CN104123866B - 一种船模强迫横摇实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种船模强迫横摇实验装置，包括固定装置、控制与驱动装置和数据采集装置，固定装置包括底板和安装在底板上的框架，还包括曲柄导轨移动装置和连杆驱动装置，曲柄导轨移动装置包括安装在直线导轨支座上的一号水平导轨及二号水平导轨、与一号水平导轨及二号水平导轨配合的一号滑块及二号滑块、与两个滑块固连的竖直导轨、与竖直导轨配合的竖直滑块和与竖直滑块连接的曲柄，所述曲柄中间位置和控制与驱动装置连接，所述连杆驱动装置包括推杆和连杆，推杆的一端与一号滑块固连、另一端与连杆连接，连杆的下端与数据采集装置连接。本发明结构简单、操作方便、易于加工和制造，用于船舶横摇水力学性能的试验研究。

Description

一种船模强迫横摇实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种船模强迫横摇实验装置。

背景技术

当船舶航行于风浪环境中时，易发生横摇运动，成为船舶设计与航行安全中最为关注的问题之一。船舶横摇运动是构成船舶安全威胁最为危险的摇荡运动，是导致船舶倾覆的最主要原因。由于横摇运动中可能出现的舭部流动分离、漩涡泄出以及某些非线性特征，如跳跃，分叉等，使得准确预报船舶在波浪中的横摇特性成为一个挑战。要准确确定横摇阻尼，最直观的方法便是船模横摇实验。开设船模强迫横摇实验不仅能直观确定船舶横摇阻尼，而且对专业知识的传授、学生动手能力的培养和学生未来的工作应用显得尤为重要。开发船模强迫横摇实验装置成为解决上诉问题的关键。

经检索发现，专利申请号为20120532878.0，授权公布号为CN102982709A的实用新型专利“一种船模静力学实验装置”，包括控静力学水槽1、连接架2、姿态仪3和数据采集与分析处理部分。姿态仪包括支撑框架29、支撑柱30、线位移传感器39、纵摇角位移传感器51、横摇角位移传感器65等等，用于实现船模升沉、垂荡、纵倾、纵摇、横倾、横摇的测量，包括垂向测量部分和角度测量部分。垂向测量部分用于实现升沉和垂荡的测量，角度测量部分用于实现纵倾、纵摇、横倾和横摇的测量。数据采集与分析处理部分用于采集和分析船模的升沉、垂荡、纵倾、纵摇、横倾和横摇。数据采集与分析处理系统包括数据采集器5和数据采集与分析处理软件8，可实现3通道数字信号的采集与分析处理。从而实现船模的强制六个自由度运动与数值处理分析。该实验装置主要用于船模浮态调整实验教学和船模倾斜实验教学，着重于船模发生横摇时横摇角位移等信息数据的采集，也可用于浮体模型水力学性能的试验研究。

