李廣年，李家旺，杜 林，郭海鵬

（寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315611）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新性人才培養(yǎng)中扮演著重要的角色[1-2]。教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》提出“創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)”[3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，因此教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用在提升高校教學(xué)質(zhì)量過程中尤為重要[4]。

1 船模常規(guī)水動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)

船舶與海洋工程專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱船海專業(yè)）是傳統(tǒng)的工科專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在船海專業(yè)教學(xué)中扮演重要的角色。航行性能是船舶的基本性能，也是船舶總體技術(shù)的核心，涉及諸多學(xué)科領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來航行性能的研究主要依靠模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[5-6]。19 世紀(jì)60 年代，英國(guó)造船學(xué)家W.Froude 首先提出用船模試驗(yàn)的方法確定實(shí)船在航行時(shí)所遭受的阻力。模型試驗(yàn)研究對(duì)于正確預(yù)報(bào)實(shí)體的水動(dòng)力性能、設(shè)計(jì)具有優(yōu)良水動(dòng)力性能的實(shí)體，乃至促進(jìn)船舶與海洋工程流體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展等方面，都有十分重要的作用。因此歐美國(guó)家紛紛建立了眾多的船模拖曳水池及其他實(shí)驗(yàn)設(shè)施[7]。一個(gè)多世紀(jì)來，世界上建成了大量的、耗資巨大的船模試驗(yàn)水池，為航行性能的研究提供了模擬試驗(yàn)環(huán)境。從造船史上來看，這是一個(gè)造船大國(guó)和造船強(qiáng)國(guó)不可缺少的基本研究條件[8]。第21 屆國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議（International Towing Tank Conference，ITTC）重新制定的章程中指出，ITTC 的主要任務(wù)是促進(jìn)解決船模試驗(yàn)池負(fù)責(zé)人十分關(guān)注的重要技術(shù)問題。歷屆ITTC都非常關(guān)注測(cè)試技術(shù)的開發(fā)與探索。測(cè)試分為動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試。如果被測(cè)量不隨時(shí)間變化，稱這樣的量為靜態(tài)量，相應(yīng)的測(cè)試成為靜態(tài)測(cè)試；反之為動(dòng)態(tài)測(cè)試[9-10]。測(cè)試在船模試驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用，船模水動(dòng)力試驗(yàn)的成功與否，很大程度上依賴于測(cè)試方法是否正確、測(cè)試技術(shù)是否先進(jìn)以及測(cè)試系統(tǒng)是否完善。

本文以一尺寸為135.0 m×7.0 m×5.2 m 的大型拖曳水池（見圖1）為載體，為滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了一套船模常規(guī)水動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)由阻力試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)（含波浪增阻測(cè)量系統(tǒng)）、自航試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)、敞水試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量控制分析處理系統(tǒng)和校驗(yàn)系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)能對(duì)試驗(yàn)過程中水面船模的阻力、縱傾、螺旋槳模型的推力、扭矩等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析。

圖1 拖曳水池

2 阻力試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)船模由拖曳裝置（含抱緊裝置）拖動(dòng)，拖車速度即模型速度，拖車在加速或減速時(shí)，由抱緊裝置夾住船模，以防阻力儀過載。船模的航向由艏、艉導(dǎo)航裝置（含升沉測(cè)量）保持，船模速度穩(wěn)定后，測(cè)量其阻力、縱傾（升沉）?？紤]到水池拖車測(cè)量橋布置長(zhǎng)度有限，以及船模尺度的限制，系統(tǒng)方案組成上擬采用兩個(gè)“二合一”，即拖曳、抱緊裝置合一，導(dǎo)航、縱傾測(cè)量裝置合一，以解決布置上的困難。此外，進(jìn)行波浪增阻試驗(yàn)時(shí)，先利用阻力儀測(cè)量靜水中阻力，再通過四自由度試航儀測(cè)量波浪條件下的船模阻力，從中減去靜水阻力得出波浪增阻，波浪參數(shù)由浪高儀測(cè)量。

