本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，具體涉及一種能夠準(zhǔn)確測量不同粗糙度、不同涂層的平板在水中摩擦阻力的測試裝置。

背景技術(shù)：

在船體快速性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，準(zhǔn)確測試平板在水中的摩擦阻力是計(jì)算船體表面摩擦阻力的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)測量中要將平板放置在靜水中以確定的速度運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑵桨宸胖迷诹魉倬鶆?、平穩(wěn)、確定的水槽中，測量此時(shí)的平板總阻力。實(shí)驗(yàn)中要保證水流速度方向平行于平板。而實(shí)際測得總阻力中摩擦阻力僅僅是其中的一部分的，還包括其他阻力分量，如：由于平板厚度引起的粘壓阻力、附件引起的附加阻力以及水面上形成的興波阻力。

由于實(shí)驗(yàn)中的摩擦阻力數(shù)值很小，從而導(dǎo)致準(zhǔn)確測量平板摩擦阻力是非常困難的，主要影響因素有如下幾個(gè)方面：第一，實(shí)驗(yàn)中其他阻力分量是不可避免的，即使其他阻力分量的數(shù)值很小也會(huì)造成較大的誤差；第二，實(shí)驗(yàn)需要的測力儀必須量程小、精度高，現(xiàn)有技術(shù)中能夠滿足前述要求的測力儀很少；第三，實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)架的振動(dòng)、傾斜以及浮力作用都會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請針對現(xiàn)有技術(shù)中的存在的缺陷，提供一種實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，其可以根據(jù)預(yù)先根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)平板阻力-應(yīng)變值的標(biāo)準(zhǔn)曲線，由實(shí)驗(yàn)中測得的應(yīng)變值方便得出平板受到的阻力值。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，該測試裝置包括從上至下依次安裝的實(shí)驗(yàn)用支架，測力計(jì)和實(shí)驗(yàn)平板三部分，測力計(jì)與實(shí)驗(yàn)用支架和實(shí)驗(yàn)平板之間均采用柔性連接的方式；所述測力計(jì)的寬度不小于實(shí)驗(yàn)平板的寬度；所述實(shí)驗(yàn)平板豎直吊裝，下端部分浸入水面以下；所述實(shí)驗(yàn)平板的導(dǎo)邊和隨邊呈楔形，以減少粘壓阻力；所述測力計(jì)由上剛性梁、下剛性梁、應(yīng)變片和安裝在上、下剛性梁兩端之間的兩個(gè)彈性鋼片組成，將彈性鋼片通過螺栓緊固在上、下剛性梁的兩端，所述彈性鋼片上設(shè)置應(yīng)變片，所述應(yīng)變片采用全橋連接方式，避免兩個(gè)彈性鋼片受力不均引起的測量誤差。

其進(jìn)一步技術(shù)方案為：

所述應(yīng)變片設(shè)置在距離彈性鋼片上下兩端15-30%彈性鋼片高度的位置，優(yōu)選設(shè)置在距離彈性鋼片上下兩端25%彈性鋼片高度的位置，即應(yīng)變片間距h約為彈性鋼片總長h的一半。

所述實(shí)驗(yàn)平板采用兩點(diǎn)吊裝，吊裝位置分別距離導(dǎo)邊和隨邊實(shí)驗(yàn)平板長度15%-25%的位置，避免實(shí)驗(yàn)平板在重力作用下的變形，以及出現(xiàn)水動(dòng)力激振現(xiàn)象。

