CN104091511A - 一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统 - Google Patents

Abstract

一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统，由模拟箱、伺服电机、变速器、转盘、连杆和摇板装置组成，伺服电机、传动轴和变速器固定在模型箱顶盖的上表面，伺服电机的输出轴通过同步皮带轮连接传动轴上端，传动轴下部装有变速器，传动轴下端安装有转动圆盘，转动圆盘的中心孔与传动轴输出端刚性连接；转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端和摇板的第一端可转动连接，摇板的第一端穿过模型箱顶盖上的滑槽和连杆可旋转连接。本发明在离心机上将电机输出的旋转力转变成沿直线双向循环运动力驱动摇板，实现了对所设计的波浪荷载的精确化模拟与控制。

Description

一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统

技术领域

本发明用于超重力场离心机造波模型试验中，将造波机的伺服电机转轮的转动运动变成能推动摇板的单向循环往复运动。

背景技术

土工离心模型试验已经广泛应用于多个领域，解决了许多复杂的关键技术问题，特别是土和结构的静力相互作用问题。但对于波浪循环荷载作用下的结构物和地基动力相互作用问题的研究还不够深入，只停留在一些机理的探讨上。在离心模型试验中要研究波浪荷载作用下地基土层与结构的动力相互作用，其技术瓶颈在于超重力作用下波浪的模拟与实现，迫切需要研发一套可在高离心加速度条件下使用的造波机系统。该系统的研发对于探索海洋复杂环境下工程建筑物的变形与受力机理，推动海上建筑物的设计与优化，进而促进我国海洋工程技术的发展具有十分重要的意义。

对于超重力场中波浪荷载的模拟已有一些研究，主要包括三种方法：(1)拟静力法。即将波浪极限荷载作为一个集中力，利用静力加载装置将该荷载施加于结构物上，现行港工规范推荐的波浪荷载计算方法就是拟静力法；(2)模拟波浪力法。即采用某一装置，对工程结构物施加模拟波浪力(循环荷载)。加载装置对于工程结构物施加力的过程可以是接触式(如采用锤击或施加机械力)，也可以是非接触式(如采用交变电磁力施加)。(3)造波设备施加。在离心力场中利用造波设备产生模拟波浪，直接作用于工程建筑物，这种方法在鼓型离心机中研究得较多。就目前的研究来看，由于离心力场中造波的理论与模拟技术还不太完善，离心力场中造波设备也比较复杂，因此绝大多数有关波浪荷载的研究主要采用前面两种方法。离心机造波设备只在个别小型臂式离心机和鼓型离心机中实现，仅限于一些机理性的研究。

近年来世界各国都在加大对海洋的开发力度，迫切需要掌握复杂条件下“波浪—地基—结构物动力相互作用机理，”为离岸结构的设计提供技术支撑。作为唯一能在缩尺模型尺度和真实应力场条件下再现原型过程的有效手段，相应的超重力场中造波机系统是实现这一目的的前沿实验装置。

因此，开发一种超重力场中的造波机系统来模拟超重力场中真实波浪荷载的能力变得十分必要，而要在离心机上设置造波机系统，其关键为设计出力转换系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于超重力场中摇板式造波机的力转换系统，该系统能反映波浪的所有特征，包括能控制波浪的频率、波长和幅值，能在离心加速度120g条件下正常工作，能模拟超过60m水深条件，波浪作用的长度范围大于120m。

实现本发明目的的技术方案是：一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统，由模拟箱、伺服电机、变速器、转动圆盘、连杆和摇板装置组成，伺服电机、传动轴和变速器固定在模型箱顶盖的上表面，伺服电机的输出轴通过同步皮带轮连接传动轴上端，传动轴下部装有变速器，传动轴下端安装有转动圆盘，转动圆盘的中心孔与传动轴输出端刚性连接；转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端和摇板的第一端可转动连接，摇板的第一端穿过模型箱顶盖上的滑槽和连杆可旋转连接。

