CN102607801A - 一种模拟薄板水下冲击的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟薄板水下冲击的试验装置，它包括储水箱、PVC管、水泵、水槽、蝶阀、靶式流量计、转轴、轴承、薄板、应变片、动态应变仪、智能信号采集处理分析仪、挡杆、角位移传感器、抱紧式弹性联轴器、角位移传感器数据采集板和水泵所配的电机；储水箱置于地面，其侧面底部开口与PVC管一端相连，PVC管另一端与水泵的进水口相连；储水箱与PVC管的相连处安装蝶阀；在水槽进水口和蝶阀之间的PVC管上端安装靶式流量计；水槽中临近进水口处竖直安装转轴，薄板和靶式流量计上的应变片引出的导线连接动态应变仪和智能信号采集处理分析仪来采集应变变化时间数据；角位移传感器引出的导线与角位移传感器数据采集板连接，采集转轴转角变化时间数据。

Description

一种模拟薄板水下冲击的试验装置

(一)技术领域

本发明涉及一种模拟薄板水下冲击的试验装置，尤其涉及一种以水泵为动力源，模拟薄板在水下受到水流冲击的试验装置。它结构简单，易于搭建，能够代替复杂、昂贵的水下试验设备，来模拟薄板在水槽中受高速水流冲击的绕轴转动过程以及转动过程中薄板与流体之间的流固耦合现象，研究结构的动态响应与驱动参数之间的关系。通过试验数据，可以深入探究流固耦合机理与尺度率等问题，属于海洋船舶工程和武器工业工程技术领域。

(二)背景技术

薄板在水下受到高速水流的冲击绕轴转动，将会改变水下流场的分布，同时受到冲击作用的薄板自身会发生变形，这一过程是一个流体—结构相互作用的过程。由于薄板在水下运动变形，改变了流体域的边界，进而改变流体域中的压强分布，特别是流体作用在固体表面的压强大小及分布情况都会发生改变；而这种固体表面压强的改变反过来会影响到薄板在运动过程中的变形情况，如此交互作用是一种典型的流固耦合现象。

船舶螺旋桨等流体机械在工作时，都会发生上述的流固耦合现象。国内外对这类问题的理论研究和仿真分析在近年来逐渐增多，也取得了一定的研究进展，但是由于传统水下试验装置结构复杂，价格昂贵，对这类流固耦合问题基本没有试验验证，这在一定程度上也影响了这类问题的研究进展。对流固耦合问题进行试验分析，可以更加准确的掌握流固耦合现象，一方面可以直观的观察流固耦合作用的具体过程；另一方面也可以用来评价仿真方法的准确程度，从而进一步的修改仿真模型，使仿真结果更加真实可信。在进行仿真分析的同时，加以试验验证，可以更加准确深入的研究流固耦合问题。

一般情况下，涉及到流体力学的试验研究(包括流固耦合试验研究)，通常应用到水洞试验装置。该设备尺寸大，功率大，能源消耗和试验费用都很大；如果按照1∶1制作试验器件，制作周期长，制造成本高，试验过程中测量元件的安装和测试也不够方便。

因此，特别设计一个满足这一类问题的流固耦合试验装置，既能满足试验基本要求，可以高效、快捷地完成试验，获取数据；又可以不过多地占用空间资源，减少成本，节约能源，成为大家研究的课题和努力的方向。

(三)发明内容

1、目的：

本发明的目的是提供一种模拟薄板水下冲击的试验装置。它针对水下高速冲击绕轴转动机构，为仿真方法提供试验参考值，以此评估仿真方法的准确程度；通过试验，从系统角度掌握流体驱动力矩、转动角度位移、转动叶片上的应力应变之间的相互影响规律；通过采用不同尺度的试验装置，探索如何利用小尺度缩比实验的结果还原出原型系统的响应特性，为水下大尺度结构设计提供理论指导；研究水下结构运动学控制与限位机构碰撞吸能。

2、技术方案

见图1，本发明一种模拟薄板水下冲击的试验装置，它是一种以水泵为动力源，模拟薄板在水下受到水流冲击的试验装置，它包括：储水箱、PVC管、水泵、水槽、蝶阀、靶式流量计、转轴、轴承、薄板、应变片、动态应变仪、智能信号采集处理分析仪、挡杆、角位移传感器、抱紧式弹性联轴器、角位移传感器数据采集板和水泵所配的电机；它们之间的位置连接关系是：

