CN111874261B - 一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及跨自由面运动试验领域，尤其涉及一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，安装在水池上，包括滑动座、升降机构、安装机构、测力机构，所述滑动座用于搭载升降机构、安装机构和测力机构，并能在水池上水平滑动；升降机构用于驱动模型垂直运动，且能使得至少一部分模型下浸入水池，一部分模型高于水池；安装机构用于安装模型，且设置于所述升降机构；测力机构用于测量模型受力大小，设置于所述升降机构，且通过连接线与安装机构连接；模型安装在安装机构上，通过升降机构驱动模型垂直运动，通过滑动座搭载模型水平运动，且垂直运动和水平运动同时进行，并利用测力机构测量模型跨自由面运动的受力大小。

Description

一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台

技术领域

本发明涉及跨自由面运动试验领域，更具体地，涉及一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台。

背景技术

现如今，飞机、船舶、深浅器及其相关技术的发展日新月异，在探测、搜救和通讯等领域都有着广泛的应用，但是这些设备的工作和运动状态都处于同一介质或者不脱离自由面。随着科技的发展和社会更高的需求，单介质空间航行器在多维复杂环境中难以大展身手，因此，研究能够像某些鱼类那样能够优美地跨出自由面或某些鸟类高速穿入水里的适应多介质环境的跨介质航行器已成为重要发展方向。

水空跨介质运动需要跨介质航行器在不同介质环境保持最优性能，可多次跨越介质界面并长时间在空中飞行或水下航行，突破了传统单一介质航行器在使用环境上的限制。但是，当航行器跨越空气--水界面时，初期瞬间会产生巨大的冲击载荷，容易引起航行器发生弹塑性变形，突增的载荷对航行器的运动状态也会产生影响；当航行器跨越水--空气界面时，航行器所受的附连质量力、浮力、阻力迅速下降，速度激变，从而引起航行器表面压力分布的剧烈变化，形成相当大的扰动力和力矩，产生剧烈的冲击和振动。

为了更好地探究和解决跨介质航行器的技术要点，基于仿生学设计理念，搭建一个适用于航行器模型和生物模型出入水模拟的试验平台尤为必要。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，用于测量航行器模型或生物模型出入水模拟过程中受力大小。

本发明采取的技术方案是，一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，安装在水池上，包括滑动座、升降机构、安装机构、测力机构，

所述滑动座，用于搭载升降机构、安装机构和测力机构，并能在水池上水平滑动；

所述升降机构，用于驱动模型垂直运动，且能使得至少一部分模型下浸入水池，一部分模型高于水池；

所述安装机构，用于安装模型，且设置于所述升降机构；

所述测力机构，用于测量模型受力大小，设置于所述升降机构，且通过连接线与安装机构连接；

模型安装在安装机构上，通过升降机构驱动模型垂直运动，通过滑动座搭载模型水平运动，且垂直运动和水平运动同时进行，并利用测力机构测量模型跨自由面运动的受力大小。

本发明一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，具体涉及了一种运动系统叠加组合的技术，用于研究模型在跨自由面运动的受力变化情况，其中模型既可以是仿生物模型，以此来探究生物出入水的现象，也可以是航行器模型，用来验证航行器的水气动性能。其试验平台的主要结构为：包括滑动座、升降机构、安装机构、测力机构，滑动座安装在水池上方，通过搭载升降机构、安装机构和测力机构在水池上水平滑动；升降机构，与安装机构和测力机构连接，能够驱动安装机构和测力机构在水池垂直运动，从而使得至少一部分模型能够下浸入水池、一部分高于水池；安装机构，用来安装模型，设置于升降机构上，使得模型能被连接固定在升降机构中；测力机构，设置在升降机构上，且通过连接线与安装机构连接。

本发明一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的工作过程为：当模型安装在安装机构上，升降机构驱动安装机构上的模型在水池上下方垂直运动，实现模型的跨自由面运动，同时滑动座搭载模型在水平面水平滑动，实现模型的水平运动，并且当模型在跨自由面运动的时候，通过连接线的牵引作用测得模型的受力大小情况。本发明通过一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，能够实现水平运动和垂直运动两种运动状态的叠加组合，当模型安装于试验平台中，通过试验平台在水池处的水平运动和垂直运动，模拟仿生物模型探究生物出入水或者航行器模型的水气动性能，实现测量多种模型跨自由面运动的受力大小情况。