经检索发现，文章“船模强制运动装置可行性方案分析与设计”中，涉及一种船模强制运动装置，该装置以AWD直线运动平台和曲柄滑块机构作为核心运动构件，实现船模的强制六个自由度运动。该装置同时具备了驱动船模做横向、垂向，以及纵向运动的路径与结构形式，可以实现船模的强制横摇、横荡、首摇、纵摇、升沉、及横向运动之间、垂向运动之间、横向运动与垂向运动之间的某些组合运动模式，并设计出恰当的结构形式用于船模与装置的连接，使船模尽可能在指定方向上受到拘束力的作用，而在其它方向上具有充分的自由度。而针对船模强迫横摇，论文中方案二主要利用电机带动两个偏置式曲柄滑块机构，从而实现船模强制横摇运动。方案二针对强制横摇运动主要是利用偏置式曲柄滑块机构，由电机转动带动偏心曲柄从而带动滑块沿直线作往复运动。虽然滑块沿滑轨的位移具有对称性和周期性，但滑块位移随时间变化曲线中同周期内波峰和波谷不严格对称，不满足简谐运动规律。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种适用于高等学校船舶专业实验教学中主要用于船模强迫横摇实验教学、也适用于浮体模型强迫横摇水力学性能的试验研究的船模强迫横摇实验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括固定装置、控制与驱动装置和数据采集装置，固定装置包括底板和安装在底板上的框架，所述框架包括电机支座和直线导轨支座，所述船模强迫横摇实验装置还包括曲柄导轨移动装置和连杆驱动装置，曲柄导轨移动装置包括安装在直线导轨支座上的一号水平导轨及二号水平导轨、与一号水平导轨及二号水平导轨配合的一号滑块及二号滑块、与两个滑块固连的竖直导轨、与竖直导轨配合的竖直滑块和与竖直滑块连接的曲柄，所述曲柄中间位置和控制与驱动装置连接，所述连杆驱动装置包括推杆和连杆，推杆的一端与一号滑块固连、另一端与连杆连接，连杆的下端与数据采集装置连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述控制与驱动装置包括电源、电机电源、减速电机、开关电源和信号发射器，电源、电机电源和减速电机之间用电线连接，信号发生器、开关电源与电机电源之间用数据线连接，减速电机安装在电机支座上，所述曲柄中间位置和控制与驱动装置连接是指减速电机的输出轴插在曲柄中间位置的孔里。

2.连杆驱动装置的连杆上套装转动空心轴承，转动空心轴承外部安装支撑球头，支撑球头与推杆固定连接。

3.数据采集装置包括固定板、测力矩天平和角位移传感器，连杆穿过法兰盘中心位置的开孔与固定板固定连接，测力矩天平和角位移传感器固定安装在法兰盘与固定板之间连杆的两侧。

4.所述曲柄上不同位置处设置多个开孔，竖直滑块连接在一个开孔处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在用途、工作原理、结构组成和形式上与现有技术完全不同。本发明具有专业化功能的特点，适用于船模强制横摇实验教学，用于研究浮体强制横摇水动力性能研究；实验可靠性强，本发明通过曲柄导轨移动装置得到准确的正弦规律的横摇运动；实验精度高，直线导轨的应用最大程度上减少摩擦，降低实验误差值，提高实验精度；外形简单，具有较好的强度保证；易于加工和制造，成本低，拆装、搬运、使用、操作方便。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明某个幅值的状态示意图；

图3是本发明固定装置结构示意图；

图4是本发明控制与驱动装置结构示意图；

图5是本发明曲柄导轨移动装置结构示意图；

图6是本发明连杆驱动装置结构示意图；

图7是本发明数据采集装置结构示意图；

图8是本发明数据采集与分析处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明包括固定装置1、控制与驱动装置2、曲柄导轨移动装置3、连杆驱动装置4和数据采集装置5。

如图3所示：固定装置1是钢材框架结构，包括底板15和安装在底板15上的钢材框架，所述钢材框架包括安装在底板15上的电机支座和直线导轨支座以及用于连接底板15和电机支座、底板15和直线导轨支座的支撑角板，底板15是一块普通碳钢底板15，电机支座包括四根竖直槽钢(1号竖直槽钢17两根，2号竖直槽钢18两根)、两根上横槽钢(1号上横槽钢19，2号上横槽钢20)、两根下横槽钢(1号下横槽钢21，2号下横槽钢22)和一块普通碳钢面板16；直线导轨支座包括两根竖直槽钢(3号竖直槽钢24，4号竖直槽钢25)、一根斜槽钢26、一根上横槽钢(3号上横槽钢27)、一根中横槽钢(3号中横槽钢29)、一根下横槽钢(3号下横槽钢28)；支撑角板包括四块角撑板(1号角撑板31两块，3号角撑板32两块)，支撑角板可以使装置更加牢固、可靠性好，开孔23用于穿过减速电机一端的螺孔结构，开孔30用于固定直线导轨。

