CN103528794B - 垂向多板造波机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水动力学实验研究技术领域，更具体地，涉及垂向多板造波机。垂向多板造波机，其中，包括水槽、设于水槽上的液压站、用于产生非线性波浪控制信号的计算机控制系统，还包括支架、与支架连接的执行器、与执行器铰接的造波板，计算机控制系统与液压站泵电连接，液压站与执行器连接，执行器用于带动造波板往复运动，所述的造波板由多块独立的造波板铰接而成。本发明能准确地输入垂向速度分布，造出比垂向单板造波机更复杂、更多变的波浪，并且提高了造波的精度和准确度。可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元和所需要的分板数量和大小，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强了系统操作灵活性和稳定性，降低了维护和保养成本。
Description
技术领域
本发明涉及水动力学实验研究技术领域，更具体地，涉及用于在水槽或水池生成高精度的规则波，不规则波，内波和内孤立波的造波机。
背景技术
在海洋工程及水动力试验测试领域，造波机是进行物理模型试验的一种必备装置。造波机通常设置在试验水槽或水池的一端，通过造波板的往复运动来制造波浪。由于实验研究的复杂性和多样性，往往要求造波机能够准确生成满足特定条件的波浪。现有的造波技术在垂向方向大多采用的是单板来回平推或摇摆，其垂向速度分布的形式是固定的，或是摇摆式的垂向线性速度分布，或是推板式垂向均匀速度分布形式，不能准确反映实际垂向非线性（如指数或双曲函数）速度分布。
垂向单板造波机的优点是简易直观，容易实现，但不能提供精确的波浪在垂向速度分布非线性的边界条件，如图1所示的传统摇摆式造波机和图2传统推板式造波机及模拟的垂向速度分布。然而在自然界中所有波浪现象在垂向的速度分布都是非线性的，即使是最简单的正弦波浪也是如此，例如在水深3米，波数为1的情况下，微幅正弦波的垂向速度分布见图3所示。沿垂直方向的流体质点速度的非线性变化规律是波浪的重要特征，故能否在边界处输入准确的垂向速度关系到所成波浪的品质，对于孤立波等垂直速度差异大的更是如此。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的不能准确地在边界输入非线性垂向速度分布的缺陷，提供垂向多板造波机，可以输入贴近实际的波浪非线性垂向速度分布，以提高水槽或水池非线性波浪（诸如内波，孤立波等）模拟的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：垂向多板造波机，其中，包括水槽、设于水槽上的液压站、用于产生非线性波浪控制信号的计算机控制系统，还包括支架、与支架连接的执行器、与执行器铰接的造波板，计算机控制系统与液压站连接，液压站与执行器连接，通过伺服阀控制执行器用于带动造波板往复运动，所述的造波板由多块独立的造波板铰接而成。
本方案中，计算机控制系统用于产生非线性波浪控制信号，将此信号发送给液压站和伺服阀，控制执行器产生动力，执行器带动造波板往复运动，由于造波板由多块独立的造波板铰接而成，通过不同的多块造波分板做不同幅度的往复直线运动和转动，达到在造波边界组合并构造出准确的垂向速度分布。
这样，就能够在较短的传播距离内造出比传统垂向单板推板式或摇摆式造波机系统更复杂、更多变的表面波和内波，特别是强非线性的表面波和内波，大大提高造波的精度和准确度,减小造波机的长度。根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元和所需要的分板数量和大小，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强了系统操作灵活性和稳定性，降低了维护和保养成本。
进一步的，所述的造波板由3块独立的造波板铰接而成，分别为设于上部的第一造波板、设于中部的第二造波板、设于下部的第三造波板，所述的第一造波板与第二造波板通过造波板第一铰接点铰接，所述的第二造波板与第三造波板通过造波板第二铰接点铰接。
本发明的第一方案：所述的执行器包括由上往下设置的第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器；第一执行器通过支架第一铰接点与支架铰接，第二执行器通过支架第二铰接点与支架铰接，第三执行器通过支架第三铰接点与支架铰接，第四执行器通过刚结点与支架刚性连接。所述的第一执行器上设有第一推杆，第一推杆通过第一推杆铰接点与第一造波板的上部铰接；第二执行器上设有第二推杆，第二推杆通过第二推杆铰接点与第一造波板、第二造波板铰接，且第二推杆铰接点与造波板第一铰接点重合；第三执行器上设有第三推杆，第三推杆通过第三推杆铰接点与第二造波板、第三造波板铰接，且第三推杆铰接点与造波板第二铰接点重合；第四执行器上设有第四推杆，第四推杆通过第四推杆铰接点与第三造波板的下部铰接。
上述第一方案中，推杆与各板的中心铰接，通过推杆的往复运动,控制板的直线运动，通过板与板之间的铰接，控制板的转动。铰接可以保持垂向运动速度剖面的连续性。
