風翼助航船舶的風翼受力測量方法研究

王迪，王國峰，孫培廷，鄭凱，范云生

(1.大連海事大學 輪機工程學院，大連 116026； 2.大連海事大學 信息科學技術學院，大連 116026)

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風翼助航船舶的風翼受力測量方法研究

王迪1，王國峰2，孫培廷1，鄭凱2，范云生2

(1.大連海事大學 輪機工程學院，大連 116026； 2.大連海事大學 信息科學技術學院，大連 116026)

摘要：為直接獲得準確的風翼助航船舶風翼受力大小與方向，對于采用圓柱形桅桿的風翼系統(tǒng)，提出了通過采用測量桅桿彎曲應變間接獲得風翼受力的測量方法。首先給出了采用電阻應變片組成的半橋差動電路設計的測量裝置結構。然后在彎曲應變測量技術基礎上，通過理論分析研究獲得風翼受力大小與方向的測量方法。最后，通過大量的實驗測量數(shù)據(jù)，驗證了該測量方法的有效性與可行性。研究結果表明，該測量方法具有系統(tǒng)測量裝置結構簡單、安裝與操作方便，測量范圍大、穩(wěn)定性與線性度好等特點，從而解決了一類風翼助航船舶推進控制系統(tǒng)的風翼受力測量問題。

關鍵詞：風翼助航船舶；風翼受力測量；圓柱形桅桿；彎曲應變；半橋差動電路；測量裝置；實驗驗證

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160321.1009.004.html

風翼助航船舶依靠風翼的空氣動力特性[1]，對船舶產生輔助力，風翼對船舶的輔助力可以分解為船舶航行方向的助推力和垂直于船舶航行方向的橫向力，風翼受力的變化直接影響船舶運動姿態(tài)，因此風翼受力大小與方向是風翼助航船舶運動控制的兩項重要參數(shù)，獲得準確的風翼受力是提高船舶操縱與推進性能、減小船舶搖蕩性能的關鍵。通過安裝風翼桅桿上的風速風向傳感器對視風的測量[2]，結合風翼的空氣動力特性，可以從理論上計算得到風翼受力[3]。但由于海面上風況的縱向梯度變化[4]，以及采用多個風翼會導致風翼之間氣流的相互擾動，風翼迎風面接受來風并不均勻，而將風速風向傳感器布滿整個帆面也是不現(xiàn)實的，因此不能測量風翼迎風面的全局風況，從而計算得出的風翼受力與實際風翼受力存在一定的誤差[5]。

目前，關于風翼受力的研究，國內外學者更多集中于對風翼空氣動力特性的研究，以及為提高推進性能對其進行改造。胡以懷等[6]通過理論計算與風洞實驗得到了翼型帆以及橢圓形翼帆的空氣動力特性，并證明了翼型帆相對于普通風帆具有較高的升阻比；林煜翔[7]對襟翼帆進行了設計，通過CFD理論計算與仿真驗證，證明給風翼加裝襟翼，會提高風翼的推力系數(shù)；Yoo Jaehoon等[8]采用CFD軟件對三維翼型帆受力進行了計算，結果證明兩個翼型帆組合產生的升力比兩個單獨翼型帆產生的升力之和大；Amin Hamid等[9]對剛性風帆的速度預測進行了理論研究；Foresta Maurizio[10]和Grassi C[11]等對串聯(lián)對稱翼特性進行研究。上述文獻均是在理想均勻風況下進行的理論研究。針對非理想風況，A Rossetti等[5]提出了采用聚合壓力無線傳感系統(tǒng)的設計，通過在風翼面上采用網(wǎng)絡結構布置壓力傳感器，并通過壓力監(jiān)測系統(tǒng)獲得風翼面的壓力分布，但并沒有給出風翼受力的測量結果。目前，關于風翼受力的測量，多集中在理論研究，且基于理想風況。本文則采用彎曲應變技術，脫離風況變化的影響，對風翼受力的測量方法進行了理論分析與試驗研究。