船模拖曳裝置用于船模拖曳，要求拖曳時(shí)阻力儀與抱緊裝置聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力儀的過載保護(hù)，同時(shí)拖點(diǎn)上下可調(diào)，拖曳、抱緊兩合一。船模導(dǎo)航、縱傾測(cè)量裝置用于保持船模直航及測(cè)量船?？v傾，要求船模導(dǎo)航裝置低摩擦，縱傾裝置不對(duì)船模運(yùn)動(dòng)造成干擾。阻力儀用于測(cè)量船模阻力，要求線性好、零漂小，輸出穩(wěn)定、靈敏，抗干擾能力強(qiáng)。浪高儀用來測(cè)量波浪參數(shù)，要求系統(tǒng)零漂小，輸出穩(wěn)定、靈敏，抗干擾能力強(qiáng)。

船模拖曳裝置拖動(dòng)船模，氣動(dòng)抱緊。采用應(yīng)變式電測(cè)阻力儀，目前先進(jìn)的阻力儀本身自帶船?？v傾測(cè)試功能，當(dāng)然船模縱傾也可由專門的縱傾測(cè)量裝置來測(cè)量，要求該裝置不會(huì)干擾船模運(yùn)動(dòng)。在水池內(nèi)定點(diǎn)和水車各布置一臺(tái)浪高儀，用以測(cè)量波浪參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)框架如圖2 所示，測(cè)試儀器應(yīng)達(dá)到的參數(shù)范圍見表1。

圖2 阻力試驗(yàn)測(cè)試框圖

表1 阻力試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)及范圍

3 自航測(cè)試系統(tǒng)

水面船模自航試驗(yàn)采用強(qiáng)迫自航試驗(yàn)法，船模在強(qiáng)制力及螺旋槳推力的共同作用下保持某一穩(wěn)定航速。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同需要，取若干個(gè)不同車速，在每一車速下變化幾個(gè)轉(zhuǎn)速，測(cè)量相適應(yīng)的強(qiáng)制力、推（扭）力、轉(zhuǎn)速和車速。強(qiáng)制力由阻力儀測(cè)得，螺旋槳推力和扭力由自航儀測(cè)量。

自航試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)采用“自航儀+齒輪箱+電機(jī)”的形式，用于實(shí)現(xiàn)雙槳自航試驗(yàn)測(cè)試。雙槳自航試驗(yàn)時(shí)，左右槳的推力和扭力分別由兩自航儀測(cè)量。通過齒輪箱可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)對(duì)左右雙槳的控制，以保證左右雙槳轉(zhuǎn)速的同步。轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與車速一樣，可由直流調(diào)速裝置進(jìn)行。編碼器每轉(zhuǎn)脈沖不小于1000 Hz。測(cè)試系統(tǒng)框架見圖3，測(cè)試參數(shù)及范圍見表2。

圖3 自航測(cè)試系統(tǒng)框圖

表2 自航試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)及范圍

4 螺旋槳敞水測(cè)試系統(tǒng)

敞水試驗(yàn)可采用敞水箱方式或?qū)Ｓ贸ㄋ畡?dòng)力儀進(jìn)行，本系統(tǒng)擬選用專用敞水動(dòng)力儀方式。試驗(yàn)時(shí)采用等車速、變轉(zhuǎn)速的方法改變螺旋槳進(jìn)速，由低到高，至螺旋槳推力為零為止，得到一條完整的螺旋槳敞水曲線。

螺旋槳敞水動(dòng)力儀主要由推力、扭矩測(cè)量單元，轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，劍狀（橫剖面為翼型，減小對(duì)流體的擾動(dòng)）支撐系統(tǒng)及安裝支架等組成。其中推力、扭矩測(cè)量單元布置在水密的流線型回轉(zhuǎn)體外殼內(nèi)，垂向支撐也采用翼形剖面形式，以減少對(duì)流場(chǎng)的干擾。為減小水下流線型回轉(zhuǎn)體直徑，并使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可安放在流線型回轉(zhuǎn)體外殼外，通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，提高試驗(yàn)測(cè)試精度。敞水動(dòng)力儀的量程最好選定為比實(shí)際試驗(yàn)常用最大參數(shù)范圍稍大些，一般不宜將動(dòng)力儀設(shè)計(jì)成可變量程程式的結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免經(jīng)常拆裝動(dòng)力儀測(cè)量單元，以免影響儀器測(cè)量精度和水密性。若確需經(jīng)常更換量程，改用敞水箱進(jìn)行敞水試驗(yàn)是最簡(jiǎn)單的方法。根據(jù)拖曳水池的實(shí)際情況，本系統(tǒng)敞水動(dòng)力儀測(cè)量的最大推力選為200 N，最大扭矩為7 Nm，精度為0.5%，所配電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 rpm。敞水測(cè)試系統(tǒng)框架見圖4，測(cè)試參數(shù)及范圍見表3。

