CN104517514B - 一种强迫船模横摇实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种强迫船模横摇实验装置，包括底板平板、交流伺服电机、第一‑第五同步带轮、滑轨、连接角支架、压板，底板平板的形状为梯形与长方形的结合，长方形的长边与梯形的下底边重合，交流伺服电机安装在底板平板下方，第一‑第五同步带轮安装在底板平板上方，第一‑第五同步带轮上缠绕同步带，交流伺服电机与第一同步带轮相连，滑轨固定在底板平板的长方形处，滑块安装在滑轨上，连接角支架的第一边与滑块相连，压板将同步带和连接角支架的第二边连接在一起。本发明能够模拟各种全浪向波浪作用下的船模横摇运动，特别是能够在拖曳水池中、迎浪情况下模拟各斜浪试验条件下的船模运动，而且不需要使用桁车。

Description

一种强迫船模横摇实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种模拟横摇的实验装置。

背景技术

通过模型试验来确定各种海洋结构物在波浪中的不同运动响应特性是研究海洋浮体与波浪相互作用的一种有效方法。在各种船模试验中，斜浪试验是不可缺少的试验环节，一般是通过人为控制造波板运动生成所需的各种波浪，船模在水池拖车和桁车的共同作用下模拟斜航向运动。目前，能够用于模拟斜浪运动的水池较少，一般形状是方水池，其、尺度小、试验成本高。对于尺度较大、航速较高的船模而言，水池宽度极大的限制了船舶横向运动，导致实际有效航段短，能模拟的斜浪试验浪向角十分有限。同时，由于船模尺度较大，导致池壁效应大，影响试验准确性。而且，采用拖车纵向运动和桁车横向运动来模拟船舶在斜浪中运动的试验方法存在缺陷，其表现在，当拖车和桁车刹车时，由于其对船模存在两个方向的力，在两个不同方向的力作用下会产生扭矩，给拖车与船模之间的连接结构及试验装置带来损害。因此对于高速斜浪试验现有的试验方法存在较大的局限性，无法实现全浪向角下的船模斜浪试验模拟。

随着控制理论发展，研究新的控制装置，以实现在现有试验水池条件下，方便、准确、全面地模拟船模斜浪运动对船舶斜浪试验技术的发展具有重要的工程意义和良好的经济价值。

发明内容

本发明的目的在于提供能够在水池或水槽中模拟船模在全浪向海洋波浪下横摇运动的一种强迫船模横摇实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种强迫船模横摇实验装置，其特征是：包括底板平板、交流伺服电机、第一-第五同步带轮、滑轨、连接角支架、压板，底板平板的形状为梯形与长方形的结合，长方形的长边与梯形的下底边重合，交流伺服电机通过电机安装板安装在底板平板下方，第一-第五同步带轮通过各自对应的螺杆安装在底 板平板上方，其中第一同步带轮位于梯形上底边处，第二同步带轮和第三同步带轮位于梯形下底边的两个端点处，作为张紧轮的第四同步带轮和第五同步带轮并列布置于梯形上底边和下底边之间，第一-第五同步带轮上缠绕同步带，同步带绕过第一-第三同步带轮的外侧，同时绕过第四和第五同步带轮的内侧，交流伺服电机的输出轴与第一同步带轮相连，滑轨固定在底板平板的长方形处，可沿滑轨滑动的滑块安装在滑轨上，连接角支架为用于承载重块的角钢，连接角支架的第一边与滑块相连，压板将同步带和连接角支架的第二边连接在一起。

本发明还可以包括：

底板平板长方形的长边和梯形的下底边均为700mm，长方形的短边为100mm，梯形的上底边为110mm，高为200mm，厚为10mm；安装板为边长80mm的正方形；第一-第五同步带轮尺寸为高22mm，内径18mm，外径38.85mm；同步带宽为20mm，长为985mm；螺杆长为50mm，直径为18mm；滑轨包括上部的圆柱和下部的长方体，圆柱和长方体之间通过梯形凹台连接，圆柱长600mm，直径16mm，长方体长600mm，宽40mm，高5mm，圆柱中心距离底板平板高25mm；滑块长45mm，宽20mm，高33mm；连接角支架为不等边角钢，两直角边边长分别60mm和50mm，宽度为100mm，厚度为4mm；压板16为长45mm、宽30mm、厚5mm的长方形板，中间有相距30mm、直径6.5mm的用于与角支架固定的连接孔。

本发明的优势在于：本发明装置采用重块往复运动产生的时变重力矩来模拟横向波浪力矩的作用，在迎浪作用下实现斜浪船模运动模拟。其中，横摇机构各部分均以机座为依托呈梯形分布，各机构相互连接，组合成一个紧密的整体。实验装置运转时，各机构协同分工，驱动机构驱动传动机构运动，传动机构带动滑块做往复运动。通过控制单元的输出不同控制信号，使重块以不同的形式往复运动，实现不同波浪下船模的横摇运动模拟。