1風翼受力測量系統(tǒng)結構

圖1為風翼受力測量結構圖，結合該結構圖，針對船舶上安裝的風翼系統(tǒng)，給出如下規(guī)定與假設：1)規(guī)定風翼桅桿采用材質均勻的實心或空心彈性圓柱體；2)規(guī)定風翼體與桅桿連接采用單截面連接方式，即風翼與桅桿所有連接固定點在桅桿的同一截面上，圖中示例為風翼頂端固定在桅桿的頂端截面，且該截面為二者固定的唯一截面；3)規(guī)定風翼的重心線與風翼桅桿軸線重合，即在沒有風力的情況下，不會因為風翼的重力而使風翼桅桿產生彎曲應變；4)假設風翼受力的作用方向為指向桅桿軸心的方向，力的作用點在桅桿受力截面所在的桅桿外圍表面。

以材質均勻的空心圓柱形桅桿為例，設定風翼與桅桿的連接點僅為桅桿頂端所在截面的外圍表面一周。在桅桿受力點與桅桿支座之間的外周圍同一高度，均勻設置四個相同的電阻應變片，即每兩個相鄰電阻應變片相隔90°。電阻應變片的測量電路采用的是帶有非線性補償功能的半橋差動電路，即相對的兩個電阻應變片為一組，每組電阻應變片分別與兩個相等電阻構成半橋差動電路(檢測電路)。當風翼受力，風翼作用力會轉移到桅桿受力面，使桅桿產生彎曲應變，4個電阻應變片分別會有拉伸和壓縮的組合作用，4個電阻應變片的阻值會發(fā)生變化，電阻應變片阻值變化會帶動半橋差動電路產生差動電壓。根據(jù)差動電壓與應變片電阻之間的關系、應變片電阻與桅桿彎曲應變之間關系、桅桿彎曲應變與桅桿彎矩之間關系、桅桿彎矩與桅桿受力之間關系，最終得到風翼作用力的大小。通過控制器對數(shù)據(jù)的檢測、判斷與計算，得到風翼受力的大小與方向，并通過顯示屏顯示出來，便于觀察。

風翼受力測量系統(tǒng)主要包括傳感器、檢測電路、微處理器和顯示四部分。其中，傳感器采用電阻應變片系統(tǒng)，檢測電路采用半橋差動電路。

如圖1所示，桅桿受力截面與電阻應變片所在截面距離為L，應變片的高度為l。為分析方便，設定以電阻應變片4為基準，按照順時針方向將圓柱桅桿劃分4個扇形區(qū)域。其中應變片4與5之間的扇形區(qū)域為Ⅰ區(qū)，應變片5與3之間的扇形區(qū)域為Ⅱ區(qū)，應變片3與6之間的扇形區(qū)域為Ⅲ區(qū)，應變片6與4之間的扇形區(qū)域為Ⅳ區(qū)。

注：1.桅桿支座(船舶甲板)；2.風翼桅桿；3、4、5、6.電阻應變片；7.檢測模塊；8.顯示單元；21.桅桿受力截面；22.應變片所在截面；71.檢測電路；72.處理器(單片機)圖1　風翼受力測量結構圖Fig.1　The structure diagram of wing thrust

2測量原理與方法

2.1基于彎曲應變測量原理

由于電阻應變片具有體積小、動態(tài)響應快、測量精度高和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于應變測量、力測量、扭矩測量、位移測量、加速度測量[12]等。因此本文采用的應變測量元件為電阻應變片。

圖1中的電阻應變片3、4、5、6對應的電阻值分別為Rf、Rb、Rl、Rr， 設定4個電阻應變片的初始阻值為

(1)

若風翼受合推力的作用點在Ⅰ區(qū)，會導致空心圓柱桅桿的彎曲應變，使得電阻應變片4(Rb)與電阻應變片5(Rl)受拉，電阻應變片3(Rf)與電阻應變片6(Rr)受壓，且相對的兩個電阻應變片各自對應的阻值變化大小相等、符號相反，即對應的阻值變化情況如下：

