CN105334019A - 多角度物体入水和兴波运动实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多角度物体入水和兴波运动实验装置，是一种入水方式多样化，入水角度、入水速度可控的新型入水实验装置，同时适用于模型不同浸水深度时的水面和水下兴波实验。本发明由实验水槽、驱动系统、动力柜、控制系统和高速摄影系统组成；驱动系统由支撑架、水平实验台、垂直实验架和角度连接器组成；角度连接器连接水平实验台和垂直实验架，实现系统水平运动和垂直运动的联动，调节结构物入水的角度。通过分别控制水平实验台和垂直实验架的速度值可以实现斜入水、变速入水和兴波运动实验。本发明具有实验手段多样、结果精确度高、装置利用率高、设备适应性高等特点。

Description

多角度物体入水和兴波运动实验装置

技术领域

本发明涉及一种船舶与海洋工程实验领域的实验装置，尤其涉及一种多角度物体入水和兴波运动实验装置，主要应用于结构物入水实验和兴波运动实验的研究。

背景技术

近年来，中国提出了“一路一带”、“21世纪海上丝绸之路”等国家未来发展战略，船舶和海洋工程领域得到了极大的重视。结构入水问题和兴波运动问题是船舶和海洋工程领域的研究热点。结构物入水问题在海洋平台和船舶入水砰击，水上飞机海上起降、导弹鱼雷入水等方面具有重要的工程价值。结构物入水根据入水速度可以分为高速入水和低速入水。结构物入水问题是一个复杂的问题，在结构物以一定速度撞击水面或由空气进入水中的过程，涉及到了固、液、气相互耦合作用等一系列复杂的物理问题。结构物入水的角度和速度，结构物头部的形状，结构物的材料特性等都会对入水问题有重要的影响。兴波运动问题在船型优化设计中有很重要的影响，船舶静水阻力主要由粘性阻力和兴波阻力组成，而在一定的Froude数范围内，兴波阻力对船型的变化比较敏感，如果能够适当修改船型，有可能使船舶的兴波阻力明显降低，从而降低船舶的总阻力。

在已有的入水实验技术中，专利申请号为CN201410287171，授权公告号为CN104101478A的专利“一种结构物入水实验发射装置”，通过弹筒和法兰调节结构入水的速度和角度。专利申请号为201510106458.X，授权公告号为CN104697737A的专利“一种海洋结构物入水砰击实验装置”，通过抛载系统和电磁铁实现对物体的入水控制。

在结构物入水实验中，结构物的入水时的角度和速度两个关键点。现有的入水实验装置存在许多不足：

(1)对于结构物入水角度的调节没有考虑或者角度控制方式过于简单，导致测量结果存在误差，数据的精度难以保证，不能达成预期的实验效果；

(2)对于结构物入水方式的实现过于单一，不能综合实现自由入水、强迫入水(匀速和变速)等多种入水方式，提高了实验成本；

(3)实验装置功能过于单一，只能进行单一的入水实验，对于其他类型的实验没有适用性，实验装置利用率较低。

发明内容

本发明的目的是为了实现入水方式多样化，入水角度、入水速度可控且，同时适用于模型不同浸水深度时的水面和水下兴波实验而提供一种多角度物体入水和兴波运动实验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括实验水槽、驱动系统支撑架、水平实验台和垂直实验台，所述驱动系统支撑架包括相互连接的支撑架框架和三角支撑件，所述三角支撑件上设置有系统配重，所述支撑框架的两个竖直段对称设置有两根垂直导轨，在两根竖直导轨的下端的支撑架框架上还分别设置有缓冲垫所述垂直实验台包括安装在支撑架框架上的垂直实验台框架、安装在垂直实验台框架上的滚珠丝杠伺服电机、与滚珠丝杠伺服电机输出端连接的滚珠丝杠和安装在滚珠丝杠上的丝杠套筒，且所述滚珠丝杠的两端通过两个U型支撑架设置在支撑架框架的两个竖直段之间，所述水平实验台包括安装在两根垂直导轨上的可移动是水平实验台框架、对称设置在水平实验台框架两侧的两根水平滑轨、安装在水平实验台框架上的齿轮齿条伺服电机、安装在齿轮齿条伺服电机输出轴上的齿轮、安装在第一水平滑轨上的齿条、与齿条的无齿端固连的水平移动台和安装在水平移动台中间下方位置的实验模型连接板，所述齿轮与齿条啮合且齿条可沿着第一水平滑轨移动，所述水平移动平台的端部安装在第二水平滑轨上并能沿着第二水平滑轨移动，所述水平实验台框架上还安装有连接方管，连接方管通过连接角铁与丝杠套筒固连，所述实验模型连接板的中心上设置有实验模型连接杆，所述实验模型连接板上还设置有电磁体，实验模型安装在电磁铁上，所述实验水槽设置在水平实验台框架的下方。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述支撑架框架的竖直段设置有用来限制水平实验台竖直运动行程两个垂直限位器和两个垂直位置传感器，所述水平实验台框架上设置有用来限制水平移动平台行程的两个水平限位器和两个水平位移传感器。