如图4所示：控制与驱动装置2包括减速电机6、电机电源7、信号发射器8、开关电源9、数据线10以及电线11和电源12，电源12、电机电源7和减速电机6之间用电线11连接，信号发生器8、开关电源9与电机电源7之间用数据线10连接，减速电机6安装在电机支座上。电机电源7接收到信号发射器8发出方形波信号，通过内部转换处理方形波信号，通过数据线10输送相应周期的转速信号到减速电机6上，减速电机6根据信号开始转动。当从电机电源7处接收到的转动频率高于电机的直接输出转动频率最大值时，减速电机6进行减速，通过放大自身的频率信号，调整至要求的转动周期。

如图5和图6所示：曲柄导轨移动装置3包括安装在直线导轨支座上的一号水平导轨33及二号水平导轨34、与一号水平导轨33及二号水平导轨34配合的一号滑块及二号滑块、与两个滑块36固连的竖直导轨37、与竖直导轨37配合的竖直滑块38和与竖直滑块38连接的曲柄39，1号水平直线导轨33用螺栓35固定在直线导轨支座上，所述曲柄39的中间位置和控制与驱动装置2连接，曲柄39的中心位置处设置开孔40并通过连接构件45与减速电机6的输出轴配合，也即减速电机6的输出轴插在曲柄39中间位置的孔里，实现减速电机6转动时曲柄39跟着转动，为船模强迫横摇提供外激励。曲柄39不同半径处的开孔41通过连接构件44与滑块38连接，可以实现要求角度的横摇实验，滑块38与曲柄39有一定的平面距离，保证曲柄39转动时不会与滑块38或者竖直直线导轨37发生碰撞。推杆42与1号水平直线导轨33上的滑块36固定连接，推杆42厚度满足曲柄39转动时不会碰到推杆42，两者之间有一定的平面距离。连杆驱动装置4包括推杆42和连杆47，推杆42的一端与一号滑块固连、另一端与连杆42连接，连杆47的下端与数据采集装置4连接，连杆驱动装置4还包括支撑球头48和转动空心轴承49，连杆驱动装置4的连杆47上套装转动空心轴承49，转动空心轴承49外部安装支撑球头48，支撑球头48与推杆42固定连接，空心轴承49在支撑球头48内能相对转动。支撑球头48随着推杆42做简谐运动，空心轴承49能与支撑球48发生相对转动，而连杆47的一端通过空心轴承49的竖直开孔，也即空心轴承49套在连杆47上，连杆47的另一端通过数据采集装置5与船模固定连接。由于船模纵向定轴固定，当横向推杆42带着支撑球头48做横向运动时，空心轴承49转动，实现水平方向推杆42与连杆47的铰接，连杆47驱动船模绕着纵向定轴作横摇运动。

如图7所示：数据采集装置5包括测力矩天平13、角位移传感器14、法兰盘50和固定板51。连杆47通过法兰盘上的开孔52与固定板51固连，法兰盘50与连杆47固定连接，测力矩天平13和角位移传感器14固定安装在法兰盘50与固定板51之间连杆47的两侧，可以稳定的采集数据，采集到的数据通过计算机后处理得到实验需要的数据信息。