进一步地，还包括固定机构，所述固定机构连接滑动座和升降机构，用于将升降机构固定连接到滑动座。

本发明升降机构并不是直接与滑动座连接，而是通过中间连接媒介的固定机构将滑动座和升降机构连接起来，在滑动座实现模型水平运动、升降机构实现模型垂直运动的同时，若是将升降机构直接与滑动座连接，则此时模型的运动情况为水平运动和垂直运动叠加组合的状态，无法对单种运动状态的受力进行判断，而且，试验平台在跨自由面运动时必然会受到压力阻力等外界因素的影响导致试验平台出现不稳定的情况，因此将固定机构作为连接滑动座和升降机构的桥梁，不仅能够实现对模型水平运动或者垂直运动或者两种运动叠加的受力情况进行分析，而且还能保证试验平台的稳定，确保测量的准确度。

进一步地，所述滑动座包括：

滑动板，滑动板，所述滑动板用于在水池上水平滑动；

连接部，安装在所述滑动板上，连接所述固定机构，用于搭载所述固定机构、升降机构、安装机构和测力机构。

本发明中滑动座搭载升降机构、安装机构和测力机构在水池上水平滑动，从而实现模型的水平运动，真实地模拟生物或航行器的水平运动趋势，其中滑动座包括两部分：滑动板和连接部，滑动板可以通过滑轮实现在安装有导轨的水池上滑动；连接部安装在滑动板上，用来连接固定机构，使得连接在固定机构上的升降机构和安装在升降机构上的安装机构和测力机构，共同实现水平运动。本发明通过带有滑轮的滑动板、连接固定机构的连接部，可以搭载整个试验平台沿着轨道在水池上方移动，使得安装在试验平台内部的模型实现跨自由面运动时水平运动的趋势。

进一步地，所述滑动板至少一部分为镂空区域，所述镂空区域使得升降机构、安装机构和测力机构能够贯通滑动板上下运动。

本发明中滑动板至少一部分为镂空区域，所述固定机构、升降机构、安装机构和测力机构安装在滑动板的镂空区域处，通过滑动板使其能够进行水平运动，并且由于滑动板是高于水平面的，所以将升降机构、安装机构和测力机构安装在所述镂空区域处，能够控制安装机构和测力机构在水平面上下运动，实现了模型在滑动板的作用下水平运动和在升降机构的作用下贯通滑动板上下运动。

进一步地，所述升降机构包括：

多条连接杆，与固定机构活动连接；

升降驱动柱，下端面与连接杆固定连接，上端与连接电机连接，用于驱动升降机构升降。

本发明升降机构通过在水池上下垂直运动实现模型的跨自由面运动，升降机构与固定机构连接，其升降机构的结构主要包括：连接杆和升降驱动柱，连接杆与固定机构活动连接使得升降机构能够在固定机构内沿着垂直方向保持稳定的运动；升降驱动柱下端与连接杆固定连接，升降驱动柱的上端与直线电机连接，通过直线电机的牵引力控制升降机构上下运动。本发明通过连接杆和升降驱动柱构成的升降机构实现了模型在水面上下方的跨自由面运动，组件简单易实现，具有广泛的应用前景。

进一步地，所述安装机构包括：十字安装支架，且用于安装在模型内部。

本发明的安装机构安装与升降机构内部，且安装机构用于安装固定模型，具体地，安装机构包括十字安装支架，十字安装支架安装在试验模型内部，可随模型前后运动、翻滚而运动。本发明通过十字安装支架使得模型固定在升降机构内，实现模型在试验平台中垂直运动和水平运动。

进一步地，所述安装机构还包括滑动套杆，所述十字安装支架左右两端通过滑动套杆安装在连接杆上。

本发明安装机构还包括滑动套杆，十字安装支架左右两端通过滑动套杆安装在连接杆上，可以保证当模型安装在十字安装支架时，模型水平前后运动的自由，并且约束模型的处置方向和侧向的运动，从而便于在试验过程中测得模型的受力大小情况。

