一种适用于模型后导管定子动态力测量系统及测量方法与流程

本发明涉及船舶推进器水动力性能测试，尤其是一种适用于模型后导管定子动态力测量系统及测量方法。

背景技术：

1、随着水下航行体推进性能优化与减振降噪技术的发展，导管推进器凭借低噪声、高推进效率、推力特性稳定的优点，已成为现代水下航行体的核心推进形式；导管推进器主要由导管、定子、转子三部分组成，工作过程中导管定子会受到以转子叶频及其倍频为主的动态激励，并将振动载荷进一步传递至艇体，因此研究导管推进器导管定子的动态力特性，对推进器高效低噪优化设计与艇体结构安全评估具有重要意义。

2、相关技术中，针对导管推进器动态力特性的研究多以数值模拟手段为主；在导管推进器转子动态力的测试场景中，通常可将力传感器布置在动力仪旋转轴上，以此实现转子侧动态载荷的采集测量。

3、然而，上述以数值模拟为主的研究方式缺乏试验数据支撑，分析结果的准确性与可靠性难以得到有效验证；同时，由于导管定子与航行体模型尾部为刚性连接，受轴系布置空间限制，模型与测量装置内部均为中空结构，难以通过单传感器的常规布置方式实现导管定子侧动态力的测试，目前仍缺少可对模型后方导管推进器导管定子动态传递力进行精准测量的试验系统与测量方法。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种适用于模型后导管定子动态力测量系统及测量方法，针对性解决现有装置因轴系贯穿导致内部中空、无法通过单传感器布置直接测量导管定子动态传递力的问题，可准确获取导管定子动态力的幅频特性，为推进器高效低噪优化设计与结构安全评估提供可靠的试验数据支撑。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种适用于模型后导管定子动态力测量系统，包括测力机构、模型主体、驱动装置、导管定子、旋转轴和转子；

4、所述模型主体为整个测量系统的支撑结构，模型主体的尾部通过所述测力机构与所述导管定子刚性连接；

5、所述驱动装置固定安装于所述模型主体的内部，所述旋转轴通过轴承支撑设置于所述模型主体内部，旋转轴的一端与所述驱动装置传动连接，旋转轴的另一端沿轴向贯穿所述测力机构后与所述转子固定连接；

6、所述测力机构包括转接环、底板、转接板和多个动态力传感器；所述转接环的一端与所述底板固定连接，转接环的另一端与所述模型主体的尾部固定连接；所述多个动态力传感器沿周向分布设置于所述底板与所述转接板之间，各动态力传感器的两端分别与所述底板、所述转接板固定连接；所述转接板与所述导管定子固定连接，所述测力机构的中心区域形成供所述旋转轴穿过的贯穿空间。

7、其有益效果在于：采用周向分布式多传感器布局，在测力机构中心预留出可供旋转轴穿过的贯穿空间，突破了轴系贯穿导致内部中空、无法布置单传感器的结构限制，实现了导管定子与模型主体之间动态传递力的直接测量；整体结构紧凑，与传动轴系及导管定子结构兼容性强，便于在现有试验平台上直接加装使用。

8、作为进一步改进，所述测力机构还包括分离外罩和内罩壳；所述分离外罩固定安装于所述转接环的外侧，用于维持试验对象的整体外形轮廓；所述内罩壳固定安装于所述转接环的内侧，用于隔离信号线缆与所述旋转轴；所述分离外罩与所述内罩壳之间围合形成静水空间，用于隔绝外部水流对动态力传感器及信号线缆的直接冲击。

9、其有益效果在于：分离外罩可维持试验对象的整体外形轮廓，保证试验流场与实际工况的一致性；内罩壳可隔离信号线缆与旋转轴，避免线缆与旋转轴接触产生干扰；二者围合形成的静水空间可隔绝外部水流对动态力传感器及信号线缆的直接冲击，消除水流扰动引入的测试误差，有效提升动态力测量的精度与稳定性。

10、作为进一步改进，所述测力机构还包括定子定位环和调整垫片；所述转接板通过所述定子定位环与所述调整垫片和所述导管定子固定连接；所述定子定位环用于对导管定子进行径向定位，所述调整垫片用于对导管定子的轴向位置进行微调，以使导管定子与所述旋转轴保持同轴。

11、其有益效果在于：通过定子定位环可实现导管定子的精准径向定位，通过调整垫片可对导管定子的轴向位置进行微调，能够便捷地保证导管定子与旋转轴的同轴度要求，降低安装偏差对试验结果的干扰，保障试验工况的准确性与可重复性。