2.还包括计算机设备、动力柜和高速摄影系统，所述滚珠丝杠伺服电机、齿轮齿条伺服电机分别通过电缆与动力柜连接，动力柜通过电缆与计算机设备连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以精确调节结构物入水时的角度，满足可变角度的斜入水实验；能够实现物体自由入水、强迫入水(匀速和变速)，可以更好的满足实验对于结构物不同入水方式模拟的要求，具有良好的实用性；能够对结构物入水过程中产生的空化现象运用实验手段进行观测，丰富了入水实验的内容，提高的实验的效率；由于系统的水平运动与垂直运动可以独立控制，所以能够实现模型不同浸水深度时的水面和水下兴波实验，提高了实验装置的适用性和利用率。本发明可通过分别控制水平实验台和垂直实验架的速度值可以实现斜入水、变速入水和兴波运动实验，具有实验手段多样、结果精确度高、装置利用率高、设备适应性高等特点。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明去除实验水槽等的结构示意图；

图3是本发明的驱动系统支撑架的结构示意图；

图4是本发明的垂直实验台的结构示意图；

图5是本发明的水平实验台的结构示意图一；

图6是本发明的水平实验台的结构示意图二；

图7是本发明的角度连接器的结构示意图。

图中：1.实验水槽，2.驱动系统，3.计算机设备，4.动力柜，5.高速摄影系统，6.驱动系统支撑架，7.垂直实验台，8.水平实验台，9.支撑架框架，10.系统配重，11.垂直滑轨，12.垂直限位器，13.垂直位置传感器，14.U型支撑s架，15.垂直实验台框架，16.丝杠套筒，17.滚珠丝杠，18.丝杠联轴器，19.滚珠丝杠伺服电机，20.水平实验台框架，21.水平位置传感器，22.水平限位器，23.水平移动台，24.水平滑轨，25.实验模型连接杆，26.齿轮齿条伺服电机，27.连接角铁，28.连接方管，29.水平齿轮，30.水平齿条，31缓冲垫，32电磁铁。

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。

结合图1至图7，本发明包括实验水槽1、驱动系统2、动力柜4、计算机设备3和高速摄影系统5。

实验水槽1由角钢焊接构成框架结构，槽体的侧壁和底部用玻璃胶粘接双层透明亚克力材料，水槽靠近驱动系统2一侧安装遮光板；驱动系统2由系统支撑架6，垂直实验台7和水平实验架8三部分组成；动力柜4中安装有滚珠丝杠伺服电机19和齿轮齿条伺服电机26的驱动控制设备，并通过电缆分布连接伺服电机和计算机设备3；计算机设备3安装有伺服电机控制软件，用于对伺服电机运动的控制；高速摄影5系统安置在实验水槽1的另一侧，对结构物入水过程中产生的空化现象进行观测。

如图3所示：驱动系统支撑架6的框架结构9由方管材料焊接而成，部分使用角铁和螺栓螺母加以紧固；系统配重10安置在框架结构9的三角支撑部分；两根垂直滑轨11对称安装在框架结构9的垂直部分上段两侧，用以连接水平实验台8；两个垂直限位器12和两个垂直位置传感器13安装在框架架构9的垂直部分同一侧，防止驱动系统垂直运动超出实验安全值；两个缓冲垫31分别安装的由方管组成的基座上，在系统断电后支撑水平实验台8，减小系统的磨损；一个U型支撑架14安装在框架结构9的上部，用以支撑滚珠丝杠17。