进一步地，所述测力计包括第一测力计和第二测力计，所述第一测力计和第二测力计安装固定在连接杆上，且分别通过连接线与十字安装支架的上下两端水平连接。

本发明试验平台针对模型的入水和出水运动过程中的受力，主要有两个力矩的测量点，分别是十字安装支架的上下两端为上下两个测量点，面对这两个测量点，相应设置两个测力计安防点，安防点设置在升降机构的连接杆上，且安防点上安装有第一测力计和第二测力机，其中，第一测力计通过连接线与十字安装支架上端点水平连接，可以测得模型在受到来流冲击时翻滚的上部受力大小，结合第二测力计的测量结果可以分析模型的运动受力情况；第二测力计通过牵引绳与十字安装支架下端点水平连接，可以测得模型在受到来流冲击时房琯的下部受力大小，结合第一测力计的测量结果可以分析模型的运动受力情况。

进一步地，所述固定机构包括：

固定支架，与所述连接部固定连接，用于将固定机构与滑动座连接；

固定柱，与所述固定支架连接固定；

固定板，上表面与所述固定柱下端连接固定；，

进一步地，所述固定机构还包括：导向杆，下端面与固定板上表面连接，且与固定柱平行，与升降机构活动连接，用于升降结构在导向杆垂直运动。

本发明固定机构的具体结构包括固定支架、固定柱、固定板和导向杆，其中，固定支架与滑动座上的连接部连接，将整个固定机构、安装机构和测力机构连接在滑动座上；固定柱，上部分与固定支架连接，下端与固定板上表面连接，能够保证试验平台的稳定；固定板，与水平面平行安装，上表面安装有固定柱和导向杆，升降机构、安装机构和测力机构在固定板上方垂直运动；导向杆，与固定板垂直连接，通过与升降机构中的连接杆活动连接，实现升降机构在导向杆的导向作用在垂直运动。本发明中的固定机构可以与滑动座固定连接，也可以与滑动座活动连接，当固定机构与滑动座固定连接时，固定机构中的固定支架高于水池，固定柱和导向杆上部分高于水池、下部分下浸入水池，固定板下浸入水池，保证升降机构在固定机构中垂直运动时实现出水入水的跨自由面运动；当固定机构与滑动座活动连接时，固定机构中各部分结构都可以在水面上下方运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，能够实现水平运动和垂直运动两种运动状态的叠加组合，当模型安装于试验平台中，通过试验平台在水池的水平运动和垂直运动，模拟仿生物模型探究生物出入水或者航行器模型的水气动性能，实现测量多种模型跨自由面运动的受力大小情况。

附图说明

图1为一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的三视图及轴测图。

图2为滑动板在水池上滑动的示意图。

图3为固定机构的安装结构示意图。

图4为一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的出水过程示意图。

图5为一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的入水过程示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

水空跨介质运动需要跨介质航行器能够在不同介质环境下，保持最优的气水动性能，可多次跨越介质界面并长时间在空中飞行或者水下航行，突破了传统单一介质航行器在使用环境上的限制。本发明实施例为了更好的探究和解决跨介质航行器的技术要点，基搭建了一个适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，并且平台的试验模型，可以是仿生物模型，以此来探究生物出入水的现象，也可以是航行器模型，用以验证航行器的水气动性能。模型安装在安装机构上，通过升降机构驱动模型垂直运动，通过滑动座搭载模型水平运动，且垂直运动和水平运动同时进行，并利用测力机构测量模型跨自由面运动的受力大小。

如图1所示为本发明实施例一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的俯视图、正视图、左视图和轴测图，所述试验平台安装在水池上，具体地，包括滑动座、固定机构、升降机构、安装机构、测力机构，

所述滑动座，用于搭载升降机构、固定机构、安装机构和测力机构，并能在水池上水平滑动。

优选地，所述滑动座包括：滑动板，所述滑动板用于搭载升降机构、安装机构和测力机构，在水池上水平滑动；连接部，安装在所述滑动板上，连接所述固定机构，用于将固定机构连接到滑动板上搭载所述升降机构、安装机构和测力机构。

