CN105865976A - 海洋结构物精细模型粘性性能试验平台 - Google Patents

海洋结构物精细模型粘性性能试验平台 Download PDF

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肖龙飞
王志强
彭涛
赵国成
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明公开了一种海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其包括：上部敞口的水槽；其下端能够连接试验模型并且伸入所述水槽内的传动杆；连接在所述传动杆上端，并能够带动该传动杆作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动、左右摇摆运动的多自由度运动机构。该试验平台能够让试验模型模拟船体的纵荡、垂荡、纵摇和首摇运动，适用于垂荡板、舭龙骨、锚链、立管、张力腿等多种海洋结构物的粘性水动力性能研究。

Description

海洋结构物精细模型粘性性能试验平台
技术领域
本发明涉及海洋工程试验技术领域，具体涉及一种用于海洋结构物的粘性水动力性能及其周围流场特性试验研究的试验平台。
背景技术
水的粘性在众多海洋结构物的水动力响应中起着重要作用。例如：船体的舭列板、减摇水舱，平台上的垂荡板等结构利用水的粘性起到抑制船体、平台运动的作用；立管、锚链、张力腿等细长构件在水流中由于水的粘性容易产生涡激振动，容易对这些构件造成疲劳损伤。因此，通过对海洋结构物的粘性水动力性能及其流场特性的研究能有效揭示相关粘性特性和机理，对海洋结构物的设计、性能预报具有重要意义。
目前，模型试验是研究海洋结构物粘性性能最有效的方法。在公开的文献中，有关于采用运动机构对海洋结构物水动力性能进行研究的报道，但这些运动机构往往针对某一个问题设计，在大型水池中使用，对较大的模型进行研究。针对某一个问题设计的运动机构一般只具有单一自由度的运动能力，使用的局限性很大；在大型水池中使用，一方面由于海洋工程水池属于稀缺资源，占用大型水池进行试验的试验成本较高，另一方面在大型水池中试验难以对结构物周围流场进行观测。本发明是一个通用型的、小型化的、能同时对海洋结构物的粘性水动力性能和周围流场特性进行研究的试验平台，国内尚没有类似的发明公开发布。
发明内容
本发明目的是：针对上述技术问题，提出一种海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其能够模拟船体的纵荡、垂荡、纵摇和首摇运动，适用于垂荡板、舭龙骨、锚链、立管、张力腿等多种海洋结构物的粘性水动力性能研究。
本发明的技术方案是：一种海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，包括：
上部敞口的水槽；
其下端能够连接试验模型、并且伸入所述水槽内的传动杆；
连接在所述传动杆上端，并能够带动该传动杆作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动和左右摇摆运动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动的多自由度运动机构。
本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
所述多自由度运动机构安装在一支架上，该支架采用钢材制成，其底部锚固在水泥地面内。
所述水槽固定架设在所述支架上，并且该支架上设置有攀爬梯。
所述水槽采用透明材料制成。
所述传动杆为长度可调的伸缩杆。
所述传动杆的下端设置有测力传感器，其通过该测力传感器与所述试验模型相连。
所述多自由度运动机构由移动副、转动副、驱动所述移动副和转动副运动的动力设备、控制所述动力装置的控制柜构成。
所述移动副包括带动所述传动杆作前后平移运动的前后移动副、带动所述传动杆作竖向平移运动的竖向移动副，所述转动副包括带动所述传动杆作前后摇摆运动的前后转动副、带动所述传动杆作左右摇摆运动的左右方向转动副。
所述水槽的容积为50～100立方米。
所述水槽的外轮廓为边长4米的立方体结构。
本发明的优点是：
1、该实验平台可让试验模型模拟船体的纵荡、垂荡、纵摇和首摇运动，通过运动-受力测试系统可以对试验模型的水动力性能进行测试，同时可以利用粒子成像测速技术对流场特性进行观测，其适用于垂荡板、舭龙骨、锚链、立管、张力腿等多种海洋结构物的粘性水动力性能研究。
2、根据该试验平台尺度相对较小，试验模型安装方便，其支撑运动机构和水槽的刚性支架跨度小、刚度大、振动小，能够保证多自由度运动的运动精度。
3、该试验平台的水槽采用透明材料制成，方便进行流场特性观测。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍：
图1为本发明实施例这种试验平台的结构示意图；
图2为本发明实施例中多自由度运动机构的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例中支架的结构示意图；
图4为本发明实施例中水槽的结构示意图；
其中：1-多自由度运动机构，2-传动杆，3-攀爬梯，4-试验模型，5-控制柜，6-支架，7-水槽。
具体实施方式
图1～图4示出了本发明这种海洋结构物精细模型粘性性能试验平台的一个具体实施例，其主要包括水槽7、传动杆2和多自由度运动机构1。
水槽7的上部敞口，在应用时，需在其内加入足够量的试验用水。水槽7的底部设置有放水阀门。
传动杆2竖向布置，其下端伸入所述水槽7内。实际应用时，该传动杆2的下端能够直接连接试验模型4，也可以通过测力传感器间接连接试验模型4。
