适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型及方法

本发明涉及一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型及方法，属于船舶领域。

背景技术：

1、国内外研究人员对水下航行体的上浮破冰开展了相关研究。申请号为201810771508.x的专利提出了一种具备上浮破冰能力的潜艇构型，其平衡翼能够激发炮弹的发射，击碎冰层为潜艇上浮提供合适的上浮区域。同时在触冰时调整至竖直状态，形成集中力作用，提高破冰能力。在模型试验方面，申请号为201811237013.5的专利设计了一个通过滑轨支架吊升上浮的试验装置，采用矩形板等效模拟水下航行体围壳的作用。该装置设计的吊升框架，对于实现水池尺度存在复杂曲面水下航行体结构稳定上浮存在一定难度。此外，该装置采用弹簧模拟浮力作用，并依据弹簧测力计测量垂向载荷。因此，较难保证上浮破冰过程中流体载荷测量的精度，且无法测量存在复杂曲面的水下航行体在上浮过程中受到的水平载荷。申请号为202310016024.5的专利提出的水下航行器上浮破冰模拟试验装置中，通过托举的方法实现水下航行体的破冰上浮，但未见对水下航行体载荷测量装置的相关描述。综上，目前缺少适用于冰水池尺度上浮破冰的水下航行体试验模型装置，一方面能够准确描述水下航行体的围壳、尾翼等结构上浮破冰现象。另一方面，对上浮过程中的垂向、水平载荷进行精确测量。同时，能够在约束上浮与自由上浮进行自由切换，既能实现定速定倾角的上浮破冰，又能实现在一定净浮力作用下自由上浮破冰。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型及方法，以精准测量垂直面运动时水下航行体的垂向及水平载荷历程，特别是对于上浮破冰过程，对围壳的垂向载荷单独进行评估。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，包括主艇体壳体，所述主艇体客体的艏部和艉部设有水密舱室，在艏部和艉部依次设有第一可透水舱室、第二可透水舱室、第三可透水舱室和第四可透水舱室，在第一可透水舱室内安装有第一横板，在第一横板上安装有第一拉压传感器，第一拉压传感器与主艇体壳体外的围壳实体连接；第二可透水舱室内安装有第二横板，在第二横板上安装有第二拉压传感器，第二拉压传感器通过连接件与第三拉压传感器连接，第三拉压传感器通过第一铰接件与第一驱动杆连接，第一驱动杆的一端位于主艇体壳体外，第一可透水舱室与第二可透水舱室相通；在第三可透水舱室内安装有重心调节装置；在第四可透水舱室内安装有第四横板，在第四横板上第四拉压传感器，第四拉压传感器通过第二铰接件与第二驱动杆连接，第一驱动杆和第二驱动杆位于主艇体同一侧。

3、作为优选，所述重心调节装置包含一对滑轨，在滑轨上设有可移动压载块。

4、作为优选，所述第三可透水舱室的底部固定有固定压载块。

5、作为优选，所述第二可透水舱室和第四可透水舱室均固定安装有磁铁架。

6、在本发明中，水下航行体模型(艇体壳体、围壳实体以及尾翼实体等)依据设计图纸采用3d打印以及玻璃钢材料进行加工制作，内部各个舱壁以及横板等采用电木等材料进行加工，固定压载块以及可调压载块均采用铁进行制作。

7、本发明为一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，旨在能够同时兼顾约束运动与自由运动的试验条件，实现不同试验条件下水下航行体模型之间的自由切换。针对约束运动，水下航行体模型在围壳、艏部以及艉部安装拉压传感器。针对自由运动，模型内部仅保留围壳部位的拉压传感器，固定大型压载块，通过调节可调小压载块实现初始浮力状态的预置调整。主要运用于水下航行体近冰面上浮水动力规律以及上浮破冰机理的试验研究。本发明包括四个主要部分，分别为水下航行体模型、压载调节系统、测力系统以及磁吸装置。

8、在本发明中，水下航行体模型包括：主艇体壳体、围壳实体、尾翼实体、水密舱壁、横板、驱动支杆等；压载调节系统包括：舯部两根滑轨、艏艉部固定重量压载块、舯部可调(数量及位置)压载块以及泡沫块若干等；测力系统包括：四个防水等级ip68的拉压传感器以及用于连接各个拉压传感器及驱动支杆的一对角支板；磁吸装置包括：艏部和艉部的磁铁架。

9、在本发明中，水下航行体模型根据试验尺度以及曲率变化特性来确定其为实体模型或壳体模型。其中围壳、尾翼部分由于尺度较小以及曲率变化较大，采用实体模型。主艇体部分采用壳体模型，但对于艏部端部和艉部端部曲率变化较快的部分进行泡沫填充，并通过舱壁实现水密处理。

10、在本发明中，除了艏部和艉部的水密舱室之外，还设置了4个可透水舱室，按照从模型艏部到艉部的顺序分别编号为1、2、3和4。模型内部在不同舱室内部设置了横板，用于固定各个拉压传感器。位于围壳正下方的舱室1中主要布置拉压传感器以及固定压载块；紧挨着舱室1的舱室2以及艉部的舱室4下方壳体开口，舱室内部主要布置拉压传感器，驱动支杆一端连接到各个拉压传感器上，一端连接到艇体外部的运动驱动装置上。其中舱室2中自上至下安装两个呈90°关系的拉压传感器，二者之间通过螺钉与角支板进行连接，可测量模型的水平与垂向两个方向的载荷。