上述强迫船模横摇实验装置结构简单，操作方便，运动精度高，稳定性好，易于控制，强迫横摇力矩变化范围大，能够模拟各种全浪向波浪作用下的船模横摇运动，特别是能够在拖曳水池中、迎浪情况下模拟各斜浪试验条件下的船模运动，而且不需要使用桁车，具有良好的应用前景和市场价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明底板平板的结构示意图；

图4为本发明的横摇结构示意图；

图5为本发明的驱动结构示意图；

图6为本发明的传动结构示意图；

图7为本发明的滑动结构示意图；

图8为本发明的实际横摇装置图；

图9为本发明的实际横摇曲线图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～9，本发明所提供的一种强迫船模横摇实验装置，包括控制单元、横摇机构和机座三部分。控制单元属于强迫船模横摇实验装置的外围辅助设备，为横摇机构提供动力并输出控制信号；横摇机构由驱动机构、传动机构和滑动机构三部分组成，三部分机构以机座为依托呈梯形分布，各机构之间连接紧密，构成一个整体，能够模拟多种横摇运动；所述机座部分为单层平板结构，整体呈梯形，它为横摇机构提供支撑，使得横摇机构的各部分连成一体，从而可以产生横摇运动。

本发明装置的主要组成包括：同步带轮3、同步带轮1、同步带轮13、电机安装板4、底板平板5、交流伺服电机6、电机控制器7、计算机8、稳压直流电源9、螺杆10、同步带轮2、同步带12、同步带轮11、滑块14、连接角支架15、压板16、滑轨17。

控制单元由计算机8、稳压直流电源9、电机控制器7三部分组成。本实施例控制单元中的计算机6采用的是SONY VPCEG17YC笔记本电脑，CPU为Intel酷睿i5处理器，主频2.3GHz，内存容量2G。稳压直流电源9选用的是香港龙威仪器仪表有限公司生产的PS-305D型数显直流稳压电源，电源给电机输出电压为24V。电机控制器7选用的是哈尔滨程天科技发展有限公司生产的电机控制器。横摇机构的运动由自主开发的上位机软件进行控制。

如图3所示，所述机座由底板平板5组成。在本实施例中，底板平板1为 上面梯形下面四边形的板，四边形的长边为700mm，短边为100mm，梯形的短边为110mm，高为200mm，厚为10mm，。平板5上均匀布置有交流伺服电机6安装孔和用于安装同步带轮1、2、3、11、13的定位卡槽以及安装滑轨的连接孔。

如图4所示，横摇机构由驱动机构、传动机构和滑动机构三部分组成；如图5所示，驱动机构由交流伺服电机6和安装板4组成，其中安装板为边长80mm的正方形，上面布置安装孔和连接孔；电机通过螺栓与电机安装板相连，电机安装板又与底板平板相连接。本实例中电机6选用的是亿丰电子60ST-MO1330型交流伺服电机；如图6所示，传动机构由五个同步带轮1、2、3、11、13和一条同步带12组成，其中同步带轮尺寸为高22mm，内径18mm，外径38.85mm，同步带宽为20mm，长为985mm,同步带固定在同步带轮上，同步带轮通过螺杆10与机座平板5相连，螺杆长为50mm，直径为18mm；如图7所示，滑动机构由滑轨17、滑块14、连接角支架15和压板16组成，其中滑轨是由上部圆柱下部长方体形，圆柱长600mm，直径16mm，长方体长600mm，宽40mm，高5mm，圆柱中心距离平板高25mm，两部分之间通过梯形凹台连接，滑块14长45mm，宽20mm，高33mm，内部切割成滑轨尺寸相同的形状，使得滑块14可以在滑轨17上滑动，连接角支架15为一不等边角钢，两直角边边长分别60mm和50mm，宽度为100mm，厚度为4mm，连接角支架15一端与重块相连，一端与压板16相连，压板16为长45mm宽30mm厚5mm的长方形板，中间有相距30mm直接6.5mm的连接孔，用于与角支架固定。

本发明的强迫横摇装置工作原理简述如下：首先，根据实验需要确定滑块所需的运动曲线，在电机控制器的上位机软件中输入滑块运动的曲线。随后，电机控制器将控制电机按照上位机软件所输曲线进行运动，电机轴驱动同步带轮转动，同步带轮带动同步带转动，随后与同步带相连的滑块将做所需往复摇摆运动。通过各个机构之间的相互配合，使得船模实现波浪下的横摇运动。

依照上述强迫装置的设计，本实施例的实际示意图如图8所示，为验证装置有效性，本实施例在拖曳水池中模拟了船舶强迫横摇实验，图9给出了周期为1s时的船舶模拟规则波下横摇运动时历曲线，产生的曲线运动也是规则的。

本发明设计的是一种强迫船模横摇实验装置，由控制单元、横摇机构和机座三部分组成；所述横摇机构由驱动机构、传动机构和滑动机构三部分组成， 三部分机构连接紧密，能够模拟多种横摇运动；所述机座为横摇机构提供支持，使得横摇机构的各部分连成一体；控制单元输出控制信号并提供动力，从而控制横摇机构运动。