(2)

式中：R對應的是電阻應變片阻值Rf、Rb、Rl、Rr，R對應的是4個電阻應變片的阻值變化大小Rf、Rb、Rl、Rr。其中，電阻應變片4(Rb)、5(Rl)受拉，電阻應變片3(Rf)、6(Rr)受壓，因此Rb=Rf>0，Rl=Rr>0。

設定電阻應變片3(Rf)與4(Rb)的線應變大小均為ε1，電阻應變片5(Rl)與6(Rr)的線應變大小均為ε2，4個電阻應變片的靈敏系數(shù)均為K，則

(3)

(4)

設置電阻應變片3(Rf)與電阻應變片4(Rb)一組、電阻應變片5(Rl)與電阻應變片6(Rr)一組，每組電阻應變片分別與兩個相等的固定電阻R1構成半橋差動電路，如圖2所示[13]。

(a)第1組半橋差動電路

(b)第2組半橋差動電路圖2　由電阻應變片構成的半橋差動電路Fig.2　Half bridge differential circuit by resistance strain gauge

半橋差動電路的給定電壓為U0，輸出差動電壓分別為U1和U2，則

(5)

(6)

2.2風翼受力測量原理

圖3所示為電阻應變片所在風翼桅桿截面俯視圖，圖中表示出受力點在Ⅰ區(qū)，且受力方向與應變片4的夾角為α時，該截面彎曲應變的受力分析。

如圖3所示。風翼受推力作用點在桅桿Ⅰ區(qū)，桅桿產生彎曲應變后，形成的中性層曲率半徑為ρ，電阻應變片所在截面的中性軸為z軸(該軸與受力方向垂直且通過桅桿軸心)。則距中性軸為y處的電阻應變片所在位置的線應變ε為

(7)

如圖3所示，電阻應變片3和電阻應變片4(其線應變?yōu)棣?)距中性軸z的距離均為y1，電阻應變片5和電阻應變片6(其線應變?yōu)棣?)距中性軸z的距離均為y2，因此ε1=y1/ ρ；ε2=y2/ ρ。

圖3　電阻應變片所在桅桿截面俯視圖Fig.3　The top view of resistance strain gauge's location section

設桅桿的彈性模量為E，電阻應變片所在截面應力為σ ，電阻應變片所在截面彎矩為[14]

(8)

因此

(9)

式中:Iz=∫Ay2dA為電阻應變片所在截面對中性軸z的慣性矩，空心圓柱形桅桿的外徑為D，內徑為d，則

(10)

由式(7)、(9)和(10)可得風翼桅桿應變片處的線應變

(11)

又如圖3的受力分析可得，y1=(D/2)cosα，y2=(D/2)sinα，結合式(11)可得

(12)

(13)

根據(jù)式(5)、(6)、(12)和(13)，得到風翼受力角度值與應變電路參數(shù)變化關系如表1所示。

電阻應變片所在截面彎矩亦為風翼受力在該處產生的力矩，因此

(14)

根據(jù)式(14)、(12)、(5)及表1，得到風翼受力大小與應變電路參數(shù)變化關系如表2所示。

表1　風翼受力角度值與應變電路參數(shù)關系

表2　風翼受力大小與應變電路參數(shù)關系

2.3控制器設計

檢測裝置的控制器核心選擇帶有A/D轉換功能的單片機，A/D通道用于半橋差動電路輸出電壓的采集。根據(jù)風翼測量原理得到相關公式，單片機對半橋差動檢測電路的輸出電壓進行采集、判斷、處理，得到應變片傳感器檢測得到的風翼受力大小與方向角，最終將得出的風翼受力的大小與方向輸出給顯示裝置，以便于觀察。其中單片機處理器的功能框圖如圖4所示。