储水箱置于地面，其侧面底部开口与PVC管一端相连，PVC管另一端与水泵的进水口相连；储水箱与PVC管的相连处安装蝶阀；取另一PVC管将水泵的出水口与水槽的进水口相连，在水槽进水口与该PVC管相连处安装蝶阀，在水槽进水口和蝶阀之间的PVC管上端安装靶式流量计；水槽中临近进水口处竖直安装转轴，转轴两端通过轴承与水槽上下两端相连；转轴中部开有通槽，薄板插入通槽中，用垫片和螺栓固定；薄板上贴有应变片，薄板和靶式流量计上的应变片引出的导线连接动态应变仪和智能信号采集处理分析仪来采集应变变化时间数据；档杆从水槽上端面竖直插入到水槽下底面的圆形槽座中进行安装，此位置在薄板从初始位置绕轴转动40°处；角位移传感器通过抱紧式弹性联轴器与转轴柔性连接，角位移传感器引出的导线与角位移传感器数据采集板连接，采集转轴转角变化时间数据；水泵所配的电机与水泵连接。

所述储水箱是盒式结构的箱体，无上端面，两侧分别开口。一侧开口用于水泵抽水；另一侧开口用于排水；

所述PVC管为按需选购的市购件；

所述水泵为离心泵，为按需选购的市购件。

所述水槽上端面有约2/3敞开，侧面装有蝶阀，另一侧面和底面分别装有排水阀和放水阀，用于提供流体域的试验环境；

所述蝶阀为按需选购的市购件，与PVC管路用法兰盘连接。

所述靶式流量计为自制件，该件由靶杆、靶杆支座和靶杆套筒组成；靶杆粘贴固定在靶杆支座上，靶杆外有靶杆套筒包裹，靶杆上端部露在靶杆套筒外面；靶杆为45#钢材料、片状结构，靶杆下端部表面贴有应变片，靶杆套筒为PVC圆管，保护靶杆；靶杆支座为圆柱结构铝合金材料制成。

所述转轴分为三部分，上半轴、中间轴和下半轴；上半轴和下半轴以轴承分别与水槽上下面轴向和径向固定连接；中间轴中间部分开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用一对联轴器相连；

所述轴承是7207B角接触轴承，为市购标准件；

所述薄板，是矩形板料，安装位置为，薄板正面与进水口端面平行，与水流方向垂直；薄板按照要求设计成不同比例尺寸，根据试验要求可以灵活的更换不同尺度的薄板；

所述应变片，是矩形薄片，为按需选购的市购件，它粘贴在薄板和靶式流量计的靶杆上，用于测量薄板和靶杆应变变化；

所述动态应变仪和智能信号采集处理分析仪为按需选购的市购件，用于采集应变片的应变变化时间数据；

所述档杆为圆柱体直杆，用于限制薄板的转动角度；

所述角位移传感器为按需选购的市购件，用抱紧式弹性联轴器与转轴柔性连接，测量转轴转角变化；

所述抱紧式弹性联轴器为按需选购的市购件，连接角位移传感器和转轴，提供柔性和变直径连接；

所述角位移传感器数据采集板为自制采集板，用于采集转轴转角变化时间数据；该角位移传感器数据采集板为矩形电路板，电路板上有输入端口、输出端口和外接电源；

所述水泵所配的电机与水泵配套购置；

本发明工作原理及流程如下：

试验前，关闭排水口和放水口以及连接水泵的进、出水口处的阀门，在储水箱中注入试验要求所需的用水量(根据试验次数估算用水量)，在水槽中注水4/5，安装试验要求的尺度的薄板；试验开始，开启水泵，打开连接水泵进、出水口处的阀门，储水箱中的水被水泵抽取，并以一定速度注入水槽中，水流冲击薄板转动，如果安装了挡杆，薄板将与挡杆发生碰撞。试验过程中，动态应变仪和智能信号采集处理分析仪采集了薄板和靶式流量计上应变的变化时间数据，角位移传感器数据采集板采集了转轴转角变化时间数据。这样，就通过试验，从系统角度掌握流体驱动力矩、转动角度位移、转动薄板上的应力应变之间的相互影响规律；为仿真方法提供试验参考值，为水下大尺度结构设计提供理论指导。

