CN107063568B - 一种惯量和刚度系统模拟试验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种惯量和刚度系统模拟试验装置，支座对中心轴进行支撑，中心轴可相对支座自由转动；中心轴中间设置线缆盘，线缆盘两侧可拆卸的等距设置至少一对标准惯量砝码、至少一对弹簧盘、至少一对微调杆；弹簧盘上的绕线与弹簧一端连接，弹簧另一端与支座连接；微调杆与中心轴垂直，且两端与中心轴的距离相等；线缆盘与弹簧盘转动方向相反，线缆与远端提供固定拉力的拉力机构连接，线缆上设置张紧力传感器；微调砝码与中心轴的距离可调节，进而微调转动惯量。本发明将平动惯量转换为转动惯量，将线性刚度转换为扭转刚度，因此以一套轻便的装置即可模拟一套沉重的装置。

Description

一种惯量和刚度系统模拟试验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及一种工程研究和试验领域的装置，具体是一种惯量和刚度系统模拟装置。广泛应用于科学研究和工程实践中的模型试验。
背景技术
在科学研究和工程实践中，模型试验是一种十分重要的手段。例如在海洋工程领域，在海洋平台设计阶段，需要开展平台加系泊系统的测试，包括风载荷与流载荷的校核等。在校核载荷的过程中，传统的方法是将实物模型置于试验水池中，通过实际海洋平台与实物模型之间的质量差异进行模拟计算后，进而开展试验。
但是这种做法的缺点是长时间占用试验资源，极大影响整体试验进度。原则上，为了解决此问题也可以在岸上开展试验，按照水中平台的水平惯量(质量)、系泊系统的线性刚度制作相同的装置。但是，这样一来整个装置的重量将十分可观，并且不利于调节。除海洋工程领域的试验外，对于其他学科的试验，此类问题同样存在。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：现有的惯量和刚度系统模拟装置，长时间占用试验资源，极大影响整体试验进度；而且整个装置的重量十分可观，并且不利于调节。
本发明采取以下技术方案：
一种惯量和刚度系统模拟试验装置，其特征在于：包括支座1、中心轴2、标准惯量砝码3、微调杆4、微调砝码5、线缆盘6、弹簧盘7、弹簧8；所述支座1对中心轴2进行支撑，中心轴2可相对支座自由转动；中心轴2中间设置线缆盘6，线缆盘两侧可拆卸的等距设置至少一对标准惯量砝码3、至少一对弹簧盘7、至少一对微调杆4；所述弹簧盘7上的绕线与弹簧8一端连接，弹簧8另一端与支座1连接；所述微调杆4与中心轴2垂直，且两端与中心轴的距离相等；所述线缆盘6与弹簧盘7转动方向相反，线缆与远端提供固定拉力的拉力机构连接，线缆上设置张紧力传感器；所述微调砝码5与中心轴2的距离可调节，进而微调转动惯量。
进一步的，所述微调杆4是螺纹杆，微调砝码5与微调杆4螺纹连接，便于微调节转动惯量。
进一步的，所述弹簧盘7、标准惯量砝码3、微调杆4距离线缆盘6的距离依次由近到远。
进一步的，所述标准惯量砝码3、微调砝码5均具有多个可选规格。
进一步的，所述弹簧盘7的绕线的刚度远大于弹簧的刚度。
进一步的，线缆上安装单分力传感器。
进一步的，所述弹簧8可拆卸，且具有多个不同刚度的可选弹簧。
本发明的有益效果在于：
1)创造性地提出一种惯量和刚度系统模拟装置。通过将转动惯量和平动惯量的转换、扭转刚度和线性刚度的转化，以一套轻便的装置即可模拟一套沉重的装置。