11、在本发明中，位于模型舯部的较长的舱室3中，通过舱壁固定两根长螺杆，同时设计若干中间能够穿过两根螺杆的可调压载块，通过调整压载块的数量以及位置可以实现对模型的重量和重心的调节。为了单独测量围壳的垂向载荷，主艇体壳体在围壳下方需要开口，实体围壳模型将通过螺钉固定在围壳下方的拉压传感器，围壳与主艇体壳体之间留出3mm左右的间隙以防止载荷转移到艇体上。为了在舱室1中固定较重的压载块，其与舱室2之间相互贯通。对于自由运动条件，在舱室3中布置的长滑轨在舱室2和4中的端部上固定磁铁架，可吸附到模型外部的电磁铁上通过断电实现模型的自由释放。

12、在本发明中，围壳为一单独实体，不与艇体相连，二者之间存在一个很小的缝隙。围壳下方的拉压传感器测量围壳部分的垂向载荷。剩下的三个拉压传感器，两个垂向的测出的数值加和为整个艇体的垂向载荷，水平的测出的是整个艇体的水平载荷。安装时需要尽可能保证水平拉压传感器的方向沿着艇长的方向，且垂向的拉压传感器与艇长垂直即可。最终要测的就是艇体坐标系下的水平载荷和垂向载荷，传感器的数值就是我们要求得的数值。

13、有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：

14、①本发明可以通过更换部分舱室的内部布置，实现垂直面约束运动与自由运动模型的简易切换，有效节约试验成本；

15、②本发明可以通过调节压载块的数量以及位置，调整模型自由上浮时不同的初始净浮力与重心位置，净浮力与重心位置测量与评估方法简便可行；

16、③本发明可以精准测量垂直面运动时水下航行体的垂向及水平载荷，特别是对于自由上浮破冰过程，可对围壳垂向载荷单独进行评估；

17、④本发明可以利用传感器与角支板等结构作为连接装置，可提高模型内部空间利用率。

技术特征：

1.一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，其特征在于：包括主艇体壳体，所述主艇体客体的艏部和艉部设有水密舱室，在艏部和艉部依次设有第一可透水舱室、第二可透水舱室、第三可透水舱室和第四可透水舱室，在第一可透水舱室内安装有第一横板，在第一横板上安装有第一拉压传感器，第一拉压传感器与主艇体壳体外的围壳实体连接；第二可透水舱室内安装有第二横板，在第二横板上安装有第二拉压传感器，第二拉压传感器通过连接件与第三拉压传感器连接，第二拉压传感器与第三拉压传感器相互垂直，第三拉压传感器通过第一铰接件与第一驱动杆连接，第一驱动杆的一端位于主艇体壳体外，第一可透水舱室与第二可透水舱室相通；在第三可透水舱室内安装有重心调节装置；在第四可透水舱室内安装有第四横板，在第四横板上第四拉压传感器，第四拉压传感器通过第二铰接件与第二驱动杆连接，第一驱动杆和第二驱动杆位于主艇体同一侧。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，其特征在于：所述重心调节装置包含一对滑轨，在滑轨上设有可移动压载块。

3.根据权利要求2所述的一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，其特征在于：所述第三可透水舱室的底部固定有固定压载块。

4.根据权利要求1所述的一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，其特征在于：所述第二可透水舱室和第四可透水舱室均固定安装有磁铁架。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：对于约束上浮工况，将模型两根支杆安装在具有一定倾角的上浮装置上，试验时通过驱动上浮装置运动使艇体以恒定速度、恒定倾角与冰层进行碰撞，艇体内部布置的4个拉压传感器记录围壳和艇体冰载荷历程；而对于自由上浮工况，将模型内部的两个电磁铁吸附到水池底部固定位置上，试验开始时电磁铁断电，艇体将自由上浮破冰，1个拉压传感器记录围壳的冰载荷历程。

技术总结本发明公开了一种适用于多工况上浮破冰试验的水下航行体模型，包括主艇体壳体，所述主艇体客体的艏部和艉部设有水密舱室，在艏部和艉部四个可透水舱室，第一个舱室安装有第一拉压传感器，第一拉压传感器与主艇体壳体外的围壳实体连接；第二可透水舱室内安装有第二拉压传感器，第二拉压传感器通过连接件与第三拉压传感器连接，第三拉压传感器与第一驱动杆连接；在第三可透水舱室内安装有重心调节装置；在第四可透水舱室内安装有第四横板，在第四横板上第四拉压传感器，第一驱动杆和第二驱动杆位于主艇体同一侧。本发明以精准测量垂直面运动时水下航行体的垂向及水平载荷历程，特别是对于上浮破冰过程，对围壳的垂向载荷单独进行评估。技术研发人员：鞠磊,贾宾,王庆,韩端锋,李凤来,薛彦卓,倪宝玉,狄少丞,鲁阳,李家宝,胡辰骏,赵荣升受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/4/22