优选地，所述滑动板至少一部分为镂空区域，所述镂空区域使得、升降机构、安装机构和测力机构能够贯通滑动板上下运动。

具体地，本发明中滑动座控制整个试验平台水平运动，在本发明实施例中列举了滑动座的其中一种情况，但不仅限于本发明实施例中的情况：

如图2所示为滑动座中带有滑轮的滑动板在带有导轨的水池上滑动的示意图，滑动座为拖车平台，可沿轨道在水池上方移动，滑动座包括带有滑轮的滑动板和连接部，其中，滑动板为部分镂空的矩形结构，所述镂空结构用于连接固定机构、升降机构、安装机构和测力机构，使得模型能够贯通滑动板在水平面上下垂直运动；连接部为两个矩形的安装连接结构，高于滑动板安装且分别安装于滑动板上的镂空区域的边缘，连接部通过连接固定机构，使得固定机构、升降机构、安装机构和测力机构安装在滑动板的镂空区域且贯通滑动座上下运动。

所述固定机构，所述固定机构连接滑动座和升降机构，用于将升降机构固定连接到滑动座。

优选地，所述固定机构包括：固定支架，与所述连接部连接固定；固定柱，与所述固定支架连接固定；固定板，上表面与所述固定柱下端连接固定；导向杆，安装在固定板上表面且与固定柱平行安装，与所述连接杆连接，用于升降结构在导向杆垂直运动。

具体地，本发明实施例中具体列举了一种固定机构的安装结构：

如图3所示左部分图为固定机构的安装结构示意图，其中，固定机构包括两条固定柱1、两条导向杆4、固定板3和固定支架2：固定支架2为矩形结构，且与滑动座5上的连接部连接；两条固定柱1分别连接在固定支架2的对边内侧处，两条导向杆4连接在固定支架2的同边内侧处，且两条固定柱1和两条导向杆4互相平行，其下端面连接固定在固定板3上表面，固定柱1作为主支撑柱，保证试验平台的稳定，导向杆4作为升降机构的导向，保证升降机构沿着竖直方向运动，本实施例中的固定机构可与滑动座5固定连接，即固定机构为不可活动状态，固定机构的上半部分高于水池且下半部分下浸入水池中。

所述升降机构，用于驱动模型垂直运动，且能使得至少一部分模型下浸入水池，一部分模型高于水池；

优选地，所述升降机构包括：多条连接杆，与固定机构活动连接；升降驱动柱，下端与连接杆固定连接，上端与连接电机连接，用于驱动升降机构升降。

具体地，如图3所示右部分图为固定机构、升降机构、安装机构和测力机构的安装示意图，其中，升降机构安装在固定机构内部，对于升降机构的连接结构包括：连接杆，从俯视角度可看出升降机构为矩形结构，矩形结构分别包括2，3，1，3条连接杆，固定机构中的两条导向杆4之间通过升降套杆13活动连接有两条连接杆，且与导向杆垂直的另一方向上对应连接有三条连接杆，并且有一条连接杆与六条连接杆连接形成闭环矩形结构，所有连接杆都与导向杆垂直安装；升降驱动柱8，垂直连接在一条连接杆上，其上端与直线电机连接，驱动升降机构做垂直运动。

所述安装机构，用于安装模型，且设置于所述升降机构；

优选地，所述安装机构包括：十字安装支架，且用于安装在试验模型内部。

优选地，所述安装机构还包括滑动套杆，所述十字安装支架两端通过滑动套杆安装在连接杆上。

具体地，安装机构包括十字安装支架6和滑动套杆7，十字安装支架6安装在模型内部，用于安装固定模型，十字安装支架6左右两端通过滑动套杆7连接在连接杆上，保证模型水平前后运动的自由，约束模型的竖直方向和侧向的运动。