2)装置的转动惯量和刚度均可调节。转动惯量分为基础部分和微调部分。基础部分即为标准惯量砝码，可通过选取不同规格的标准惯量砝码实现阶梯式调节；微调部分由一个微调杆和若干微调砝码组成。微调砝码通过螺纹连接于微调杆上，因此可以通过调节微调砝码的质量和位置来连续调节装置的转动惯量。
3)本装置可广泛用于对“惯量—刚度”系统进行模拟。结构形式简单，制造安装方便，可操作性良好，使用成本低廉。在实际科研和工程应用中，可极大简化试验过程，以及节省试验资源。
4)本装置中所用到的标准惯量砝码的质量、微调砝码的质量和位置、弹簧的刚度、绕线的长度均可改变，便于根据不同的试验条件和要求进行选取和调节。
5)在陆上进行试验，不占用试验资源，不影响整体试验进度。
6)整个装置体积和重量大大降低，而且调节方便。
附图说明
图1是本发明惯量和刚度系统模拟试验装置的示意图。
图2是本发明惯量和刚度系统模拟试验装置的主视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
本发明创造性地提出一种惯量和刚度系统模拟装置。基本思想是：从模拟的角度而言，我们主要关注两个量：质量(惯量)和刚度，因此将这两个量进行转换进而开展模拟试验。具体做法是：将平动惯量转换为转动惯量，将线性刚度转换为扭转刚度，因此以一套轻便的装置即可模拟一套沉重的装置。
参见图1-2，一种惯量和刚度系统模拟装置，主要包括支座1、中心轴2、标准惯量砝码3、微调杆4、微调砝码5、线缆盘6、弹簧盘7、弹簧8；中心轴2通过轴承固定于支座1上，可以相对支座1发生转动。中心轴2的中央固定有一个线缆盘6，两侧分别固定有一个弹簧盘7。线缆盘6上的绕线可与其他设备、装置连接；弹簧盘7上的绕线另一端分别与弹簧8连接，传递弹簧8的拉力。弹簧8固定于支座1上，且可以根据试验条件更换不同刚度的弹簧8以及调节弹簧盘7的大小，进而对扭转刚度进行调节。中心轴2的两端分别设置有调节转动惯量的装置，且分为基础部分和微调部分。基础部分即为标准惯量砝码3，其固定于中心轴2上，可以实现转动惯量的阶梯式调节。微调部分由微调杆4和若干微调砝码5组成。微调杆4的中部与中心轴2固定；微调砝码5通过螺纹连接于微调杆4上，因此可以通过调节其与中心轴2的距离进而对转动惯量进行连续调节。
本发明的基本思想是：对于一些试验模型，从模拟的角度而言主要关注质量(惯量)和刚度这两个物理量，因此可将这两个量进行转换进而开展模拟试验。为此，本发明将平动惯量转换为转动惯量，将线性刚度转换为扭转刚度，因此以一套轻便的装置即可模拟一套沉重的装置。这样做的目的是简化试验过程，节省试验资源，有利于降低使用成本并极大缩短试验时间。
根据转动惯量的计算公式：
装置总体的转动惯量可通过改变标准惯量砝码3的质量以及微调砝码5的质量和位置实现调节。标准惯量砝码3可实现阶梯式调节，微调砝码5可实现连续调节。微调砝码5通过螺纹连接于微调杆4上，因此可以通过调节其与中心轴2的距离对转动惯量进行调整。微调砝码5远离中心轴2，转动惯量增加；反之，转动惯量减小。
下面结合图1进一步说明本装置的具体工作原理：
①计算试验装置的刚度和转动惯量。②根据计算出的参数，选取适当的部件进行匹配。③选取适当刚度的弹簧8，一端固定于支座1上，另一端分别与弹簧盘7上的绕线连接。④选取适当质量的标准惯量砝码3和微调砝码5，并分别安装于中心轴2和微调杆4上。⑤计算并测试整个装置的转动惯量，并根据测试结果调整微调砝码5的位置，重复以上步骤直至测试结果与试验要求的转动惯量相吻合。⑥各个部分安装、定位完成后，即可开始试验。