多自由度运动机构1与所述传动杆2的上端相连，其能够带动该传动杆2作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动、左右摇摆运动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动(如既竖向平移，又前后摇摆)。在传动杆2单独作前后摇摆运动或左右摇摆运动时，传动杆2始终处于同一竖直面内。
试验时，在水槽7内加入足够量的用水，将试验模型4固定连接在传动杆2的下端，并使试验模型4浸入水中，通过多自由度运动机构1控制传动杆2作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动和左右摇摆运动，以对应地模拟试验模型4的纵荡、垂荡、纵摇和首摇运动。通过外接的运动-受力测试系统可以对试验模型的水动力性能进行测试，同时可以利用粒子成像测速技术对流场特性进行观测。
具有上述功能的多自由度运动机构1可采用多种结构形式，而且大部分结构形式为机械领域技术人员所熟知。因多自由度运动机构1的具体结构不属于本申请的保护重点，而且能够从现有技术中获得，故在此不作详述。一般来说，这种多自由度运动机构1主要由移动副、转动副、驱动所述移动副和转动副运动的动力设备(如私服电机)、控制所述动力装置的控制柜5构成，其中移动副包括带动传动杆2作前后平移运动的前后移动副、带动所述传动杆2作竖向平移运动的竖向移动副，而转动副包括带动传动杆2作前后摇摆运动的前后转动副、带动传动杆2作左右摇摆运动的左右方向转动副。线位移精度0.1mm以上，角位移精度0.1度以上，运动频率最高可达2Hz。
需要特别指出的是，本实施例中的多自由度运动机构1只能实现四个自由度的运动，达到了本发明对运动自由度的基本要求，但本发明并不局限于只能实现四个自由度运动的多自由度运动机构，也适用于能实现更多自由度运动的多自由度运动机构。
为了便于所述多自由度运动机构1和水槽7的安装布置，本例还设置有一刚性支架6，多自由度运动机构1安装在该支架6上，水槽7固定架设在该支架6上。而且支架6由钢材制成，支架6的底部锚固在水泥地面内，以确保试验过程中支架6的位置稳定性，确保试验模型运动精度不受到变形、振动的影响，防止支架6晃动而影响试验精度。
为了方便该试验平台的维护，本例在所述支架6上海设置有攀爬梯3。
而且，本实施例中的水槽7采用透明材料如高强度玻璃制成，以便试验人员对流场特性进行观测。水槽7的刚度需足够大，保证其不会因为内部水体的运动而发生明显的振动。
水槽7的尺度与试验模型4的最大运动距离保持在10：1的比例之上，以保证在有效的测试时间内不受池壁效应的影响。一般水槽7的容积为50～100立方米，本例中该水槽的外轮廓为边长4米的立方体结构。
此外，本实施例中的所述传动杆2为长度可调的伸缩杆，以通过改变该传动杆2的长度来实现试验模型4在试验准备阶段入水深度的调节。
当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于它包括：
上部敞口的水槽(7)；
其下端能够连接试验模型(4)、并且伸入所述水槽(7)内的传动杆(2)；
连接在所述传动杆(2)上端，并能够带动该传动杆(2)作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动和左右摇摆运动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动的多自由度运动机构(1)。
2.根据权利要求1所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述多自由度运动机构(1)安装在一支架(6)上，该支架(6)采用钢材制成，其底部锚固在水泥地面内。
3.根据权利要求2所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述水槽(7)固定架设在所述支架(6)上，并且该支架(6)上设置有攀爬梯(3)。
4.根据权利要求1所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述水槽(7)采用透明材料制成。
5.根据权利要求1所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述传动杆(2)为长度可调的伸缩杆。
6.根据权利要求1所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述传动杆(2)的下端设置有测力传感器，其通过该测力传感器与所述试验模型(4)相连。
7.根据权利要求1所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述多自由度运动机构(1)由移动副、转动副、驱动所述移动副和转动副运动的动力设备、控制所述动力装置的控制柜(5)构成。
8.根据权利要求7所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述移动副包括带动所述传动杆(2)作前后平移运动的前后移动副、带动所述传动杆(2)作竖向平移运动的竖向移动副，所述转动副包括带动所述传动杆(2)作前后摇摆运动的前后转动副、带动所述传动杆(2)作左右摇摆运动的左右方向转动副。
9.根据权利要求1所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述水槽(7)的容积为50～100立方米。
10.根据权利要求9所述的海洋结构物精细模型粘性性能试验平台，其特征在于：所述水槽(7)的外轮廓为边长4米的立方体结构。
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