圖4 敞水試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖

表3 敞水試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)及范圍

5 數(shù)據(jù)測(cè)量控制分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測(cè)量控制分析系統(tǒng)的任務(wù)是通過計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程中的被控制量進(jìn)行控制以及對(duì)測(cè)試量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存、分析和處理。自航及敞水試驗(yàn)時(shí)需對(duì)槳模的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，提高試驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)精度。并對(duì)所有試驗(yàn)中需要的參數(shù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、分析和處理。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，包含必要的信號(hào)采集、放大、預(yù)處理、儲(chǔ)存、計(jì)算分析等功能，配置相應(yīng)的濾波、放大器等二次儀表，配備工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)采樣，通道間無串?dāng)_影響，采樣頻率可調(diào)。

此外系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性，除了滿足上述快速性模型試驗(yàn)需要外，還能滿足將來功能擴(kuò)充的需要，比如增加有關(guān)程序處理模塊（如耐波性試驗(yàn)程序等），為此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)模塊化并可擴(kuò)充。數(shù)據(jù)采集、處理軟件采用統(tǒng)一的工作平臺(tái)和界面，依據(jù)阻力、自航、敞水等不同試驗(yàn)類別，分別進(jìn)入相關(guān)的采集、控制程序模塊，并調(diào)用各自的處理軟件進(jìn)行分析、處理。系統(tǒng)界面可實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物理量大小及變化曲線，在采樣過程中可動(dòng)態(tài)切換或增減顯示通道，各通道同時(shí)工作，采樣、顯示、儲(chǔ)存同步。數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件流程簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)的硬件部分由傳感器、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成，根據(jù)需要和可能，系統(tǒng)可利用計(jì)算機(jī)的通訊口（如IEEE1394 接口）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)配備工控機(jī)和筆記本電腦，滿足實(shí)驗(yàn)室和野外作業(yè)的需要。

6 測(cè)試系統(tǒng)校驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)校驗(yàn)分為靜校驗(yàn)和動(dòng)校驗(yàn)。靜校驗(yàn)是在靜態(tài)的情況下，對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行標(biāo)定，通過對(duì)儀器靜態(tài)參數(shù)校驗(yàn)，判斷儀器是否正常。校驗(yàn)系統(tǒng)主要由專用校驗(yàn)架、標(biāo)準(zhǔn)砝碼和數(shù)字電壓表組成，用于阻力儀、自航儀和敞水動(dòng)力儀的靜校。校驗(yàn)時(shí)將待校驗(yàn)的阻力儀、自航儀等安裝在校驗(yàn)架上，通過砝碼進(jìn)行加載，傳感器輸出信號(hào)由數(shù)字電壓表讀取。校驗(yàn)架除需實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力、推力、扭矩等量的加載功能外，本身應(yīng)有足夠的剛度、必需的安裝精度以及調(diào)節(jié)功能。動(dòng)校驗(yàn)通過標(biāo)模試驗(yàn)進(jìn)行，將標(biāo)模試驗(yàn)結(jié)果與以往結(jié)果比較，以動(dòng)態(tài)的形式判斷整個(gè)被校系統(tǒng)是否滿足試驗(yàn)需要。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以拖曳水池船模常規(guī)水動(dòng)力教學(xué)實(shí)驗(yàn)開展為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套完整的測(cè)試系統(tǒng)，包括船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)、自航試驗(yàn)以及測(cè)試儀器標(biāo)定四個(gè)系統(tǒng)模塊，并編寫了數(shù)據(jù)測(cè)量控制分析系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性，除了滿足上述快速性模型試驗(yàn)需要外，還能滿足未來功能擴(kuò)充的需要，比如增加有關(guān)程序處理模塊（如耐波性試驗(yàn)程序等）。實(shí)際運(yùn)行情況表明該系統(tǒng)性能可靠、操作簡(jiǎn)單。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室在“標(biāo)準(zhǔn)至臻、質(zhì)量至上”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念指引下，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)船舶性能教學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)逐步優(yōu)化。通過測(cè)試平臺(tái)的搭建，進(jìn)一步提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，使學(xué)生的綜合素質(zhì)和科研服務(wù)能力得到顯著加強(qiáng)。