一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置及方法与流程

本发明属于风洞试验，尤其涉及一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置及方法。

背景技术：

1、为求解大尺寸水下航行器的操纵性方程，预报航行器的水下操纵性能，必须准确获取各项动导数系数，工程上通常采用强迫简谐运动测量试验获取。而现阶段，对于常规单艉桨的大尺寸水下航行器，需要利用多种不同的试验设施，开展不同类型的拘束测力试验，来获取运动方程中的各项动导数系数，试验繁琐，且常规水动力试验系统存在支撑干扰大、驱动负载大等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置及方法，以解决需要利用多种不同的试验设施，开展不同类型的拘束测力试验，来获取运动方程中的各项动导数系数，试验繁琐的问题。本发明所采用的技术方案如下：

2、一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，包括水下航行器模型、力矩测量装置、迎角调节机构与侧滑角调节机构，水下航行器模型为中空结构，力矩测量装置设置在水下航行器模型内，力矩测量装置包括沿水下航行器模型轴向从前到后依次相连的天平前锥套、力矩天平、天平后锥套、悬梁和外套，天平前锥套与水下航行器模型相连，传动轴转动设置在外套上，高速马达与外套相连，传动轴的一端与高速马达的输出轴相连，传动轴的另一端延伸出水下航行器模型的尾端，并与螺旋桨相连，侧滑角调节机构与迎角调节机构的输出端相连，侧滑角调节机构的输出端探入水下航行器模型内，并与天平后锥套相连，水下航行器模型处于试验段内迎气流设置。

3、进一步的，侧滑角调节机构包括主支杆、转轴和弯刀架，弯刀架的一端设有竖向开设的安装孔，转轴转动设置在所述安装孔内，所述安装孔的下端设有力矩电机，转轴的下端与力矩电机的输出轴相连，转轴的上端与主支杆的下端相连，主支杆的上端为侧滑角调节机构的输出端。

4、进一步的，侧滑角调节机构还包括辅助拉杆组件，所述辅助拉杆组件包括上管卡、下管卡、前拉杆、后拉杆、长度调节螺套和后抱箍，上管卡和下管卡夹合在悬梁的两侧，后抱箍固定在主支杆上，前拉杆的一端与下管卡铰接，后拉杆的一端与后抱箍铰接，前拉杆的另一端和后拉杆的另一端分别与长度调节螺套的两端对应螺纹配合，所述辅助拉杆组件斜撑于主支杆和悬梁之间。

5、进一步的，悬梁上沿长度方向加工有若干第一销孔，上管卡和下管卡上设有贯通的第二销孔，所述第二销孔和任意第一销孔通过销钉配合。

6、进一步的，转轴为空心轴，力矩电机的输出轴外周与转轴的内周之间通过两个张紧套配合连接。

7、进一步的，所述安装孔和转轴通过两个角接触轴承转动配合。

8、进一步的，迎角调节机构包括导轨基座、弧形滑轨、支座、滑块和减速电机，导轨基座上同轴设有两个弧形滑轨和两个弧形齿条，两个弧形滑轨的轴心线水平垂直于试验段的气流流向，迎角底座上设有两个滑块，两个滑块与两个弧形滑轨一一对应滑动配合，迎角底座上设有减速电机，减速电机的输出轴两端均套接有齿轮，两个齿轮和两个弧形齿条一一对应啮合，支座的下端与迎角底座相连，支座的上端为迎角调节机构的输出端，试验段的下方设有吊篮，导轨基座固定在吊篮内，支座的上端相连穿过试验段的下壁板，并与弯刀架相连。

9、进一步的，传动轴和外套通过两个深沟球轴承转动配合。

10、进一步的，水下航行器模型的下侧和右侧均设有可供侧滑角调节机构的输出端探入的长孔，当进行偏航振荡试验时，侧滑角调节机构的输出端由水下航行器模型的下侧长孔探入水下航行器模型内，并与天平后锥套相连，水下航行器模型的右侧长孔通过盖板封堵；当进行俯仰振荡试验时，水下航行器模型绕轴线旋转90°水下航行器模型右侧的长孔向下设置，侧滑角调节机构的输出端由水下航行器模型的右侧长孔探入水下航行器模型内，并与天平后锥套相连，水下航行器模型的下侧长孔通过盖板封堵。

11、本发明还提供了一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验方法，依托于上述一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置实现，包括以下步骤：

12、步骤一、根据风洞试验阻塞度要求及试验装置负载能力，确定水下航行器试验缩放比例，按缩放比例加工质量惯量相似且外形一致的水下航行器风洞试验模型；

13、步骤二、在试验段上安装所述试验装置，将所述试验装置的控制系统及力矩天平的数据线与风洞控制及采集系统连接；

14、步骤三、控制迎角调节机构与侧滑角调节机构将水下航行器模型调整到试验目标的迎角与侧滑角角度，启动高速马达，使螺旋桨达到试验目标转速；

15、步骤四、启动风洞，当风洞的风速达到目标值后，控制侧滑角调节机构的输出端带动水下航行器模型按给定频率与振幅进行振荡运动，启动风洞数据采集系统，采集并记录水下航行器模型的动导数数值；

