CN102607802A - 一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置 - Google Patents

Abstract

一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，它包括支撑系统、流体机械系统、交流伺服电机系统和信号采集分析系统；交流伺服电机系统和流体机械系统的部件安装在支撑系统上，交流伺服电机系统驱动流体机械系统运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统上。本发明是一种由交流伺服电机驱动流体机械结构高速转动的试验装置，它主要用于验证各种流固耦合仿真算法的准确性和适用性；它能够部分代替复杂、昂贵的水洞试验设备，用于研究结构的动态响应与驱动参数之间的关系，通过分析试验数据，可以深入地探索流固耦合机理与尺度律等问题。

Description

一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置

(一)技术领域

本发明涉及一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，它是一种由交流伺服电机驱动流体机械结构高速转动的试验装置。它主要用于验证各种流固耦合仿真算法的准确性和适用性；它能够部分代替复杂、昂贵的水洞试验设备，用于研究结构的动态响应与驱动参数之间的关系。通过分析试验数据，可以深入地探索流固耦合机理与尺度律等问题。该试验装置能够为流体机械结构的设计提供理论依据，属于水利水电工程、海洋船舶工程和武器工业工程技术领域。

(二)背景技术

薄板是流体机械结构的基本单元。由于薄板受到交流伺服电机驱动，薄板的转速-时间关系，或者作用于薄板的驱动力矩-时间关系都是可以精确控制的。薄板在水中高速转动将会影响流场分布，水流将会导致薄板变形，这是流体-固体相互作用的复杂过程。具体的过程是：由于薄板的运动和变形，导致流体域的边界发生改变，进而影响流体域的压强分布，特别是流体作用在薄板表面的压强分布；同时，流体压强的作用也会影响薄板的变形趋势。

薄板受交流伺服电机驱动在水下绕转轴高速转动，是大位移、非线性和弹(塑)性变形的瞬态过程，即典型的流固耦合过程。在水泵、船舶等流体机械的螺旋桨(螺旋桨叶片相似于薄板)工作时，都会发生这种流固耦合过程。国内外对这类问题的理论和仿真分析正在逐步完善，但是基本没有涉及试验验证。对该问题进行试验分析，有助于准确地掌握流固耦合现象，并且可以评估仿真方法的准确性和适用性，还可以进一步地指导仿真模型修正工作，得到更加准确的仿真结果。运用试验装置进行试验的验证，是研究流固耦合问题的重要组成部分。

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，大多应用水洞试验装置。水洞试验装置虽然是流体力学试验研究的通用装置，但是有设备尺寸比较大，空间占用比较大，推动水流动的动力系统功率很大，能源消耗和试验费用很大等劣势。如果试验器件按照1∶1制作，制作周期较长，制作成本很高，试验过程中测量元件的安装和测试也不够方便。

因此，特别需要设计一个满足这一类问题研究需求的流固耦合试验装置，它既满足试验的基本要求，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。

(三)发明内容

1、目的：

本发明的目的是提供一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置。它针对水下高速转动机构，为仿真方法提供试验参考依据，以此评估仿真方法的准确性和适用性。通过试验，可以从系统的角度掌握转动速度、驱动力矩对于流体机械结构上应力、应变分布的影响。通过采用不同尺寸的水下结构进行试验，然后分析对比，可以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、高速运动的结构设计提供理论指导。同时，还可以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，本发明一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，它包括支撑系统、流体机械系统、交流伺服电机系统和信号采集分析系统。系统之间的相互关系是：交流伺服电机系统和流体机械系统的部分组件安装在支撑系统上，交流伺服电机系统驱动流体机械系统运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统上。

所述支撑系统由支架和托板组成，其位置和连接关系是：支架修建在水平地面；托板通过螺栓固定在支架的顶端。该支架由砖块、水泥等建筑材料修建，底面是正方形，正方形四个直角处筑造等高度的支柱，角与角之间设置有空间，表面喷涂防水涂料，用于固定托板和交流伺服电机。该托板是钢制的正方形板材，用于放置水箱。

所述流体机械系统由水箱、转轴、轴承、轴承座、弹性联轴器、薄板、档杆、蝶阀、排水阀等组成，其位置和连接关系是：水箱放置在托板顶端；在水箱一侧靠近侧壁的位置竖直安装转轴，转轴两端分别通过轴承和轴承座与水箱上、下端面连接；弹性联轴器安装在转轴的下端；薄板安装在转轴中段的通槽中，用垫片和螺栓固定；档杆从水箱上端面通孔处竖直插入到水箱下底面的圆形槽座中进行安装，在转轴附近；蝶阀安装在靠近转轴的水箱侧壁上；排水阀安装在水箱侧壁下端。该水箱是钢制的盒式结构，上端面有约2/3敞开，在四个侧壁的下边缘处焊接把手，用于提供流体域的试验环境。该转轴是钢制材料，分为上半轴、中间轴和下半轴三部分。上半轴和下半轴分别通过轴承和轴承座与水箱上、下面端面进行连接；中间轴在中间位置开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于插入螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用刚性联轴器相连。该刚性联轴器是钢制的定制件，连接上半轴、中间轴和下半轴，提供刚性连接。该轴承是角接触轴承，是市购标准件，型号是7207B，用于转轴定位。该轴承座是市购标准件，与角接触轴承的型号配套，用于安装轴承。该弹性联轴器是铝合金材质的定制件，用于连接转轴和转矩传感器，提供柔性和变直径连接。该薄板是钢制矩形板料，用于扰动流体域，实现流固耦合。该档杆是钢制圆柱体直杆，用于阻挡薄板，防止转动角度超过额定值。该蝶阀是市购标准件，型号是D71X-16，用于连接水管，进行注水和水流冲击流体机械结构类型的试验。该排水阀是市购标准件，型号是P20S，用于排出水箱里的水。