如图4所示：垂直实验台7的框架结构15由方管材料焊接而成，并用角铁、连接片和螺栓螺母安置紧固在驱动系统支撑架6上；滚珠丝杠伺服电机19安装在框架结构中，并用联轴器18和滚珠丝杠17连接；滚珠丝杠17的上下两端分别用一个U型支撑架14固定；丝杠套筒16安装在滚珠丝杠17的顶端，用来和连接角铁27、连接方管28组成角度连接器，将滚珠丝杠17实现的垂直运动连接到水平实验台8上。

如图5和图6所示：水平实验台8的框架结构20的垂直部分和两根垂直滑轨11连接，实现水平实验台8的垂直运动；两个水平位置传感器21分别安装在水平实验台8的两端，两个水平限位器22分别安装在实验台8的两侧，防止水平移动台23的水平运动超出实验安全值；水平移动台23用两根水平滑轨24和水平实验台框架结构20连接起来，具体的说是水平移动平台的一端与齿条固连、另一端安装在一个水平滑轨上并可在水平滑轨上移动，所述齿条安装在另一水平滑轨上，通过电机驱动在对应的水平滑轨上移动；齿轮齿条伺服电机26安装在框架结构20上，电机的输出端通过齿轮29和安装的水平移动台23上的齿条30连接；实验模型连接杆25用螺栓和铁销紧固在水平移动台23上，同时电磁铁32也安装在水平移动台23上。

如图7所示：角度连接器由丝杠套筒16，连接角铁27，连接方管28组成；丝杠套筒16连接滚珠丝杠17，并用螺栓螺母紧固在连接角铁27上；连接角铁27的另一侧焊接在连接方管28上，连接方管28用螺栓螺母紧固在水平实验台8上；这样，滚珠丝杠伺服电机19和滚珠丝杠17就可通过垂直水平连接结构和垂直滑轨11实现水平实验台8的垂直运动，齿轮齿条伺服电机26通过齿轮29、齿条30和水平滑轨24实现了水平移动台23的水平运动；由于模型连接杆25安装在水平移动台23上，水平移动台23安装在水平实验台8上，所以通过控制滚珠丝杠伺服电机19和齿轮齿条伺服电机26可以实现实验模型的水平运动、垂直运动和变角度斜向运动；通过水平运动和垂直运动的速度值可以精确计算出模型入水时的角度值。

综上，本发明的入水实验原理如下：首先，根据实验需要确定实验模型的入水速度和角度，通过计算机设备3控制滚珠丝杠伺服电机19和齿轮齿条伺服电机26运行；随后，滚珠丝杠伺服电机19将带动滚珠丝杠17通过垂直水平连接结构和垂直滑轨11驱动水平实验台8垂直运动，从而实现模型的垂直运动；齿轮齿条伺服电机26将通过齿轮29、齿条30和水平滑轨24驱动水平移动台23水平运动，从而实现模型的水平运动；通过同时调节滚珠丝杠伺服电机19和齿轮齿条伺服电机26的运动，可以实现模型不同速度和角度的强迫入水；单独将实验模型安装在电磁铁32上，通过电磁铁开关实现模型的自由入水；最后通过高速摄影系统5实现对整个入水过程的详细记录，尤其是对结构物入水时产生的空化现象可以详细观测记录；整个过程中，两个垂直限位器12和两个水平限位器22将保证水平实验台8和水平移动台23在实验安全值内运动，任何一个限位器被触发，整个系统电路将被切断，电机处于抱闸状态，保证整个系统的安全性和可靠性

本发明的兴波实验原理如下：首先根据实验需要确定实验模型所处的状态，通过计算机设备3控制滚珠丝杠伺服电机19和齿轮齿条伺服电机26运行；随后，滚珠丝杠伺服电机19将带动滚珠丝杠17通过垂直水平连接结构和垂直滑轨11驱动水平实验台8垂直运动，从而将模型调节到实验要求的水深位置处，停止滚珠丝杠伺服电机19的工作，水平实验台8的垂向位移停止，至此模型的垂向位移调整完毕；最后齿轮齿条伺服电机26将通过齿轮29、齿条30和水平滑轨24驱动水平移动台23水平运动，从而通过实现模型水平运动时的兴波实验，也即通过实验模型连接杆实现兴波实验。