以海洋平台的风载荷校核试验为例：①由计算机向电机输出风的拖曳力(拉力)信号，由电机驱动使得线缆张紧。在此拉力作用下，装置产生转动趋势；另一方面，装置的转动使得弹簧盘7上的绕线张紧，其所连接的弹簧8产生拉力，令装置产生向反方向转动的趋势。②在两方面拉力的同时作用下，装置产生周期性的转动。线缆上连接有拉力传感器，用于采集在此运动过程中的拉力时历数据。③将采集到的数据与拉力的源文件进行比较分析，可以得出二者在统计特征方面的差异。在此基础上，需通过修改参数减小二者的差异。进行多次试验，方可得到较为理想的试验结果。
利用本装置进行科研和工程试验，可以大大简化试验过程，缩短试验时间，且占用较少试验资源，进而可获得有益效果。
发明专利着重保护创新的方法思想，通过将转动惯量和平动惯量的转换、扭转刚度和线性刚度的转化，以一套轻便的装置即可模拟一套沉重的装置。装置是说明原理可行的载体。创新思想不单单可以应用到海洋平台模型试验上，同样可以模拟所有与惯量和刚度相关的物理现象。
本发明的设计思想可广泛用于各种工程研究和试验领域，有利于极大地简化试验过程以及节省试验资源。

Claims (6)

1.一种惯量和刚度系统模拟试验装置，其特征在于：
包括支座(1)、中心轴(2)、标准惯量砝码(3)、微调杆(4)、微调砝码(5)、线缆盘(6)、弹簧盘(7)、弹簧(8)；
所述支座(1)对中心轴(2)进行支撑，中心轴(2)可相对支座自由转动；
中心轴(2)中间设置线缆盘(6)，线缆盘两侧可拆卸的等距设置至少一对标准惯量砝码(3)、至少一对弹簧盘(7)、至少一对微调杆(4)；所述弹簧盘(7)上的绕线与弹簧(8)一端连接，弹簧(8)另一端与支座(1)连接；所述微调杆(4)与中心轴(2)垂直，且两端与中心轴的距离相等；所述线缆盘(6)与弹簧盘(7)转动方向相反，线缆与远端提供固定拉力的拉力机构连接，线缆上设置张紧力传感器；
所述微调砝码(5)与中心轴(2)的距离可调节，进而微调转动惯量；
所述微调杆(4)是螺纹杆，微调砝码(5)与微调杆(4)螺纹连接，便于微调节转动惯量；
所述弹簧盘(7)、标准惯量砝码(3)、微调杆(4)距离线缆盘(6)的距离依次由近到远。
2.如权利要求1所述的惯量和刚度系统模拟试验装置，其特征在于：所述标准惯量砝码(3)、微调砝码(5)均具有多个可选规格。
3.如权利要求1所述的惯量和刚度系统模拟试验装置，其特征在于：所述弹簧盘(7)的绕线的刚度远大于弹簧的刚度。
4.如权利要求1所述的惯量和刚度系统模拟试验装置，其特征在于：线缆上安装单分力传感器。
5.如权利要求1所述的惯量和刚度系统模拟试验装置，其特征在于：所述弹簧(8)可拆卸，且具有多个不同刚度的可选弹簧。
6.一种权利要求1所述的惯量和刚度系统模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
①计算试验装置的刚度和转动惯量；
②根据计算出的参数，选取适当的部件进行匹配；
③选取适当刚度的弹簧(8)，一端固定于支座(1)上，另一端分别与弹簧盘(7)上的绕线连接；
④选取适当质量的标准惯量砝码(3)和微调砝码(5)，并分别安装于中心轴(2)和微调杆(4)上；
⑤计算并测试整个装置的转动惯量，并根据测试结果调整微调砝码(5)的位置，重复以上步骤直至测试结果与试验要求的转动惯量相吻合；
⑥各个部分安装、定位完成后，即可开始试验。
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