12、作为进一步改进，所述动态力传感器的数量为4个，4个动态力传感器呈正交均匀分布于所述底板与所述转接板之间，共同承载导管定子传递的轴向动态力。

13、其有益效果在于：4个传感器正交均匀分布的布局受力均衡，力的合成计算逻辑清晰简便，能够稳定承载并测量导管定子传递的轴向动态力；同时可在测力机构中心形成规整的贯穿孔，最大程度避让旋转轴，兼顾了结构避让需求与测量受力的合理性，进一步提升测量结果的可靠性。

14、作为进一步改进，所述旋转轴通过多组轴承转动支撑于所述模型主体内部，旋转轴的一端通过弹性联轴器与所述驱动装置的输出端传动连接。

15、其有益效果在于：多组轴承可提升旋转轴的运转稳定性，降低轴系自身振动向定子侧的传递；弹性联轴器可补偿驱动端与旋转轴的安装同轴度偏差，同时衰减驱动装置产生的振动传递，减少无关振动对定子动态力测量结果的干扰，进一步提高测量数据的准确性。

16、作为进一步改进，所述导管定子为可更换结构，能够根据试验工况更换不同规格的导管与定子。

17、其有益效果在于：可根据不同的试验需求灵活更换对应规格的导管与定子，适配多种型号导管推进器的动态力测试需求，大幅提升装置的通用性，降低多工况、多型号试验的设备改造成本与周期。

18、另一方面，本发明还提供一种适用于模型后导管定子动态力测量方法，采用上述的适用于模型后导管定子动态力测量系统实施，所述测量方法包括以下步骤：

19、s1、标定过程：将测力机构固定安装于模型主体后，采用与待测导管定子质量相等的质量块与测力机构的转接板相连接；通过激振器向测力机构施加已知频率和幅值的标准激振力，将各动态力传感器的输出电压信号按照各自的灵敏度系数转换为力值后，合成得到合力；将合成得到的合力与输入的标准激振力进行对比，得到每个频率点对应的传递系数；通过多组频率点的对比数据，确定满足传感器测量精度要求的最大截止频率，并拟合建立合成合力与标准激振力之间的传递函数系数；

20、s2、试验过程：按照导管推进器的等推力系数kt确定对应的进速系数j，调整转子的转速并匹配对应的来流水速，待工况稳定后，同步采集所有动态力传感器的输出电压信号；

21、s3、数据处理过程：根据传感器灵敏度系数及测试系统传递系数，合成得到时域合力信号；对时域合力信号进行傅里叶变换，得到合力信号的频谱曲线；根据特征频带宽度计算得到特征频率下的导管定子动态力值；更换不同试验工况，重复试验与数据处理过程，得到不同转速下对应的导管定子动态力。

22、其有益效果在于：采用标定、试验以及数据处理的完整测量流程，先通过标定环节修正测试系统自身的频率响应特性，再开展正式工况试验，最后通过频谱分析提取特征频率下的动态力值，测量流程规范严谨，数据处理逻辑清晰，能够准确获取导管定子动态力的幅频特性，为导管推进器的优化设计与结构安全评估提供可靠的试验数据支撑。

23、作为进一步改进，在步骤s1中，合成合力与标准激振力满足如下关系式：

24、

25、

26、式中，

f合代表n个动态力传感器输出转换后合成的合力，单位为n；

27、

n 代表动态力传感器的数量；

28、

ui代表第

i个动态力传感器测得的输出电压值，单位为 mv；

29、

ki代表第

i个动态力传感器的标定系数，单位为 mv/n；

30、

ki

′代表第

i个动态力传感器对应放大器的放大倍数；

31、

fstd代表激振器输入的标准激振力，单位为 n；

32、

k(f) 代表与频率

f 相关的系统传递函数。

33、其有益效果在于：通过明确的力值合成计算公式与系统传递函数关系，可量化修正测试系统在不同频率下的传递特性，消除系统结构自身的频率响应对测量结果的影响，保证不同频率段内动态力测量结果的准确性、一致性与可复现性。

34、作为进一步改进，在步骤s1中，采用最小二乘法拟合建立合成合力与标准激振力之间的传递函数系数。

35、其有益效果在于：采用最小二乘法对多组频率点的标定数据进行拟合，可得到误差最小、平滑性好的系统传递函数曲线，有效提升标定结果的拟合精度，保障全有效频段内动态力测量结果的可靠性。

36、作为进一步改进，步骤s2中，同步采集的各动态力传感器输出电压信号记为

ui（

t），其中

i为动态力传感器序号，

t为时间变量。

37、其有益效果在于：采用同步采集的时域电压信号作为数据处理的基础数据源，可保证多个动态力传感器数据的时间一致性，避免时序偏差导致的合力合成误差，为后续的时域合力合成与频域傅里叶变换分析提供准确的原始数据基础。