如图8所示：一种船模强迫横摇学实验装置的工作原理及工作过程：一种船模强迫横摇学实验装置主要用于船模强迫横摇实验教学，也可用于浮体横摇水力学性能的试验研究。以实验教学应用为例，实验前，用数据线10将电机电源7与信号发射器8连接，用数据线10将开关电源9与电机电源7和信号发射器8连接，用数据线10将电机电源7与减速电机6连接。然后，对测力矩天平13和角位移传感器14进行标定。将曲柄39拨到竖直状态，滑块38位移最高点。实验时，电线11将电机电源7与电源12连接，在信号发射器8中输入要求的横摇运动频率相应的方波信号，启动电机电源7，减速电机6收到信号开始转动，从而与减速电机相连的曲柄39开始作匀速圆周运动。由于滑块38与曲柄39连接，所以当曲柄39转动时，滑块38位置变化情况等同于曲柄39上开孔41位置变化情况。曲柄39作圆周运动带动滑块38给予其外激励时，滑块38受到水平方向和竖直方向的力。由于曲柄39与滑块38之间的连接构件44能发生同位置点相对转动，竖直的力驱使滑块沿竖直直线轨道37上下运动，而水平的力驱使与竖直直线导轨37相连的滑块36沿水平直线轨道33，34作水平方向的运动。这样，通过滑块38将曲柄39的水平方向运动分解出来，体现在滑块36沿水平直线导轨作直线运动。推杆42与滑块36刚性连接，推杆42在滑块36的驱动下作与滑块36同规律的水平运动。推杆42与连杆47通过杆端关节轴承铰链接，杆端关节轴承中支撑球头48与推杆42刚性连接，随着推杆42做作同规律的水平方向直线运动。由于船模纵向定轴固定，当42推杆带着支撑球头48做横向运动时，空心轴承49转动。由于连杆47穿过空心轴承49开孔，当空心轴承49发生转动时，连杆47沿着轴向滑动并发生偏斜，带动与其固定连接的船模绕纵向定轴发生转动，产生横摇角位移。电机转动完整周期个数，带动整个实验装置，完成船体完整周期个数的强迫横摇运动，实验完毕。

Claims (9)

1.一种船模强迫横摇实验装置，包括固定装置、控制与驱动装置和数据采集装置，固定装置包括底板和安装在底板上的框架，所述框架包括电机支座和直线导轨支座，其特征在于：所述船模强迫横摇实验装置还包括曲柄导轨移动装置和连杆驱动装置，曲柄导轨移动装置包括安装在直线导轨支座上的一号水平导轨及二号水平导轨、与一号水平导轨及二号水平导轨配合的一号滑块及二号滑块、与两个滑块固连的竖直导轨、与竖直导轨配合的竖直滑块和与竖直滑块连接的曲柄，所述曲柄中间位置和控制与驱动装置连接，所述连杆驱动装置包括推杆和连杆，推杆的一端与一号滑块固连、另一端与连杆连接，连杆的下端与数据采集装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：所述控制与驱动装置包括电源、电机电源、减速电机、开关电源和信号发射器，电源、电机电源和减速电机之间用电线连接，信号发射器、开关电源与电机电源之间用数据线连接，减速电机安装在电机支座上，所述曲柄中间位置和控制与驱动装置连接是指减速电机的输出轴插在曲柄中间位置的孔里。

3.根据权利要求1或2所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：连杆驱动装置的连杆上套装转动空心轴承，转动空心轴承外部安装支撑球头，支撑球头与推杆固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：数据采集装置包括固定板、测力矩天平和角位移传感器，连杆穿过法兰盘中心位置的开孔与固定板固定连接，测力矩天平和角位移传感器固定安装在法兰盘与固定板之间连杆的两侧。

5.根据权利要求3所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：数据采集装置包括固定板、测力矩天平和角位移传感器，连杆穿过法兰盘中心位置的开孔与固定板固定连接，测力矩天平和角位移传感器固定安装在法兰盘与固定板之间连杆的两侧。

6.根据权利要求1或2所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：所述曲柄上不同位置处设置多个开孔，竖直滑块连接在一个开孔处。

7.根据权利要求3所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：所述曲柄上不同位置处设置多个开孔，竖直滑块连接在一个开孔处。

8.根据权利要求4所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：所述曲柄上不同位置处设置多个开孔，竖直滑块连接在一个开孔处。

9.根据权利要求5所述的一种船模强迫横摇实验装置，其特征在于：所述曲柄上不同位置处设置多个开孔，竖直滑块连接在一个开孔处。