差等問題，并且現有的商用stereo-piv系統的有效測量區域在設計階段即被固化，幾乎沒有調節空間，因此存在模型被測區域和piv系統可測區域匹配的問題，從而提供一種拖曳水池piv試驗模型強制約束裝置及使用方法，從而使其具有較豐富的姿態約束功能、高效簡易的實施流程和可靠的船模姿態維持特性。

2、本發明所采用的技術方案如下：

3、一種拖曳水池piv試驗模型強制約束裝置，包括試驗船模，試驗船模上設置有多個船模甲板連接板，單個船模甲板連接板上通過船模連接座安裝模型強制約束裝置，模型強制約束裝置連接測試平臺；

4、模型強制約束裝置的結構為：包括間隔布置的滑塊軌和齒輪軌，滑塊軌落座在測試平臺滑軌上，滑塊軌沿著測試平臺滑軌滑動，齒輪軌落座在測試平臺基座上，測試平臺基座上安裝有測試平臺的齒條，滑塊軌和齒輪軌之間間隔分布有橫向移動滑軌，滑塊軌的一端以及齒輪軌的兩端分別安裝有夾緊裝置；滑塊軌、齒輪軌和兩個橫向移動滑軌形成四邊形結構，位于其中一個橫向移動滑軌的外部安裝有橫向移動驅動機構，兩個橫向移動滑軌上配合安裝有平移框架，平移框架的內部安裝升降桿，平移框架的頂面固定有頂板，頂板上安裝電機，電機的輸出端連接蝸輪蝸桿機構，蝸輪蝸桿機構的輸出軸穿過頂板后與升降桿鎖緊，升降桿的底部與船模連接座固定。

5、其進一步技術方案在于：

6、夾緊裝置可緊緊抱住測試平臺滑軌和測試平臺基座，從而將整套模型強制約束裝置鎖緊在測試平臺上。

7、齒輪軌內插入縱向移動驅動機構，核心驅動部件圓柱齒輪在齒輪軌內部，并與齒條相互咬合。

8、電機的輸出端通過聯軸器連接蝸輪蝸桿機構；頂板上安裝有墊板，墊板是為了平衡電機和蝸輪蝸桿機構的高度差。

9、平移框架兩側各安裝兩個垂向移動滑塊，并用緊固件固定，垂向移動滑軌用緊固件固定在升降桿兩側，升降桿頂部固定有大螺母，蝸輪蝸桿機構的輸出端和大螺母配合工作，可驅動升降桿沿垂向移動，四個垂向移動滑塊和兩根垂向移動滑軌配合工作，起移動導向作用。

10、升降桿上裝有第一指針，平移框架上貼有沿垂向布置的刻度尺，配合使用可顯示升降桿的垂向位置。

11、主橫向橫梁和副橫向橫梁分別通過緊固件固定在滑塊軌和齒輪軌上，主橫向橫梁和副橫向橫梁的上表面均鋪設有一根橫向移動滑軌，平移框架兩側均固定橫向移動滑塊，橫向移動滑塊與橫向移動滑軌配合起滑行導向用途。

12、主橫向橫梁和副橫向橫梁均采用工字梁結構。

13、橫向移動驅動機構的安裝結構為：驅動絲桿直徑較小的一端先裝入一號推力球軸承，然后穿過主橫向橫梁的通孔，一號推力球軸承鑲嵌在安裝座內，起轉動支撐作用，在穿透出來的部位上裝入二號推力球軸承和擋圈本體，主橫向橫梁的通孔孔徑小于一號推力球軸承和二號推力球軸承的直徑，一號推力球軸承和二號推力球軸承被主橫向橫梁格擋開，驅動絲桿直徑較小的一端車有一小段細螺紋，通過小圓螺母將二號推力球軸承和擋圈本體緊緊貼合主橫向橫梁，手柄安裝在末端，方便轉動驅動絲桿，將絲母倒裝在平移框架上，驅動絲桿直徑較大一端車粗螺紋與絲母配合使用；轉動手柄，驅動絲桿對絲母進行驅動，平移框架在橫向移動滑塊與橫向移動滑軌的導向作用下可在橫向移動，每根橫向移動滑軌上裝有兩個限位塊，這兩個限位塊分布在平移框架的兩側，當平移框架在橫向移動到預定位置后，利用緊固件和限位塊鎖定平移框架的橫向位置。

14、一種拖曳水池piv試驗模型強制約束裝置的使用方法，包括如下流程：

15、在水平臺上對試驗船模畫好一根自由航行狀態下的吃水線，在該吃水線下方約1cm處劃一根參考吃水線；

16、強制約束裝置坐落在拖車測試平臺上，滑塊軌和齒輪軌與測試平臺上的滑軌條和齒輪條相互配合起導向作用，通過轉動圓柱齒輪，在齒輪和齒輪條的相互作用下可使強制約束裝置沿著滑軌條或齒軌條滑行，配有鎖緊組件可使強制約束裝置和滑軌條或齒軌條位置保持不變；

17、升降桿通過模型連接座和船模固定，模型連接座放開縱傾約束，可適配船模在自由態下不同的縱傾角要求；

18、通過電機、蝸輪蝸桿機構帶動升降桿在垂向移動；

19、試驗船模內擺放壓鐵直到參考水線和水面齊平，調節上述兩臺強制約束裝置升降桿的高度，將試驗船模下壓，使自由航行態水線和水面齊平，然后將模型連接座和試驗船模連接，可對試驗船模的升沉和縱傾姿態鎖定。

20、本發明的有益效果如下：

21、本發明結構緊湊、合理，操作方便，通過采用較多的鋼結構設計，具有較好的結構強度和剛度，在拖曳模型和保持模型姿態穩定性方面有較好表現；兩套裝置協同使用，在垂向、橫向和縱向三個自由度上都能快速調節模型位置，在縱傾方面放開自由度限制的連接座可實時滿足船模多種縱傾角的試驗需求，降低操作人員在準備階段的工作強度；提出的參考水線安裝法進一步強化了本裝置和船模間的連接強度，在試驗準備階段即可保證船模在水池內的穩定性，方便人員固定裝置和船模。

22、本發明通過機械機構和電氣化裝置高效地實現了對船模在橫向、垂向和縱向三個方向的位置調整，并且“蹺蹺板”結構形式的模型連接座可方便快捷地固定在有縱傾變化的模型甲板面。

23、本發明強制約束裝置采用機械化結構，系統強度高、剛度大，在三個方向具備一定的位置鎖定能力，使試驗中模型姿態保持較好的穩定性。

24、本發明基于淺吃水的參考水線安裝法，增加了船模和強制約束裝置升降桿之間的垂向作用力，在安裝階段提高了船模在水池內的穩定性，方便安裝人員在船模內走動開展定位安裝工作，降低操作難度、提高操作效率。

25、本發明模型強制約束裝置的橫向移動功能可以使測量距離固化的stereo-piv系統應用到不同尺寸的船模和不同測量的區域(槳盤面、船附體)，即在約束模型的前提下又擴張了現有piv系統的測試范圍。

26、本發明適用于在深水拖曳水池中開展隨車式piv流場試驗時按照預期值對目標船模進行姿態控制，以及使目標測量區域落在piv系統的最佳測試范圍內，并對船模升沉(垂蕩)和縱傾(縱搖)姿態的調整以及和船模穩固連接的方法。