3、优点及功效：本发明一种模拟薄板水下冲击的试验装置的优点

(1)该试验装置结构简单、体积小节省空间，易于拆卸移动，造价低经济实用；

(2)测量元件安装联接方便，易于实施和测量。

(3)可以灵活的更换不同尺度的薄板，为研究流固耦合的尺度率规律提供了方便性。

(4)相比水洞来说，该试验装置节省水资源，做到了资源的节约。

(四)附图说明

图1本发明的模拟薄板在水下受到水流冲击的试验装置示意图

图2另一角度本发明的模拟薄板在水下受到水流冲击的试验装置示意图

图3转轴的中间轴的结构示意图

图中符号说明如下：一种模拟薄板水下冲击的试验装置

1储水箱；2PVC管；3水泵；4水槽；5蝶阀；6靶式流量计；7转轴；8轴承；9薄板；10应变片；11动态应变仪；12智能信号采集处理分析仪；13挡杆；14抱紧式弹性联轴器；15角位移传感器；16角位移传感器数据采集板；17储水箱出水口；18水泵入水口；19水泵出水口；20水槽进水口；21水泵所配的电机。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

见图1、图2和图3，本发明一种模拟薄板水下冲击的试验装置，它包括储水箱1；PVC管2；水泵3；水槽4；蝶阀5；靶式流量计6；转轴7；轴承8；薄板9；应变片10；动态应变仪11；智能信号采集处理分析仪12；挡杆13；抱紧式弹性联轴器14；角位移传感器15；角位移传感器数据采集板16和水泵所配的电机21。它们之间的位置连接关系是：

储水箱1置于地面，其侧面开口与PVC管2一端相连，PVC管2另一端与水泵3的水泵入水口18相连；储水箱1与PVC管2的相连处安装蝶阀5；取另一PVC管2将水泵出水口19与水槽进水口20相连，在水槽进水口20与该PVC管2相连处安装蝶阀5，在水槽进水口20和蝶阀5之间的PVC管2上端安装靶式流量计6；水槽4中临近进水口处竖直安装转轴7，转轴7两端通过轴承8与水槽4上下两端相连；转轴7中部开有通槽，薄板9插入通槽中，用垫片和螺栓固定；薄板9上贴有应变片10，薄板9和靶式流量计6上的应变片引出的导线连接动态应变仪11和智能信号采集处理分析仪12来采集应变变化时间数据；档杆13从水槽4上端面竖直插入到水槽下底面的圆形槽座中进行安装，此位置在薄板9从初始位置绕轴转动40°处；角位移传感器15通过抱紧式弹性联轴器14与转轴7柔性连接，角位移传感器15引出的导线与角位移传感器数据采集板16连接，采集转轴7转角变化时间数据；水泵所配的电机21与水泵3连接。

所述储水箱1是盒式结构的箱体，无上端面，两侧分别开口。一侧开口即储水箱出水口16用于水泵抽水；另一侧开口用于排水；

所述PVC管2为按需选购的市购件；

所述水泵3为离心泵，为按需选购的市购件。

所述水槽4上端面有约2/3敞开，侧面装有蝶阀5，另一侧面和底面分别装有排水阀和放水阀，用于提供流体域的试验环境；

所述蝶阀5为按需选购的市购件，与PVC管路用法兰盘连接。

所述靶式流量计6为自制件，该件由靶杆、靶杆支座和靶杆套筒组成；靶杆粘贴固定在靶杆支座上，靶杆外有靶杆套筒包裹，靶杆上端部露在靶杆套筒外面；靶杆为45#钢材料、片状结构，靶杆下端部表面贴有应变片10，靶杆套筒为PVC圆管，保护靶杆；靶杆支座为圆柱结构铝合金材料制成。

所述转轴7分为三部分，上半轴、中间轴和下半轴；上半轴和下半轴以轴承分别与水槽上下面轴向和径向固定连接；中间轴中间部分开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用一对联轴器相连；