所述交流伺服电机系统由交流伺服电机、工控机、计算机等组成，其位置和连接关系是：计算机放置在操作平台，通过数据线连接工控机；工控机放置在操作平台，通过数据线连接交流伺服电机；交流伺服电机通过螺栓固定于支架，交流伺服电机输出轴通过弹性联轴器和转矩传感器下端连接。该交流伺服电机是市购件，型号是MDII-10，用于驱动转轴转动。该工控机是市购件，型号是MDME 092G1S，用于为交流伺服电机提供控制信号。该计算机是市购件，型号是Vostro 260，用于编制转速或者驱动力矩的控制程序，同时监控工控机和交流伺服电机的工作状态。

所述信号采集分析系统由应变片、转矩传感器、动态应变仪和智能信号采集分析仪等组成，其位置和连接关系是：转矩传感器的上端通过柔性联轴器与转轴下端连接，下端通过柔性联轴器与交流伺服电机输出轴连接，转矩传感器的导线连接工控机；在薄板表面的关键点(根据试验目的和需求选择关键点)处粘贴应变片，应变片的导线连接动态应变仪；动态应变仪通过数据线连接智能信号采集分析仪；动态应变仪和智能信号采集分析仪放置在操作平台。该应变片为市购标准件，型号规格是：BX120-3CA，用于测量薄板的动态应变。该转矩传感器是市购型号M100，用于采集驱动转轴的实时驱动力矩。该动态应变仪和智能信号采集分析仪是市购件，型号分别是SDY2102、INV306G(H)，用于采集和分析应变片产生的动态应变信号。

本发明工作流程如下：

试验前，关闭排水阀和蝶阀；水箱中注水4/5，安装试验要求的尺度的薄板，薄板处于实验要求的位置，接通试验设备的电源。试验开始，启动动态应变仪、智能信号数据采集分析仪、计算机、工控机和交流伺服电机；试验过程中，交流伺服电机按照给定信号驱动转轴，带动薄板转动，动态应变仪和智能信号采集分析仪采集薄板上应变片测出的动态应变数据。

3、本发明一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，它的优点是：

①试验装置结构紧凑、节省空间，易于移动、拆卸，造价低、经济实用；

②试验装置相对于水洞试验设备，节省水资源，耗电量低、节约能源；

③可以精确地控制薄板的转速，或者作用在薄板上的驱动力矩；

④可以灵活地更换不同尺度的薄板，为研究流固耦合的尺度率规律提供方便；

⑤测量元件安装联接方便，易于实施测量。

(四)附图说明

图1a本发明的薄板在水下受电机驱动的流固耦合试验装置结构正视图

图1b本发明的薄板在水下受电机驱动的流固耦合试验装置结构立体示意图

图2本发明的系统连接的示意图

图中符号说明如下：

1支架；2交流伺服电机；3水箱；4蝶阀；5排水阀；6转矩传感器；7弹性联轴器；8托板；9档杆；10轴承；11轴承座；12薄板；13上半轴；14中间轴；15刚性联轴器；16下半轴；17动态应变仪；18智能信号数据采集分析仪；19工控机；20计算机；21应变片。

(五)具体实施方式

本发明一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，它包括支撑系统、流体机械系统、交流伺服电机系统和信号采集分析系统。系统之间的相互关系是：交流伺服电机系统和流体机械系统的部分组件安装在支撑系统上，交流伺服电机系统驱动流体机械系统运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统上。

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

见图1a、图1b和图2，本发明一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，它包括：支架1；交流伺服电机2；水箱3；蝶阀4；排水阀5；转矩传感器6；弹性联轴器7；托板8；档杆9；轴承10；轴承座11；薄板12；上半轴13；中间轴14；刚性联轴器15；下半轴16；动态应变仪17；智能信号数据采集分析仪18；工控机19；计算机20；应变片21。它们之间的位置连接关系是：