作为本发明的进一步改进，所述摇板装置还包括滑动轨道，滑动轨道固定在滑槽上，所述摇板的第二端设置滑动轨道上，与滑动轨道可滑动连接。在转动圆盘转动时，滑动轨道能使连杆保持在平面内做自由摆动，没有滑动轨道支撑时连杆可能在垂直平面上略有倾斜，这样容易导致摆动不畅，影响造波效果。

对上述技术方案说明如下：

超重力场中摇板式造波机工作原理

拟建造波机系统是基于常规重力条件下(1g)的造波理论，将其移植至超重力场中。对于如图1所示的波浪水槽，电机驱动摇板板做往复运动，产生波浪。假设水槽水深为H，水面处摇板摇幅为E，摇板水面下垂直深度为l，波浪的频率为f，周期为T，波长为λ，波幅为A，波数为k，角频率为ω。根据波浪理论，角频率、频率、周期之间有如下关系：

$\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf}=\frac{2\mathrm{\π}}{T}---\left(1\right)$

造波机产生的波浪频率由电机的转速控制，通过控制电机的转速来得到所需要的波浪频率或周期。频率f和波长λ之间的关系为：

$f=\sqrt{\frac{g}{2\mathrm{\π\λ}}}---\left(2\right)$

式中，g为重力加速度。可见，由于频率取决于电机的转速，波长同样也取决于电机的转速，波长越长，频率越低。角频率ω和波数k之间的关系为：

ω²＝k·g·tanh(kH)  (3)

从上式可知，波数k与频率和水槽深度H有关，当水槽深度固定时，波数完全由频率(电机的转速)确定。根据微波幅理论，可以推导出波幅A和摆幅E的关系为：

A＝M·E  (4)

$M=\frac{2\sinh \left(\mathrm{kH}\right)[\mathrm{kl}\sinh \left(\mathrm{kH}\right)-\cosh \left(\mathrm{kH}\right)-\cosh \left(k(H-l)\right)]}{\mathrm{kl}[\mathrm{kH}+\sinh \left(\mathrm{kH}\right)\cosh \left(\mathrm{kH}\right)]}---\left(5\right)$

从上式可以发现，波浪的幅值取决于摆幅E、波数k(或频率)、水槽的深度H以及摇板水面下垂直深度l。对于一个实际的波浪水槽，当H和l固定时，所造波浪的特征值由摆幅和电机的转速决定。因此，对于常规波浪水槽的设计，需要考虑水槽的深度和长度、摇板的有效长度、摆幅的大小、电机的转速和功率等主要因素。

力转换系统工作原理

力转换系统是用来将圆周运动转变为双向直线运动，达到控制摇板双向摆动的目的。变速器输出轴下端连接一转动圆盘，在转动圆盘不同直径上加工偏心孔，这些偏心孔通过连接件与连杆连接。由于偏心孔距圆心的位置不同，这样连杆连接轴做圆周运动的半径就不同。连杆的另一端通过轴承与摇板相连，而摇板的顶端只能沿直线轨道运动。力转换系统的工作原理如图2所示，设圆盘上的A点坐标为(x₀，y₀)，转动半径为R，连杆长度为S。C点为摇板的顶点，其坐标为(x₁，0)，AB垂直于OC。从图中可以发现：

OA＝R  (7)

AC＝S  (8)

AB＝R·sinθ  (9)

OB＝R·cosθ  (10)

BC＝x₁-R·cosθ  (11)

因为

AB²-BC²＝AC²  (12)

所以

(R·sinθ)²-(x₁-R·cosθ)²＝S²  (13)

解得：

$x_1=R\·\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{S^2-{(R\·\sin \mathrm{\θ})}^2}=R\·\cos {\mathrm{\ω}}^{\′}t+\sqrt{S^2-{(R\·\sin {\mathrm{\ω}}^{\′}t)}^2}---\left(14\right)$