所述轴承8是7207B角接触轴承，为市购标准件；

所述薄板9，是矩形板料，安装位置为，薄板9正面与进水口端面平行，与水流方向垂直；薄板9按照要求设计成不同比例尺寸，根据试验要求可以灵活的更换不同尺度的薄板；

所述应变片10，是矩形薄片，为按需选购的市购件，它粘贴在薄板9和靶式流量计6的靶杆上，用于测量薄板9和靶杆应变变化；

所述动态应变仪11和智能信号采集处理分析仪12为按需选购的市购件，用于采集应变片10的应变变化时间数据；

所述档杆13为圆柱体直杆，用于限制薄板9的转动角度；

所述抱紧式弹性联轴器14为按需选购的市购件，连接角位移传感器15和转轴7，提供柔性和变直径连接；

所述角位移传感器15为按需选购的市购件，用抱紧式弹性联轴器14与转轴7柔性连接，测量转轴转角变化；

所述角位移传感器数据采集板16为自制采集板，用于采集转轴转角变化时间数据。该角位移传感器数据采集板16为矩形电路板，电路板上有输入端口、输出端口和外接电源；

所述水泵所配的电机21与水泵3配套购置。

试验前，关闭排水口和放水口以及连接水泵3的进、出水口处的阀门，在储水箱1中注入试验要求所需的用水量(根据试验次数估算用水量)，在水槽4中注水4/5，安装试验要求的尺度的薄板9；试验开始，开启水泵3，打开连接水泵进、出水口处的阀门，储水箱1中的水被水泵3抽取，并以一定速度注入水槽4中，水流冲击薄板9转动，如果安装了挡杆13，薄板9将与挡杆13发生碰撞。试验过程中，动态应变仪11和智能信号采集处理分析仪12采集了薄板9和靶式流量计6上应变的变化时间数据，角位移传感器数据采集板16采集了转轴7转角变化时间数据。这样，就通过试验，从系统角度掌握流体驱动力矩、转动角度位移、转动薄板上的应力应变之间的相互影响规律；为仿真方法提供试验参考值，为水下大尺度结构设计提供理论指导。

Claims (1)

1.一种模拟薄板水下冲击的试验装置，其特征在于：它包括：储水箱、PVC管、水泵、水槽、蝶阀、靶式流量计、转轴、轴承、薄板、应变片、动态应变仪、智能信号采集处理分析仪、挡杆、角位移传感器、抱紧式弹性联轴器、角位移传感器数据采集板和水泵所配的电机；储水箱置于地面，其侧面底部开口与PVC管一端相连，PVC管另一端与水泵的进水口相连；储水箱与PVC管的相连处安装蝶阀；取另一PVC管将水泵的出水口与水槽的进水口相连，在水槽进水口与该PVC管相连处安装蝶阀，在水槽进水口和蝶阀之间的PVC管上端安装靶式流量计；水槽中临近进水口处竖直安装转轴，转轴两端通过轴承与水槽上下两端相连；转轴中部开有通槽，薄板插入通槽中，用垫片和螺栓固定；薄板上贴有应变片，薄板和靶式流量计上的应变片引出的导线连接动态应变仪和智能信号采集处理分析仪来采集应变变化时间数据；档杆从水槽上端面竖直插入到水槽下底面的圆形槽座中进行安装，此位置在薄板从初始位置绕轴转动40°处；角位移传感器通过抱紧式弹性联轴器与转轴柔性连接，角位移传感器引出的导线与角位移传感器数据采集板连接，采集转轴转角变化时间数据；水泵所配的电机与水泵连接；

所述储水箱是盒式结构的箱体，无上端面，两侧分别开口，一侧开口用于水泵抽水，另一侧开口用于排水；

所述PVC管为按需选购的塑料管；

所述水泵为按需选购的离心泵；

所述水槽上端面有约2/3敞开，侧面装有蝶阀，另一侧面和底面分别装有排水阀和放水阀，用于提供流体域的试验环境；

所述蝶阀为按需选购的阀门，与PVC管路用法兰盘连接；

所述靶式流量计由靶杆、靶杆支座和靶杆套筒组成；靶杆粘贴固定在靶杆支座上，靶杆外有靶杆套筒包裹，靶杆上端部露在靶杆套筒外面；靶杆为45#钢材料、片状结构，靶杆下端部表面贴有应变片，靶杆套筒为PVC圆管，保护靶杆；靶杆支座为圆柱结构铝合金材料制成；

所述转轴分为三部分，上半轴、中间轴和下半轴；上半轴和下半轴以轴承分别与水槽上下面轴向和径向固定连接；中间轴中间部分开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用一对联轴器相连；

所述轴承是按需选购的角接触轴承；

所述薄板，是矩形板料，安装位置为，薄板正面与进水口端面平行，与水流方向垂直；薄板按照要求设计成不同比例尺寸，根据试验要求更换不同尺度的薄板；

所述应变片，是矩形薄片，为按需选购的件，它粘贴在薄板和靶式流量计的靶杆上，用于测量薄板和靶杆应变变化；

所述动态应变仪和智能信号采集处理分析仪为按需选购的议器，用于采集应变片的应变变化时间数据；

所述档杆为圆柱体直杆，用于限制薄板的转动角度；

所述角位移传感器为按需选购的市购件，用抱紧式弹性联轴器与转轴柔性连接，测量转轴转角变化；

所述抱紧式弹性联轴器为按需选购的传感器，连接角位移传感器和转轴，提供柔性和变直径连接；

所述角位移传感器数据采集板为自制采集板，用于采集转轴转角变化时间数据；该角位移传感器数据采集板为矩形电路板，电路板上有输入端口、输出端口和外接电源；

所述水泵所配的电机与水泵配套购置。

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