所述测力机构，用于测量模型受力大小，设置于所述升降机构，且通过连接线与安装机构连接，具体地，连接线为细钢缆；

优选地，所述测力机构包括：第一测力计和第二测力计，所述第一测力计和第二测力计安装固定在连接杆上，且分别通过细钢缆与十字安装支架的上下两端水平连接。

具体地，十字安装支架6的上下两端分别有上测力安防点9和下测力安防点10，十字安装支架6左右两端通过滑动套杆7安装在升降机构的内部，测力机构包括第一测力计11和第二测力计12，分别安装在导向杆之间的两条连接杆上，并分别与十字安装支架6的上下两端的上测力安防点9和下测力安防点10对应安装，第一测力计11和第二测力计12通过细钢缆分别连接十字安装支架6的上测力安防点9和下测力安防点10，可以测得模型在受到来流冲击时翻滚的受力大小，可以分析出模型的运动受力情况。

实施例2

如图4所示为一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的出水过程示意图，在出水过程中，在初始状态时，固定机构上半部分高于水池，下半部分下浸入水池，升降机构、安装有模型的安装机构、测力机构都下浸在水池中，当滑动座开始向右边运动，升降机构开始向上运动，驱动安装机构和测力机构向上运动，模型也随之向上运动，因此，通过第一测力机和第二测力计可以计算出模型出水的运动受力大小情况，模型的运动可以合成为斜向上方的运动出水，倾斜的角度由滑动座的速度和升降机构的上升速度的比值确定。

如图5所示为一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台的入水过程示意图，在入水过程中，在初始状态时，固定结构上半部分高于水池，下半部分下浸入水池，升降机构、安装有模型的按钻过机构、测力机构都高于水平面，当滑动座开始向右边运动，同时升降机构开始向下运动，驱动安装机构和测力机构向下运动，模型也随着向下运动，因此，通过第一测力机和第二测力计可以计算出模型出水的运动受力大小情况，模型的运动可以合成为斜向下方的运动入水，倾斜的角度由滑动座的速度和升降机构的下降速度的比值确定。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，安装在水池上，包括滑动座、升降机构、安装机构、测力机构和固定机构，

所述滑动座，用于搭载升降机构、安装机构和测力机构，并能在水池上水平滑动；所述滑动座包括：

滑动板，所述滑动板用于在水池上水平滑动；

连接部，安装在所述滑动板上，连接所述固定机构，用于搭载所述固定机构、升降机构、安装机构和测力机构；

所述升降机构，用于驱动模型垂直运动，且能使得至少一部分模型下浸入水池，一部分模型高于水池；

所述安装机构，用于安装模型，且设置于所述升降机构；

所述测力机构，用于测量模型受力大小，设置于所述升降机构，且通过连接线与安装机构连接；

模型安装在安装机构上，通过升降机构驱动模型垂直运动，通过滑动座搭载模型水平运动，且垂直运动和水平运动同时进行，并利用测力机构测量模型跨自由面运动的受力大小；

所述固定机构连接滑动座和升降机构，用于将升降机构固定连接到滑动座，所述固定机构包括：

固定支架，与所述连接部固定连接，用于将固定机构与滑动座连接；

固定板，与水平面平行安装；

固定柱，上端与所述固定支架连接固定，下端面与固定板上表面连接固定。

2.根据权利要求1所述的一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，所述滑动板至少一部分为镂空区域，所述镂空区域使得升降机构、安装机构和测力机构能够贯通滑动板上下运动。

3.根据权利要求1所述的一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，所述升降机构包括：

多条连接杆，与固定机构活动连接；

升降驱动柱，下端面与连接杆固定连接，上端与电机连接，用于驱动升降机构升降。

4.根据权利要求3所述的一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，所述安装机构包括：十字安装支架，且用于安装在模型内部。

5.根据权利要求4所述的一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，所述安装机构还包括滑动套杆，所述十字安装支架左右两端通过滑动套杆安装在连接杆上。

6.根据权利要求4所述的一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，所述测力机构包括：第一测力计和第二测力计，所述第一测力计和第二测力计安装在连接杆上，且分别通过连接线与十字安装支架的上下两端水平连接。

7.根据权利要求6所述的一种适用于模型跨自由面运动测量的试验平台，其特征在于，所述固定机构还包括：

导向杆，下端面与固定板上表面连接固定，且与固定柱平行，与升降机构活动连接，用于升降结构在导向杆垂直运动。

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