[發明專利]一種三自由度測力裝置及方法

有效

• 申請號: 202010842979.2
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN112129454B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 詹杰民;余煒光;胡文清;陳志涯;蘇煒;李雨田;范慶
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01L15/00
• 分類號: G01L15/00;G01M10/00
• 代理公司: 廣州潤禾知識產權代理事務所(普通合伙) 44446
• 代理人: 林偉斌

1.一種三自由度測力裝置，其特征在于，包括：

模型，用于測量在水中所受的力；

動力系統，用于為模型運動提供動力；

旋轉結構，所述旋轉結構呈T型，尾端固定連接配重塊，頭端旋轉連接模型，模型與旋轉結構間通過支撐桿相連，支撐桿與旋轉結構連接處為翻轉中心；

套管，包括兩組，所述兩組套管分別轉動連接旋轉結構的對稱兩端，兩組套管與旋轉結構連接處為兩個旋轉支點；

支架，所述支架固定于套管上；

升降力測量模塊，用于測量模型所受的升降力，由兩組水平設于支架最高和最低處且末端安裝有升降力傳感器的升降力橫桿及繩索構成，繩索繃直連接升降力傳感器和配重塊掛點；

翻轉力矩測量模塊，用于測量模型所受的翻轉力矩，由兩組水平設于支撐桿上且與支撐桿相垂直的翻轉臂、四根水平設于支架上半部和下半部且末端安裝有翻轉力矩傳感器的翻轉力矩橫桿及繩索構成，繩索繃直連接翻轉力矩傳感器和翻轉臂末端掛點；

牽引力測量模塊，用于測量模型所受的牽引力，由兩組豎直設置于套管上方且末端安裝有牽引力傳感器的牽引柱及繩索構成，繩索繃直連接牽引力傳感器和動力系統。

2.根據權利要求1所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，所述支撐桿與模型為剛性連接，連接點位于模型靠近支撐桿一邊的中間處。

3.根據權利要求2所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，所述翻轉臂對稱設于支撐桿左右兩邊，四根所述翻轉力矩橫桿的其中兩根左右對稱設于支架上半部，另外兩根左右對稱設于支架下半部，繩索分別繃直連接位于左側和右側的翻轉力矩傳感器。

4.根據權利要求3所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，兩條所述翻轉臂的長度相同。

5.根據權利要求4所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，兩條所述翻轉臂的長度為0.5-0.8米。

6.根據權利要求1所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，所述支撐桿與所述旋轉結構的連接為相對旋轉連接。

7.根據權利要求1所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，還包括兩條導槽，所述導槽穿過套管并與套管滑動連接。

8.根據權利要求7所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，所述導槽為光滑無摩擦的金屬棒。

9.根據權利要求7所述的一種三自由度測力裝置，其特征在于，所述導槽的長度為0.5-1.5米。

10.一種三自由度測力方法，其特征在于，采用權利要求1-9任一項所述的一種三自由度測力裝置，包括如下步驟：

安裝三自由度測力裝置，將升降力傳感器、翻轉力矩傳感器和牽引力傳感器校零；

將所述三自由度測力裝置水平放置于水動力學實驗設備中，啟動動力系統，開始試驗；

模型受到動力系統的牽引作用，通過繩索拉動牽引力傳感器，產生牽引力，使牽引力傳感器示數產生數值，通過空載模型重復試驗測得試驗裝置產生的空載阻力，再將牽引力傳感器測量出的數值數據減去裝置的空載阻力值，得到模型所受牽引力；

模型受到水作用，產生向上或向下運動，以兩個旋轉支點所在直線為對稱軸，配重塊與模型產生相反方向的運動，配重塊通過繩索拉動相應的升降力傳感器，使升降力上下傳感器示數產生差值，差值經杠桿原理換算處理測得模型所受升力或降力；

模型受到水作用，產生橫向翻轉運動，帶動支撐桿在翻轉中心處旋轉，進一步帶動翻轉臂轉動，翻轉臂通過繩索拉動翻轉力矩傳感器，使處于模型同一側的一對翻轉力矩傳感器示數產生差值，翻轉力矩傳感器所測得數據中同時包含了模型所受的升降力矩和翻轉力矩，用升降傳感器數據通過杠桿原理換算出在翻轉力矩產生處的反力矩，再用翻轉力矩測量傳感器的數據減去反力矩即為翻轉力矩。