支架1修建在水平地面，托板8固定在支架1上，水箱3放置在托板8上；水箱3侧壁位置分别安装蝶阀4和排水阀5；在水箱3中临近蝶阀4处竖直安装转轴，转轴由上半轴13、中间轴14和下半轴16通过刚性联轴器15连接成整体，转轴两端通过轴承10和轴承座11与水箱3上下两端相连；档杆9从水箱3上端面竖直插入到水箱3下底面的圆形槽座中进行安装；薄板12插入中间轴14的通槽中，用垫片和螺栓固定；薄板12上贴有应变片21，应变片21连接动态应变仪17，动态应变仪17连接智能信号采集处理分析仪18；交流伺服电机2通过弹性联轴器7与转矩传感器6弹性连接，转矩传感器6通过弹性联轴器7与下半轴16弹性连接；交流伺服电机2连接工控机19，工控机19连接计算机20。

试验前，关闭排水阀5和蝶阀4；水箱3中注水4/5，安装试验要求的尺度的薄板12，薄板12处于实验要求的位置，接通试验设备的电源。试验开始，启动动态应变仪17、智能信号数据采集分析仪18、计算机20、工控机19和交流伺服电机2；试验过程中，交流伺服电机2按照给定信号驱动转轴，带动薄板12转动，动态应变仪17和智能信号采集分析仪18采集薄板12上的应变片21测出的动态应变数据。通过试验，可以从系统的角度掌握转动速度、驱动力矩对于薄板12上应力、应变分布的影响。通过采用不同尺寸的水下结构进行试验，然后分析对比，可以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。

Claims (1)

1.一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置，其特征在于：它包括支撑系统、流体机械系统、交流伺服电机系统和信号采集分析系统；交流伺服电机系统和流体机械系统的部件安装在支撑系统上，交流伺服电机系统驱动流体机械系统运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统上；

所述支撑系统由支架和托板组成，支架修建在水平地面，托板通过螺栓固定在支架的顶端；该支架由砖块、水泥建筑材料修建，底面是正方形，正方形四个直角处筑造等高度的支柱，角与角之间设置有空间，表面喷涂防水涂料，用于固定托板和交流伺服电机；该托板是钢制的正方形板材，用于放置水箱；

所述流体机械系统由水箱、转轴、轴承、轴承座、弹性联轴器、薄板、档杆、蝶阀和排水阀组成；水箱放置在托板顶端，在水箱一侧靠近侧壁的位置竖直安装转轴，转轴两端分别通过轴承和轴承座与水箱上、下端面连接；弹性联轴器安装在转轴的下端；薄板安装在转轴中段的通槽中，用垫片和螺栓固定；档杆从水箱上端面通孔处竖直插入到水箱下底面的圆形槽座中进行安装，在转轴附近；蝶阀安装在靠近转轴的水箱侧壁上；排水阀安装在水箱侧壁下端；该水箱是钢制的盒式结构，上端面有约2/3敞开，在四个侧壁的下边缘处焊接把手，用于提供流体域的试验环境；该转轴是钢制材料，分为上半轴、中间轴和下半轴三部分，上半轴和下半轴分别通过轴承和轴承座与水箱上、下面端面进行连接；中间轴在中间位置开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于插入螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用刚性联轴器相连；该刚性联轴器是钢制的定制件，连接上半轴、中间轴和下半轴，提供刚性连接；该轴承是按需选购的角接触轴承，用于转轴定位；该轴承座是与角接触轴承的型号配套，用于安装轴承；该弹性联轴器是铝合金材质的定制件，用于连接转轴和转矩传感器，提供柔性和变直径连接；该薄板是钢制矩形板料，用于扰动流体域，实现流固耦合；该档杆是钢制圆柱体直杆，用于阻挡薄板，防止转动角度超过额定值；该蝶阀是按需选购的阀门，用于连接水管，进行注水和水流冲击流体机械结构类型的试验；该排水阀是按需选购的阀门，用于排出水箱里的水；

所述交流伺服电机系统由交流伺服电机、工控机、计算机组成，计算机放置在操作平台，通过数据线连接工控机；工控机放置在操作平台，通过数据线连接交流伺服电机；交流伺服电机通过螺栓固定于支架，交流伺服电机输出轴通过弹性联轴器和转矩传感器下端连接；该交流伺服电机用于驱动转轴转动；该工控机用于为交流伺服电机提供控制信号；该计算机是用于编制转速或者驱动力矩的控制程序，同时监控工控机和交流伺服电机的工作状态；

所述信号采集分析系统由应变片、转矩传感器、动态应变仪和智能信号采集分析仪组成，转矩传感器的上端通过柔性联轴器与转轴下端连接，下端通过柔性联轴器与交流伺服电机输出轴连接，转矩传感器的导线连接工控机；在薄板表面的关键点处粘贴应变片，应变片的导线连接动态应变仪；动态应变仪通过数据线连接智能信号采集分析仪；动态应变仪和智能信号采集分析仪放置在操作平台，该应变片为选购件，用于测量薄板的动态应变；该转矩传感器用于采集驱动转轴的实时驱动力矩；该动态应变仪和智能信号采集分析仪是选购件，用于采集和分析应变片产生的动态应变信号。

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