圖4　單片機處理器功能框圖Fig.4　The functional block diagram of microcontrollers

3實驗分析

3.1實驗臺搭建

模擬桅桿選用彈性模量較小的PPR空心管，外徑為51 mm，內徑為37.5 mm，彈性模量為850 MPa。

圖5為實際搭建的風翼受力測量實驗臺。其中，圖5(a)為模擬桅桿應變片傳感器安裝與受力截面角度標定。在模擬桅桿的同一截面圓周，每隔90°粘貼電阻應變片，分別為Rb、Rl、Rf和Rr。實驗中設定受力截面距應變片距離為1 m，以應變片Rb對應受力點位置為0°，逆時針方向增大，環(huán)繞桅桿受力截面一周標注角度刻度0° ～ 360°。

圖5(b)為模擬桅桿檢測裝置，包括電源、單片機處理器、以及由應變片與電阻組成的半橋差動電路。將電阻應變片接入到半橋差動電路中，單片機檢測半橋差動電路輸出電壓值，并通過單片機與PC機的通訊，經由PC機顯示屏顯示桅桿受力情況。

半橋差動電路采用帶有溫度自補償功能的應變片BE120-5AA(11)，使用溫度范圍30 ℃～ +80 ℃，應變極限為2%，靈敏度系數(shù)為2.11±1%。經測量，4個應變片的初始阻值均為119.1 Ω，電橋固定電阻阻值為499 Ω，電壓源電壓為4.96 V。控制系統(tǒng)核心控制器采用的是stm32單片機，通過ADC端口對半橋電路的輸出電壓值進行檢測，并經由單片機相應程序運算處理，最終得到桅桿受力方向與大小值。通過單片機與PC機通訊，采用SSCON串口調試軟件將檢測結果顯示出來，如圖6所示。輸出數(shù)據(jù)分別為兩個半橋差動電路輸出電壓(mV)、桅桿受力方向(°)和桅桿受力大小(N)。

圖5　風翼受力測量實驗臺Fig.5　Experimental table of wing thrust measurement

3.2實驗測試結果

根據(jù)設計要求，桅桿受力點距離應變片截面為1 m，采用彈簧測力計在受力截面對桅桿施加水平力。通過彈簧測力計的顯示值與對應的桅桿受力截面上標注的受力角度，可以直接讀出桅桿受力大小與方向。與此同時，通過單片機處理得到的應變片傳感器測量結果，顯示并存儲在PC機的串口調試窗口上。對應每一個力，應變片傳感器檢測系統(tǒng)讀取10組數(shù)據(jù)，對該10組數(shù)據(jù)求取平均值，作為最終檢測結果。實驗測量中，對風翼受力的多方向，多個力值進行測試。表3列出了具有代表性的六個方向的力，以及每一個方向上的三個大小不同的受力值，共列出18組實驗數(shù)據(jù)對比結果。

圖6　桅桿受力檢測顯示窗口Fig.6　Display window of the mast thrust measurement

實驗組號實測值角度/(°)力/N控制器檢測值角度/(°)力/N誤差絕對值角度/(°)力/N48.340.1846.820.181.521077.200.3477.120.340.0886.690.0786.210.070.4813.4860.1512.840.150.6426026.8859.9727.030.030.1560.4260.2160.970.210.5558.52120.8757.180.871.34312077.12120.5677.250.560.1395.87120.0896.580.080.7110.88199.8711.720.130.84420040.27199.7339.870.270.4080.23200.1280.590.120.3635.88269.7734.760.231.12527048.94270.3149.230.310.2960.31270.5959.680.590.6343.93350.6244.670.620.26635060.09350.5158.320.511.7775.94350.2676.570.260.63

3.3實驗結果分析

如表3所示，列出了對模擬桅桿分別進行的0°、60°、120°、200°、270°和350°六個具有代表性角度施加力的實驗數(shù)據(jù)，其中每個角度對應的三個拉力取值隨機。通過檢測值與實測值的受力方向與大小對比，得到角度檢測誤差值與拉力誤差值如表中所示。通過大量的實驗得到：角度誤差值均在1°范圍內，受力大小誤差值在2 N范圍內。隨著拉力的增大，檢測得到的拉力誤差率減小。