本发明主要由实验水槽、驱动系统、动力柜、计算机设备和高速摄影系统组成；实验水槽由角钢焊接构成框架结构，槽体的侧壁和底部用玻璃胶粘接双层透明亚克力材料，水槽靠近驱动系统一侧安装遮光板；驱动系统由系统支撑架，垂直实验架，水平实验台和角度连接器四部分组成；动力柜中安装有滚珠丝杠伺服电机和齿轮齿条伺服电机的驱动控制设备，并通过电缆分别连接伺服电机和计算机设备；计算机设备安装有伺服电机控制软件，用于对伺服电机运动的控制；高速摄影系统安置在实验水槽的另一侧。

所述的系统支撑架的框架结构由方管材料组成；系统配重安置在框架结构的三角支撑部分；两根垂直滑轨对称安装在框架结构的垂直部分上段两侧，用以连接水平实验台；两个垂直限位器和两个垂直位置传感器安装在框架架构的垂直部分同一侧；两个缓冲垫分别安装的由方管组成的基座上；一个U型支撑架安装在框架结构的上部，用以连接滚珠丝杠。

所述的垂直实验架的框架结构由方管材料组成；滚珠丝杠伺服电机安装在框架结构中，并用联轴器和滚珠丝杠连接；滚珠丝杠的上下两端分别用一个U型支撑架固定；丝杠套筒安装在滚珠丝杠的顶端，用来和连接角铁、连接方管组成角度连接器。

所述的水平实验台的框架结构的垂直部分和两根垂直滑轨连接，实现水平实验台的垂直运动；两个水平位置传感器分别安装在水平实验台的两端，两个水平限位器分别安装在实验台的两侧；水平移动台用两根水平滑轨和水平实验台框架结构连接起来；齿轮齿条伺服电机安装在框架结构上，电机的输出端通过齿轮和安装的水平移动台上的齿条连接；实验模型连接杆用螺栓和铁销紧固在水平移动台上，同时自由入水电磁铁也安装在水平移动台上。

所述的角度连接器由丝杠套筒，连接角铁，连接方管组成；丝杠套筒连接滚珠丝杠，并用螺栓螺母紧固在连接角铁上；连接角铁的另一侧焊接在连接方管上，连接方管用螺栓螺母紧固在水平实验台上。

Claims (3)

1.多角度物体入水和兴波运动实验装置，其特征是：包括实验水槽、驱动系统支撑架、水平实验台和垂直实验台，所述驱动系统支撑架包括相互连接的支撑架框架和三角支撑件，所述三角支撑件上设置有系统配重，所述支撑框架的两个竖直段对称设置有两根垂直导轨，在两根竖直导轨的下端的支撑架框架上还分别设置有缓冲垫所述垂直实验台包括安装在支撑架框架上的垂直实验台框架、安装在垂直实验台框架上的滚珠丝杠伺服电机、与滚珠丝杠伺服电机输出端连接的滚珠丝杠和安装在滚珠丝杠上的丝杠套筒，且所述滚珠丝杠的两端通过两个U型支撑架设置在支撑架框架的两个竖直段之间，所述水平实验台包括安装在两根垂直导轨上的可移动是水平实验台框架、对称设置在水平实验台框架两侧的两根水平滑轨、安装在水平实验台框架上的齿轮齿条伺服电机、安装在齿轮齿条伺服电机输出轴上的齿轮、安装在第一水平滑轨上的齿条、与齿条的无齿端固连的水平移动台和安装在水平移动台中间下方位置的实验模型连接板，所述齿轮与齿条啮合且齿条可沿着第一水平滑轨移动，所述水平移动平台的端部安装在第二水平滑轨上并能沿着第二水平滑轨移动，所述水平实验台框架上还安装有连接方管，连接方管通过连接角铁与丝杠套筒固连，所述实验模型连接板的中心上设置有实验模型连接杆，所述实验模型连接板上还设置有电磁体，实验模型安装在电磁铁上，所述实验水槽设置在水平实验台框架的下方。

2.根据权利要求1所述的一种多角度物体入水和兴波运动实验装置，其特征是：所述支撑架框架的竖直段设置有用来限制水平实验台竖直运动行程两个垂直限位器和两个垂直位置传感器，所述水平实验台框架上设置有用来限制水平移动平台行程的两个水平限位器和两个水平位移传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种多角度物体入水和兴波运动实验装置，其特征是：还包括计算机设备、动力柜和高速摄影系统，所述滚珠丝杠伺服电机、齿轮齿条伺服电机分别通过电缆与动力柜连接，动力柜通过电缆与计算机设备连接。