所述實(shí)驗(yàn)平板采用厚度為3-8mm的薄鋼板，優(yōu)選4mm厚的薄鋼板，以減小興波阻力。

所述上剛性梁或下剛性梁采用方鋼或槽鋼。

所述實(shí)驗(yàn)平板采用線切割的方式加工，避免熱變形。

實(shí)驗(yàn)平板的長度為500-2000mm，寬度為300-1500mm。

所述的柔性連接方式為掛鉤、吊環(huán)或活動(dòng)螺栓。

本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明申請所述的實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，能夠通過減小平板厚度，來降低因厚度引起的粘壓阻力和在水面引起的興波阻力，甚至對粘壓阻力和興波阻力可以忽略不計(jì)；另外，本裝置在水下部分沒有設(shè)置任何附件，從而避免產(chǎn)生附體阻力；在實(shí)驗(yàn)前，對平板阻力測試裝置進(jìn)行調(diào)零，可以減小平板的小角度傾斜與其自身的浮力與重力引起的測量誤差。此外，本裝置還可以應(yīng)用于在表面進(jìn)行不同粗糙度處理或噴刷各種涂層的平板的阻力測試，并且能夠根據(jù)實(shí)際需求對彈性鋼片進(jìn)行更換，從而保證量程適當(dāng)。

附圖說明

圖1為平板阻力測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)驗(yàn)平板的導(dǎo)邊或隨邊形狀示意圖；

圖3為測力計(jì)在外力作用下變形的示意圖；

圖4為彈性鋼片及應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為應(yīng)變片的全橋連接方式示意圖。

圖6為阻力-應(yīng)變值的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

附圖標(biāo)記說明：1實(shí)驗(yàn)架，2螺栓，3上剛性梁，4彈性鋼片，5下剛性梁，6掛鉤，7實(shí)驗(yàn)平板，8水面線，9實(shí)驗(yàn)平板隨邊，10實(shí)驗(yàn)平板導(dǎo)邊，11應(yīng)變片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明申請的技術(shù)方案進(jìn)行說明。

實(shí)驗(yàn)平板阻力-應(yīng)變值的標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作。

在空氣中，通過滑輪、細(xì)線、砝碼對實(shí)驗(yàn)平板施加一定的力，可測得相應(yīng)的應(yīng)變值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要測得一組砝碼重力與相應(yīng)的應(yīng)變值。實(shí)驗(yàn)中測得應(yīng)變值后，根據(jù)預(yù)先得到的實(shí)驗(yàn)平板阻力和應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系，得到實(shí)驗(yàn)平板的阻力。

阻力計(jì)算公式:r=1/2*cρv²2s（出自《船舶原理》教材）

r=cρv²s

其中s為實(shí)驗(yàn)平板上表面的面積（㎡），v為水的流速（m/s），ρ為水的密度（kg/m3），c為阻力系數(shù)。

首先涉及應(yīng)力量σ，其相關(guān)關(guān)系為eε=σ，這是胡克定律；另一個(gè)為σ=m/（bt²/6），是矩形梁在彎矩作用下的應(yīng)力公式，其中m為當(dāng)?shù)亓?。在本發(fā)明中，力矩m=（r/2）×（h/2），r/2是因?yàn)樽枇τ蓛蓚€(gè)測力計(jì)均攤，h/2是實(shí)際有效力臂。從而得出公式2eεbt²=3rh是根據(jù)力學(xué)公式推導(dǎo)而來的，從而得到阻力r和應(yīng)變?chǔ)胖g的關(guān)系：r=（2e/3*bt²/h）*ε。

根據(jù)表1中的一系列r和με值得到如附圖6中的標(biāo)準(zhǔn)曲線，從而可以很方便的根據(jù)應(yīng)變值ε得到相應(yīng)的阻力r的值。