通過實驗數(shù)據(jù)表明，采用彎曲應變測量方法獲得風翼系統(tǒng)的風翼助推力的大小與方向的測量值與實際值是相符的，因此采用該方法對理想圓柱風翼桅桿的受力測量是可行的。

4結論

風翼助航船舶的風翼作用力直接影響船舶操縱性、快速性和耐波性，本文針對目前尚未出現(xiàn)能夠直接獲得風翼受力的測量方法，提出了采用彎曲應變原理測量基于圓柱形桅桿的風翼受力大小與方向，并進行了實驗研究。主要結論如下：

1)通過理論分析，對于理想條件下的圓柱形風翼桅桿，采用彎曲應變測量原理，以4個完全相同的電阻應變片作為桅桿彎曲應變檢測的傳感器元件，能夠獲得風翼桅桿受力大小與方向。

2)風翼桅桿受力檢測傳感器電路，采用由兩個相對電阻應變片與兩個相同的固定電阻構成的半橋差動電路，可以消除由于溫度變化引起的虛應變，做到了檢測系統(tǒng)的非線性補償功能，測量結果穩(wěn)定可靠。

3)采用搭建的風翼受力測量實驗臺進行實驗測試，將實驗測量結果與理論計算結果進行對比，得到風翼受力大小誤差值小于2 N，受力方向誤差值小于1°，實驗測試結果與理論分析結果相吻合，且隨著風翼受力值的增大，風翼受力大小測量的誤差率減小。

4)采用彎曲應變方法測量圓柱形桅桿的受力大小與方向，能夠準確地將船舶輔助動力——風翼的受力情況實時反饋給船舶操控人員，以便操控人員能夠根據(jù)風翼受力反饋值，及時調整船舶操縱狀態(tài)，既提高了風翼助航船舶的操縱與推進性能，同時也提高了船舶的安全性能。

本文對風翼受力測量方法進行了探索性研究。對研究對象——風翼系統(tǒng)進行了理想化假設，測量方法并不適用于所有結構的風翼系統(tǒng)。在后續(xù)工作中，基于該測量原理，針對船舶實際采用的不同形狀的桅桿、不同形式的風翼，同時考慮傳感器的測量范圍、精度等條件的局限性，將對風翼受力測量方法進行進一步研究。

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收稿日期：2015-08-19.

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(2012AA112702).

作者簡介：王迪(1989-), 女,博士研究生; 通信作者：王迪, E-mail: dmuwangdi@yeah.net.

doi:10.11990/jheu.201508037

中圖分類號：U665

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0492-06

Wing thrust measurement method for wing-assisted ships

WANG Di1, WANG Guofeng2, SUN Peiting1, ZHENG Kai2, FAN Yunsheng2

(1. College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Abstract：To obtain the accurate wing thrust and the direction of the thrust for wing-assisted ships with respect to the cylindrical wing-mast system, we propose a measurement method for obtaining wing thrust by measuring the bending strain of the mast. First, we discuss the structural design of the measurement device with a resistance strain gauge based on the half-bridge differential circuit. Based on the bending-strain measurement technology, we use theoretical analysis to obtain the wing thrust and direction. Finally, we carry out numerous experiments and analyze the measurement data to verify the effectiveness and feasibility of this method. The research results show that the measurement system device has the advantages of a simple structure, convenient installation and operation, wide measurement range, and good stability and linearity. As such, we validate the proposed wing-thrust measurement method for wing-assisted-ship propulsion control systems.

Keywords：wing-assisted ship; wing thrust measurement; cylindrical wing mast; bending strain; half-bridge differential circuit; measuring device; experimental verification

網(wǎng)絡出版日期：2016-03-21.

王國峰(1957-), 男,教授,博士生導師.