驱动机构由交流伺服电机、安装板组成，其中电机通过螺栓与电机安装板相连，电机安装板又与底板平板连接，使得电机固定在底板平板上的电机安装孔内。

传动机构由五个同步带轮和一条同步带组成，其中同步带轮分别固定在底板平板的指定位置，同步带轮之一与电机驱动轴相连，使得电机转动可以带动同步带轮转动；所述同步带安装在同步带轮上，使其成为一个整体，一个同步带轮转动，即可带动整体转动；

滑动机构由滑轨、滑块、连接角支架和压板组成，其中滑轨通过螺栓固定在底板平板上，滑块安装在滑轨上；所述连接角支架一边通过螺栓和压板相连固定在同步带上，另一边通过螺钉与滑块固定，使得滑块可以在同步带的带动下，在滑轨上自由滑动。

机座由底板平板组成，底板平板上均匀布置有电机安装孔和用于安装垂向同步带轮的定位槽和安装滑轨的连接孔；电机通过螺栓与电机安装板连接，电机安装板又与底板平板连接，使得电机固定在底板平板上的电机安装孔内；同步带轮通过螺杆固定在底板平板上的定位槽中；滑轨通过螺栓插入连接孔固定在底板平板上。

控制单元由计算机、电机控制器、稳压直流电源组成；其中,电机控制器与计算机和电机相连，电源与电机相连，为其提供运动动力。电机驱动轴转动，从而带动与之相连的同步带轮旋转，进一步使得同步带轮上的同步带旋转，并进一步带动与同步带相连的滑块在滑轨上做往复运动。

本发明一种强迫船模横摇实验装置，由控制单元、横摇机构和机座三部分组成；所述横摇机构由驱动机构、传动机构和滑动机构三部分组成，三部分机构连接紧密，能够模拟多种横摇运动；所述机座为横摇机构提供支撑，使得横摇机构的各部分连成一体；控制单元输出控制信号并提供动力，从而控制横摇机构运动。驱动机构由交流伺服电机、安装板组成，其中电机通过螺钉与电机安装板相连，电机安装板又与底板平板连接，使得电机固定在底板平板上的电 机安装孔内。传动机构由五个同步带轮和一条同步带组成，其中同步带轮分别固定在底板平板的指定位置，同步带轮之一与电机驱动轴相连，使得电机转动可以带动同步带轮转动；所述同步带安装在同步带轮上，使其成为一个整体，一个同步带轮转动，即可带动整体转动；滑动机构由滑轨、滑块、连接角支架和压板组成，其中滑轨通过螺栓固定在底板平板上，滑块安装在滑轨上；所述连接角支架一边通过螺栓和压板相连固定在同步带上，另一边通过螺钉与滑块固定，使得滑块可以在同步带的带动下，在滑轨上自由滑动。机座主要由底板平板组成，底板平板上均匀布置有电机安装孔和用于安装垂向同步带轮的定位槽和安装滑轨的连接孔；电机通过螺栓与电机安装板连接，电机安装板与底板平板连接，使得电机固定在底板平板上的电机安装孔内；同步带轮通过螺杆固定在底板平板上的定位槽中；滑轨通过螺栓插入连接孔固定在底板平板上。控制单元由计算机、电机控制器、稳压直流电源组成；其中,电机控制器与计算机和电机相连，电源与电机相连，为其提供动力。

Claims (2)

1.一种强迫船模横摇实验装置，其特征是：包括底板平板、交流伺服电机、第一-第五同步带轮、滑轨、连接角支架、压板，底板平板的形状为梯形与长方形的结合，长方形的长边与梯形的下底边重合，交流伺服电机通过电机安装板安装在底板平板下方，第一-第五同步带轮通过各自对应的螺杆安装在底板平板上方，其中第一同步带轮位于梯形上底边处，第二同步带轮和第三同步带轮位于梯形下底边的两个端点处，作为张紧轮的第四同步带轮和第五同步带轮并列布置于梯形上底边和下底边之间，第一-第五同步带轮上缠绕同步带，同步带绕过第一-第三同步带轮的外侧，同时绕过第四和第五同步带轮的内侧，交流伺服电机的输出轴与第一同步带轮相连，滑轨固定在底板平板的长方形处，可沿滑轨滑动的滑块安装在滑轨上，连接角支架为用于承载重块的角钢，连接角支架的第一边与滑块相连，压板将同步带和连接角支架的第二边连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种强迫船模横摇实验装置，其特征是：底板平板长方形的长边和梯形的下底边均为700mm，长方形的短边为100mm，梯形的上底边为110mm，高为200mm，厚为10mm；安装板为边长80mm的正方形；第一-第五同步带轮尺寸为高22mm，内径18mm，外径38.85mm；同步带宽为20mm，长为985mm；螺杆长为50mm，直径为18mm；滑轨包括上部的圆柱和下部的长方体，圆柱和长方体之间通过梯形凹台连接，圆柱长600mm，直径16mm，长方体长600mm，宽40mm，高5mm，圆柱中心距离底板平板高25mm；滑块长45mm，宽20mm，高33mm；连接角支架为不等边角钢，两直角边边长分别60mm和50mm，宽度为100mm，厚度为4mm；压板16为长45mm、宽30mm、厚5mm的长方形板，中间有相距30mm、直径6.5mm的用于与角支架固定的连接孔。