表1標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)列表。

實(shí)施例1

一種實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，該測試裝置包括從上至下依次安裝的實(shí)驗(yàn)用支架，測力計(jì)和實(shí)驗(yàn)平板三部分，測力計(jì)與實(shí)驗(yàn)用支架和實(shí)驗(yàn)平板之間均采用掛鉤連接；所述測力計(jì)的寬度不小于實(shí)驗(yàn)平板的寬度；實(shí)驗(yàn)平板的長度為1000mm，寬度為700mm，厚4mm的薄鋼板，以減小興波阻力。所述實(shí)驗(yàn)平板采用兩點(diǎn)吊裝的方式豎直吊裝在測力計(jì)的下端，避免實(shí)驗(yàn)平板在重力作用下的變形，以及出現(xiàn)水動(dòng)力激振現(xiàn)象。吊裝位置分別距離導(dǎo)邊和隨邊實(shí)驗(yàn)平板長度25%的位置，即50mm，實(shí)驗(yàn)平板的下端部分浸入水面以下，100mm露出水面；實(shí)驗(yàn)平板兩側(cè)的導(dǎo)邊和隨邊打磨成楔形，以減少粘壓阻力；所述測力計(jì)由上剛性梁、下剛性梁和安裝在上、下剛性梁兩端之間的兩個(gè)彈性鋼片組成，將彈性鋼片通過螺栓緊固在上、下剛性梁的兩端，上剛性梁或下剛性梁采用方鋼，在阻力作用下，上、下剛性梁幾乎不變形，彈性鋼片產(chǎn)生s變形，如圖3所示。通過測量彈性鋼片變形引起的應(yīng)變來得到阻力值。所述彈性鋼片上設(shè)置四個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片設(shè)置在距離彈性鋼片上下兩端25%彈性鋼片高度的位置，所述應(yīng)變片采用全橋方式連接，從而避免兩個(gè)彈性鋼片受力不均引起的測量誤差。將應(yīng)變片與外設(shè)的應(yīng)變儀連接，從而獲得應(yīng)變值。為了避免熱變形，實(shí)驗(yàn)平板采用線切割的方式加工。測力計(jì)通過活動(dòng)螺栓或掛鉤吊裝在實(shí)驗(yàn)架上。

其中阻力的計(jì)算方法如下：

一般阻力計(jì)算公式r=cρv²s，其中s為實(shí)驗(yàn)平板上表面的面積（㎡），v為水的流速（m/s），ρ為水的密度（kg/m3），c為阻力系數(shù)。

在本實(shí)施例中，流速v為2m/s，實(shí)驗(yàn)平板面積為s=1.0×0.7=0.7㎡，水的密度為ρ=1000kg/m3，c取值0.04，則r=112n；

對于本發(fā)明中的測力計(jì)，同樣根據(jù)公式2eεbt²=3rh得到彈性鋼片的寬度b，厚度t和兩個(gè)應(yīng)變片間距為h的尺寸關(guān)系，其中，彈性鋼片所采用的不銹鋼彈性模量e=200gpa，應(yīng)變?chǔ)诺哪繕?biāo)值為100×10^-6，以保證測量精度，得尺寸關(guān)系bt²/h的值為8.4mm²；

選b=15mm，t=5mm，則h=45mm，彈性鋼片長度h可選為應(yīng)變片間距h的2倍，即選定彈性鋼片長90mm。

如圖4所示，彈性鋼片的寬度為b，厚度為t，兩個(gè)應(yīng)變片間距為h，三個(gè)參數(shù)的確定方法為：首先，估算阻力r，設(shè)流速為v，實(shí)驗(yàn)平板面積為s，水的密度為ρ，則阻力r=cρv²s，其中c的取值范圍在0.01~0.04之間；然后，選取應(yīng)變?chǔ)诺哪繕?biāo)值，范圍為50×10^-6~200×10^-6之間；阻力r、應(yīng)變?chǔ)糯_定后，查得彈性鋼片的彈性模量e，可根據(jù)公式2eεbt²=3rh，得bt²/h的值；保證b大于8mm；調(diào)整t，保證b是t的3~5倍；根據(jù)b和t來確定兩個(gè)應(yīng)變片間距h。