16、步骤五、停止风洞运行，将风速降为零；

17、步骤六、重复步骤三至步骤五，完成不同迎角、侧滑角及螺旋桨转速组合下的振荡试验

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、本发明水下航行器模型尺寸相对较大，可将力矩测量装置设置其内，本发明具有模拟大尺寸水下航行器航行速度实时可调、模拟持续时间长的特点，可实现大尺寸水下航行器模型试验，水下航行器模型的外形细节模拟更加真实。采用本发明装置进行水下航行器风洞试验，通过力矩电机输出轴转向的间歇切换控制水下航行器模型的振荡运动，减速电机调节水下航行器模型的迎角，可同步模拟模型振荡运动及螺旋桨高速旋转运动，且模型迎角及侧滑角可自动连续调节，与外场验证相比具有测试风险低、经费需求小、准备周期短、试验重复性高等优点，可加快水下航行器设计研发进度。此外，该装置结构紧凑，自动化程度高，通用性强，可满足不同尺寸的水下航行器风洞动导数试验。

1.一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：包括水下航行器模型(2)、力矩测量装置(1)、迎角调节机构(4)与侧滑角调节机构(3)，水下航行器模型(2)为中空结构，力矩测量装置(1)设置在水下航行器模型(2)内，力矩测量装置(1)包括沿水下航行器模型(2)轴向从前到后依次相连的天平前锥套(11)、力矩天平(12)、天平后锥套(13)、悬梁(14)和外套(15)，天平前锥套(11)与水下航行器模型(2)相连，传动轴(16)转动设置在外套(15)上，高速马达(17)与外套(15)相连，传动轴(16)的一端与高速马达(17)的输出轴相连，传动轴(16)的另一端延伸出水下航行器模型(2)的尾端，并与螺旋桨(21)相连，侧滑角调节机构(3)与迎角调节机构(4)的输出端相连，侧滑角调节机构(3)的输出端探入水下航行器模型(2)内，并与天平后锥套(13)相连，水下航行器模型(2)处于试验段(5)内迎气流设置。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：侧滑角调节机构(3)包括主支杆(37)、转轴(35)和弯刀架(31)，弯刀架(31)的一端设有竖向开设的安装孔，转轴(35)转动设置在所述安装孔内，所述安装孔的下端设有力矩电机(32)，转轴(35)的下端与力矩电机(32)的输出轴相连，转轴(35)的上端与主支杆(37)的下端相连，主支杆(37)的上端为侧滑角调节机构(3)的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：侧滑角调节机构(3)还包括辅助拉杆组件，所述辅助拉杆组件包括上管卡(312)、下管卡(311)、前拉杆(310)、后拉杆(38)、长度调节螺套(39)和后抱箍(36)，上管卡(312)和下管卡(311)夹合在悬梁(14)的两侧，后抱箍(36)固定在主支杆(37)上，前拉杆(310)的一端与下管卡(311)铰接，后拉杆(38)的一端与后抱箍(36)铰接，前拉杆(310)的另一端和后拉杆(38)的另一端分别与长度调节螺套(39)的两端对应螺纹配合，所述辅助拉杆组件斜撑于主支杆(37)和悬梁(14)之间。

4.根据权利要求3所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：悬梁(14)上沿长度方向加工有若干第一销孔(18)，上管卡(312)和下管卡(311)上设有贯通的第二销孔，所述第二销孔和任意第一销孔(18)通过销钉配合。

5.根据权利要求2所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：转轴(35)为空心轴，力矩电机(32)的输出轴外周与转轴(35)的内周之间通过两个张紧套(33)配合连接。

6.根据权利要求2所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：所述安装孔和转轴(35)通过两个角接触轴承(34)转动配合。

7.根据权利要求2所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：迎角调节机构(4)包括导轨基座(41)、弧形滑轨(44)、支座(47)、滑块(45)和减速电机(42)，导轨基座(41)上同轴设有两个弧形滑轨(44)和两个弧形齿条(43)，两个弧形滑轨(44)的轴心线水平垂直于试验段(5)的气流流向，迎角底座(48)上设有两个滑块(45)，两个滑块(45)与两个弧形滑轨(44)一一对应滑动配合，迎角底座(48)上设有减速电机(42)，减速电机(42)的输出轴两端均套接有齿轮(46)，两个齿轮(46)和两个弧形齿条(43)一一对应啮合，支座(47)的下端与迎角底座(48)相连，支座(47)的上端为迎角调节机构(4)的输出端，试验段(5)的下方设有吊篮(6)，导轨基座(41)固定在吊篮(6)内，支座(47)的上端相连穿过试验段(5)的下壁板，并与弯刀架(31)相连。

8.根据权利要求1所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：传动轴(16)和外套(15)通过两个深沟球轴承转动配合。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置，其特征在于：水下航行器模型(2)的下侧和右侧均设有可供侧滑角调节机构(3)的输出端探入的长孔，当进行偏航振荡试验时，侧滑角调节机构(3)的输出端由水下航行器模型(2)的下侧长孔探入水下航行器模型(2)内，并与天平后锥套(13)相连，水下航行器模型(2)的右侧长孔通过盖板封堵；当进行俯仰振荡试验时，水下航行器模型(2)绕轴线旋转90°水下航行器模型(2)右侧的长孔向下设置，侧滑角调节机构(3)的输出端由水下航行器模型(2)的右侧长孔探入水下航行器模型(2)内，并与天平后锥套(13)相连，水下航行器模型(2)的下侧长孔通过盖板封堵。

10.一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验方法，依托于权利要求1-9任一项所述的一种大尺寸水下航行器风洞动导数试验装置实现，其特征在于，包括以下步骤：