本发明的第二方案：所述的执行器包括由上往下设置的第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器；第一执行器通过支架第一铰接点与支架铰接，第二执行器通过支架第二铰接点与支架铰接，第三执行器通过刚结点与支架刚性连接，第四执行器通过刚结点与支架刚性连接。所述的第一执行器上设有第一推杆，第一推杆通过第一推杆铰接点与第一造波板的中部铰接；第二执行器上设有第二推杆，第二推杆通过第二推杆铰接点与第二造波板的中部铰接；第三执行器上设有第三推杆，第三推杆通过第三推杆铰接点与第三造波板的中部铰接，第四执行器上设有第四推杆，第四推杆通过第四推杆铰接点与第三造波板的下部铰接。
上述第二方案中，各板采用柔性板，推杆与两板三者铰接，通过不同推杆的不同往复运动速度,控制柔性板的直线运动和转动，各板之间的铰接同样保持了垂向运动速度剖面的连续性。
进一步的，所述的液压站与执行器连接处设有伺服阀，计算机控制系统与伺服阀连接。伺服阀控制输入执行器的液压油的流量和方向，达到控制分板的差异运动。所述伺服阀由计算机控制系统所控制。所述计算机控制系统有与外界链接的接口，便于加装设备和编程控制。
上述第一、第二方案中，所述的伺服阀包括由上往下设置的第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀和第四伺服阀，第一伺服阀与第一执行器连接，第二伺服阀与第二执行器连接，第三伺服阀与第三执行器连接，第四伺服阀与第四执行器连接。
本发明中，执行器为液压执行器，推杆为液压推杆，通过液压站产生驱动的动力，液压推杆进行往复的运动。
与现有技术相比，有益效果是：
1、能准确地输入垂向速度分布，造出比垂向单板造波机更复杂、更多变的波浪，并且提高了造波的精度和准确度。
2、可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元和所需要的分板数量和大小，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强了系统操作灵活性和稳定性，降低了维护和保养成本。
附图说明
图1是传统摇摆式单板造波机模拟的水平速度剖面。
图2是传统推板式造波机模拟的水平速度剖面。
图3是水深3米，波数为1的微幅波水平速度剖面示意图。
图4是本发明垂向多板（3块）模拟的分段水平速度剖面。
图5是本发明实施例1的整体纵向剖视图。
图6是本发明实施例1的整体俯视图。
图7是本发明实施例1的放大结构示意图。
图8是本发明实施例2的整体纵向剖视图。
图9是本发明实施例2的放大结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图4－7所示，垂向多板造波机，其中，包括水槽3、设于水槽3上的液压站2、用于产生非线性波浪控制信号的计算机控制系统6，还包括支架7、与支架7连接的执行器4、与执行器4铰接的造波板1，计算机控制系统6与液压站2和伺服阀连接，液压站2与执行器连接，执行器4用于带动造波板1往复运动，造波板1由多块独立的造波板铰接而成。
本实施例中，计算机控制系统6用于产生非线性波浪控制信号，将此信号发送给液压站2和伺服阀，伺服阀控制执行器4产生动力，执行器4带动造波板1往复运动，由于造波板1由多块独立的造波板铰接而成，通过不同的多块造波分板做不同幅度的往复直线运动和转动，达到在造波边界组合并构造出准确的垂向速度分布。
这样，就能够在较短的传播距离内造出比传统垂向单板推板式或摇摆式造波机系统更复杂、更多变的表面波和内波，特别是强非线性的表面波和内波，大大提高造波的精度和准确度,减小造波机的长度。根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元和所需要的分板数量和大小，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强了系统操作灵活性和稳定性，降低了维护和保养成本。
如图7中，造波板1由3块独立的造波板铰接而成，分别为设于上部的第一造波板11、设于中部的第二造波板12、设于下部的第三造波板13，第一造波板11与第二造波板12通过造波板第一铰接点111铰接，第二造波板12与第三造波板13通过造波板第二铰接点112铰接。
本实施例中，执行器4包括由上往下设置的第一执行器41、第二执行器42、第三执行器43、第四执行器44；第一执行器41通过支架第一铰接点71与支架铰接，第二执行器42通过支架第二铰接点72与支架铰接，第三执行器43通过支架第三铰接点73与支架铰接，第四执行器44通过刚结点74与支架刚性连接。第一执行器41上设有第一推杆411，第一推杆411通过第一推杆铰接点411A与第一造波板11的上部铰接；第二执行器42上设有第二推杆421，第二推杆421通过第二推杆铰接点421A与第一造波板11、第二造波板12铰接，且第二推杆铰接点421A与造波板第一铰接点111重合；第三执行器43上设有第三推杆431，第三推杆431通过第三推杆铰接点431A与第二造波板12、第三造波板13铰接，且第三推杆铰接点431A与造波板第二铰接点112重合；第四执行器44上设有第四推杆441，第四推杆441通过第四推杆铰接点441A与第三造波板13的下部铰接。