實(shí)施例2

一種實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，該測試裝置包括從上至下依次安裝的實(shí)驗(yàn)用支架，測力計(jì)和實(shí)驗(yàn)平板三部分，測力計(jì)與實(shí)驗(yàn)用支架和實(shí)驗(yàn)平板之間均采用吊環(huán)連接；所述測力計(jì)的寬度不小于實(shí)驗(yàn)平板的寬度；實(shí)驗(yàn)平板的長度為2000mm，寬度為1500mm，厚8mm的薄鋼板，以減小興波阻力。所述實(shí)驗(yàn)平板采用兩點(diǎn)吊裝的方式豎直吊裝在測力計(jì)的下端，避免實(shí)驗(yàn)平板在重力作用下的變形，以及出現(xiàn)水動(dòng)力激振現(xiàn)象。吊裝位置分別距離導(dǎo)邊和隨邊實(shí)驗(yàn)平板長度20%的位置，即400mm，實(shí)驗(yàn)平板的下端部分浸入水面以下；實(shí)驗(yàn)平板兩側(cè)的導(dǎo)邊和隨邊打磨成楔形，以減少粘壓阻力；所述測力計(jì)由上剛性梁、下剛性梁和安裝在上、下剛性梁兩端之間的兩個(gè)彈性鋼片組成，將彈性鋼片通過螺栓緊固在上、下剛性梁的兩端，上剛性梁或下剛性梁采用槽鋼，在阻力作用下，上、下剛性梁幾乎不變形，彈性鋼片產(chǎn)生s變形，如圖3所示。通過測量彈性鋼片變形引起的應(yīng)變來得到阻力值。所述彈性鋼片上設(shè)置四個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片設(shè)置在距離彈性鋼片上下兩端30%彈性鋼片高度的位置，所述應(yīng)變片采用全橋方式連接，從而避免兩個(gè)彈性鋼片受力不均引起的測量誤差。將應(yīng)變片與外設(shè)的應(yīng)變儀連接，從而獲得應(yīng)變值。為了避免熱變形，實(shí)驗(yàn)平板采用線切割的方式加工。測力計(jì)通過活動(dòng)螺栓或吊環(huán)吊裝在實(shí)驗(yàn)架上。阻力的計(jì)算方法同實(shí)施例1。

實(shí)施例3

一種實(shí)驗(yàn)用平板阻力測試裝置，該測試裝置包括從上至下依次安裝的實(shí)驗(yàn)用支架，測力計(jì)和實(shí)驗(yàn)平板三部分，測力計(jì)與實(shí)驗(yàn)用支架和實(shí)驗(yàn)平板之間均采用掛鉤連接；所述測力計(jì)的寬度不小于實(shí)驗(yàn)平板的寬度；實(shí)驗(yàn)平板的長度為500mm，寬度為300mm，厚3mm的薄鋼板，以減小興波阻力。所述實(shí)驗(yàn)平板采用兩點(diǎn)吊裝的方式豎直吊裝在測力計(jì)的下端，避免實(shí)驗(yàn)平板在重力作用下的變形，以及出現(xiàn)水動(dòng)力激振現(xiàn)象。吊裝位置分別距離導(dǎo)邊和隨邊實(shí)驗(yàn)平板長度15%的位置，即75mm，實(shí)驗(yàn)平板的下端部分浸入水面以下；實(shí)驗(yàn)平板兩側(cè)的導(dǎo)邊和隨邊打磨成楔形，以減少粘壓阻力；所述測力計(jì)由上剛性梁、下剛性梁和安裝在上、下剛性梁兩端之間的兩個(gè)彈性鋼片組成，將彈性鋼片通過螺栓緊固在上、下剛性梁的兩端，上剛性梁或下剛性梁采用方鋼，在阻力作用下，上、下剛性梁幾乎不變形，彈性鋼片產(chǎn)生s變形，如圖3所示。通過測量彈性鋼片變形引起的應(yīng)變來得到阻力值。所述彈性鋼片上設(shè)置四個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片設(shè)置在距離彈性鋼片上下兩端15%彈性鋼片高度的位置，所述應(yīng)變片采用全橋方式連接，從而避免兩個(gè)彈性鋼片受力不均引起的測量誤差。將應(yīng)變片與外設(shè)的應(yīng)變儀連接，從而獲得應(yīng)變值。為了避免熱變形，實(shí)驗(yàn)平板采用線切割的方式加工。測力計(jì)通過活動(dòng)螺栓或掛鉤吊裝在實(shí)驗(yàn)架上。阻力的計(jì)算方法同實(shí)施例1。

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