上式中，ω＇为伺服电机角频率，对于周期性的规则波浪，与波浪角频率相同。可以发现，C点的运动轨迹为简谐振动方程，其周期由伺服电机角频率ω＇决定，幅值由转动半径R和连杆的长度S来决定。

设计波浪的转换生成

由图2可以看出，摇板的摆幅：

E＝1/2[(S-R)+(S+R)]＝R  (15)

通过力转换系统，欲设计波幅A、圆频率为ω的波浪，由3式、4式、5式可得：

ω²＝k·g·tanh(kH)＝ω^＇2  (16)

A＝MR  (17)

本发明具有下列优点和积极效果：

本发明在离心机上将电机输出的旋转力转变成沿直线双向循环运动力驱动摇板，实现了对所设计的波浪荷载的精确化模拟与控制。

附图说明

图1是摇板式造波机原理图；

图2是力转换系统工作原理图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是图3的俯视图。

图3、图4中：1-电机；2-皮带；3-变速器；4-传动轴；5-转动圆盘，5-1-偏心孔；6-连接件，6-1-滚珠轴承；7-连杆，7-1-连杆第一端，7-2-连杆第二端；8-滑动轨道；9-摇板装置，9-1-摇板支座，9-2固定板，9-2-1-连接轴承，9-3-摇板，9-3-1-摇板第一端，9-3-2-摇板第二端；10-模型箱，10-1-模型箱顶盖，10-2-模型箱底板。

具体实施方式

如图3和4所示，力转换系统由转动圆盘5、连杆7和滑动轨道8组成。与力转换系统相关的电机1、变速器3和传动轴4固定在模型箱顶盖10-1的上表面，电机1的输出轴通过同步皮带2连接传动轴输入端，传动轴4下部装有变速器3，可通过变速器3调节传动轴4的转速进而控制转动圆盘5的转速，传动轴4的下端安装有转动圆盘5，转动圆盘5中心孔与传动轴4输出轴用螺栓刚性连接。转动圆盘5上有一系列的偏心孔5-1，每个偏心孔5-1与转动圆盘圆心的距离不同，这样，就可以调整转动半径的大小，控制连杆7的行程，从而控制摇板9-3的摆幅。当设计出一个转动半径后，在此转动半径的偏心孔5-1上，用连接件6将转动圆盘5与连杆7连接在一起，转动圆盘5上固定一个滚珠轴承6-1，连杆7上固定一个滚珠轴承6-1，两个滚珠轴承的圆心在同一铅垂线上，保证转动圆盘绕连接件转动，同时保证转动圆盘5转动时，连杆7第一端7-1能在水平面上自由摆动。在连杆7的第二端7-2与摇板9-3同样用滚珠轴承相连，保证连杆第二端7-2也能在平面上自由摆动。摇板装置9包括支座9-1、固定板9-2和摇板9-3，摇板的第一端9-3-1穿过模型箱顶盖上的滑动轨道8和连杆第二端7-2可旋转连接。当伺服电机1带动转动圆盘5转动时，连杆第二端7-7做直线往复运动，带动摇板9-3左右摆动。

Claims (2)

1. 一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统，由模拟箱、伺服电机、变速器、转盘、连杆和摇板装置组成，其特征是，伺服电机、传动轴和变速器固定在模型箱顶盖的上表面，伺服电机的输出轴通过同步皮带轮连接传动轴上端，传动轴下部装有变速器，传动轴下端安装有转动圆盘，转动圆盘的中心孔与传动轴输出端刚性连接；转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端和摇板的第一端可转动连接，摇板的第一端穿过模型箱顶盖上的滑槽和连杆可旋转连接。

2. 根据权利要求1所述的力转换系统，其特征是，所述摇板装置还包括滑动轨道，滑动轨道固定在滑槽上，所述摇板的第二端设置滑动轨道上，与滑动轨道可滑动连接。