本实施例中，推杆与各板的中心铰接，通过推杆的往复运动,控制板的直线运动，通过板与板之间的铰接，控制板的转动。铰接可以保持垂向运动速度剖面的连续性。
液压站2与执行器4连接处设有伺服阀5，计算机控制系统6与伺服阀5连接。伺服阀5包括由上往下设置的第一伺服阀51、第二伺服阀52、第三伺服阀53和第四伺服阀54，第一伺服阀51与第一执行器41连接，第二伺服阀52与第二执行器42连接，第三伺服阀53与第三执行器43连接，第四伺服阀54与第四执行器44。伺服阀控制所输入液压大小和时机，达到控制分板的差异运动。伺服阀5和液压站2由计算机控制系统6所控制。所述计算机控制系统有与外界链接的接口，便于加装设备和编程控制。
本实施例中，执行器为液压执行器，推杆为液压推杆，通过液压站产生驱动的动力，液压推杆进行往复的运动。
实施例2
如图8、9中，执行器4包括由上往下设置的第一执行器41、第二执行器42、第三执行器43、第四执行器44；第一执行器41通过支架第一铰接点71与支架铰接，第二执行器42通过支架第二铰接点72与支架铰接，第三执行器43通过刚结点74与支架刚性连接，第四执行器44通过刚结点75与支架刚性连接。。第一执行器41上设有第一推杆411，第一推杆411通过第一推杆铰接点411A与第一造波板11的中部铰接；第二执行器42上设有第二推杆421，第二推杆421通过第二推杆铰接点421A与第二造波板12的中部铰接；第三执行器43上设有第三推杆431，第三推杆431通过第三推杆铰接点431A与第三造波板13的中部铰接，第四执行器44上设有第四推杆441，第四推杆441通过第四推杆铰接点441A与第三造波板13的下部铰接。伺服阀5包括由上往下设置的第一伺服阀51、第二伺服阀52、第三伺服阀53，第一伺服阀51与第一执行器41连接，第二伺服阀52与第二执行器42连接，第三伺服阀53与第三执行器43连接，第四伺服阀54与第四执行器44连接。
本实施例中，各板采用柔性板，推杆与两板三者铰接，通过不同推杆的不同往复运动速度,控制柔性板的直线运动和转动，各板之间的铰接同样保持了垂向运动速度剖面的连续性。
本实施例的其余结构及工作原理与实施例1雷同，在此不再叙述。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.垂向多板造波机，其特征在于，包括水槽（3）、设于水槽（3）上的液压站（2）、用于产生非线性波浪控制信号的计算机控制系统（6），还包括支架（7）、与支架（7）连接的执行器（4）、与执行器（4）铰接的造波板（1），计算机控制系统（6）与液压站（2）电连接，液压站（2）与执行器（4）连接，执行器（4）用于带动造波板（1）往复运动，所述的造波板（1）由多块独立的造波板铰接而成；
所述的造波板（1）由垂向多块造波板链接而成，分别为设于上部的第一造波板（11）、设于中部的第二造波板（12）、设于下部的第三造波板（13），所述的第一造波板（11）与第二造波板（12）通过造波板第一铰接点（111）铰接，所述的第二造波板（12）与第三造波板（13）通过造波板第二铰接点（112）铰接；
所述的执行器（4）包括由上往下设置的第一执行器（41）、第二执行器（42）、第三执行器（43）、第四执行器（44）；第一执行器（41）通过支架第一铰接点（71）与支架铰接，第二执行器（42）通过支架第二铰接点（72）与支架铰接，第三执行器（43）通过支架第三铰接点（73）与支架铰接，第四执行器（44）通过刚结点（74）与支架刚性连接。
2.根据权利要求1所述的垂向多板造波机，其特征在于，所述的第一执行器（41）上设有第一推杆（411），第一推杆（411）通过第一推杆铰接点（411A）与第一造波板（11）的上部铰接；
第二执行器（42）上设有第二推杆（421），第二推杆（421）通过第二推杆铰接点（421A）与第一造波板（11）、第二造波板（12）铰接，且第二推杆铰接点（421A）与造波板第一铰接点（111）重合；
第三执行器（43）上设有第三推杆（431），第三推杆（431）通过第三推杆铰接点（431A）与第二造波板（12）、第三造波板（13）铰接，且第三推杆铰接点（431A）与造波板第二铰接点（112）重合；
第四执行器（44）上设有第四推杆（441），第四推杆（441）通过第四推杆铰接点（441A）与第三造波板（13）的下部铰接。
3.根据权利要求1所述的垂向多板造波机，其特征在于，所述的液压站（2）与执行器（4）连接处设有伺服阀（5），计算机控制系统（6）与伺服阀（5）电连接。
4.根据权利要求3所述的垂向多板造波机，其特征在于，所述的伺服阀（5）包括由上往下设置的第一伺服阀（51）、第二伺服阀（52）、第三伺服阀（53）和第四伺服阀（54），第一伺服阀（51）与第一执行器（41）连接，第二伺服阀（52）与第二执行器（42）连接，第三伺服阀（53）与第三执行器（43）连接，第四伺服阀（54）与第四执行器（44）连接。
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