CN109141819A - 超重力场下的波浪模拟发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超重力场下的波浪模拟发生装置，吸波单元的采用能够增强吸波效果，降低反射波对波形的影响，保证波浪模拟实验对真实环境模拟的相似度；吸波单元可根据造波单元产生的波形来调整吸波板的位置和格栅开口大小，保证最优的吸波效果；造波单元以简单的结构形式实现了力的传递和运动的解耦，相比于以往传动路径长且结构复杂的传动结构，其受离心场变形导致机构卡死的影响更小，更容易保证传动机构的刚性与稳定性；且区别于传统地整体移动推板的方式，只推动推板的上部，推板所承受的载荷小，因此所需要的动力也小，适用于高水深、大幅值波浪的模拟。

Description

超重力场下的波浪模拟发生装置

技术领域

本发明属于波浪模拟发生技术领域，具体涉及超重力场下的波浪模拟发生装置。

背景技术

在超重力场环境下，波浪模拟发生装置基于缩比效应产生不同波高、不同历时的波浪，为揭示和研究波浪引发的海洋工程灾害对海洋结构物的破坏过程与作用机理提供模拟试验平台，也为海洋资源开发平台等海洋工程结构与管路设计方法提供验证平台。

国内外已有少数科研机构建设超重力场环境下的波浪模拟发生装置，如香港科技大学的推板式造波模拟装置，新加坡国立大学的摇板式造波模拟装置和浙江大学的摇板式造波模拟装置等。香港科技大学的推板式造波模拟装置通过液压缸往复运动带动推板运动，进而使推板推动模型箱中的水体产生波浪；新加坡国立大学和浙江大学的摇板式造波模拟装置采用电机驱动凸轮盘，凸轮盘带动连杆和滑动机构往复运动，进而使摇板推动模型箱中的水体产生波浪。

推板式造波的结构形式能够产生较高频率的波浪，但受超重力场环境下模型箱尺寸的限制，通常较难形成有效的波形。另外，推板式造波采用整体移动推板的方式，整个推板所承受的载荷较大，因此所需要的动力也较大。特别是对于高水深、大幅值波浪的模拟，推板式造波的结构形式不适用。

摇板式造波装置采用摇板往复摆动的形式推动水体，推动水体时摇板所承受的载荷较小，因此所需的动力也较小。当前的摇板式造波均采用电机驱动，凸轮和连杆传力，滑动机构实现运动解耦的结构形式，其结构形式复杂、力传递路径较长，特别是在高g值超重力场环境下，传力结构容易产生变形从而导致机构卡死的现象发生。另外，电机在高g值超重力场环境下应用，需要改进电机的结构设计，并且考虑电机的安装方式才能保证电机工作状态稳定，有效工作。

为了解决以上问题我方研发出了一种超重力场下的波浪模拟发生装置。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种超重力场下的波浪模拟发生装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

超重力场下的波浪模拟发生装置，安装在在离心机吊篮中，波浪模拟发生装置包括：

模型箱；在模型箱内底部设置土体，土体上设置模拟海工结构物，水置于模型箱内土体上部；

用于控制模型箱内水体水位的水位控制单元；

用于向模拟海工结构物所处方向制造波浪的造波单元；

波浪模拟发生装置还包括：

用于对应吸收造波单元产生的不同波形波浪的吸波单元。

吸波单元的采用能够增强吸波效果，降低反射波对波形的影响，保证波浪模拟实验对真实环境模拟的相似度。

具体地，模拟海工结构物设置在造波单元与吸波单元之间，吸波单元包括：

吸波板；吸波板的板面上设置有间隔均匀、竖向排布的多个通孔，

第一导轨滑块组件；包括导轨和滑块，导轨安装在模型箱的顶部，滑块可滑动安装在导轨上，吸波板的上端与滑块固定连接，吸波板的移动方向为朝向或远离造波单元的方向；

吸波板移动结构；吸波板移动结构为用于推动吸波板移动的动力输出结构，吸波板移动结构的动力输出端与吸波板的一板面连接；

格栅板；格栅板的板面上设置有间隔均匀、竖向排布的多个通孔；格栅板的板面与吸波板的板面靠近设置；

格栅开口调节结构；格栅开口调节结构包括电机、丝杠螺母组件；电机、丝杠螺母组件均安装在吸波板的板面上，丝杠螺母组件横向安装，电机的动力输出端与丝杠螺母组件中丝杠的一端连接，螺母的下端通过一连接杆与格栅的顶部连接。

吸波单元可根据造波单元产生的波形来调整吸波板的位置和格栅开口大小，保证最优的吸波效果。

进一步地，吸波板移动结构为多级伸缩液压缸。

通过多级伸缩液压缸可以在较小的安装空间内实现吸波板较大行程的运动。

具体地，造波单元包括：

摇板；摇板安装在模型箱内，在模型箱内的底部安装有支座，一转轴穿入支座内部和摇板下端内部，用于支座与摇板的可转动连接；

第二导轨滑块组件；第二导轨滑块组件包括导轨和滑块，导轨竖直安装于摇板的板面上，滑块可滑动安装在导轨上，导轨与摇板的连接位置高于支座与摇板的连接位置；

用于往复推动摇板的动力输出结构；动力输出结构的动力输出端与一球铰联结器的一端连接，球铰联结器的另一端与滑块可转动连接。

造波单元以简单的结构形式实现了力的传递和运动的解耦，相比于以往传动路径长且结构复杂的传动结构，其受离心场变形导致机构卡死的影响更小，更容易保证传动机构的刚性与稳定性；且区别于传统地整体移动推板的方式，只推动推板的上部，推板所承受的载荷小，因此所需要的动力也小，适用于高水深、大幅值波浪的模拟。

进一步地，用于推动摇板的动力输出结构为液压缸。

液压缸能提供更大的工作力矩，且稳定性更高。

具体地，模型箱包括有机玻璃板、前面板、观察窗、第一侧板、后面板、底板、第二侧板，有机玻璃板、第一侧板、第二侧板、后面板和底板围成长方体形结构，且相互之间通过螺钉固定；前面板置于有机玻璃板外侧，且在前面板上设置有多个观察窗。

这样的组合结构让模型箱具备更好的密封性，保证模型箱内的水不发生泄露，且具有足够的强度、刚度，保证其在超重力环境下不发生破坏并且变形较小；另一方面要求其具有密封性；观察窗的设置，方便波浪模拟过程中，观察波浪对海洋结构物的破坏现象。

具体地，水位控制单元包括控制系统、储水箱、抽水泵、流量调节阀和孔隙压力传感器，孔隙压力传感器安装在模型箱内水底，孔隙压力传感器的数据信号输出端与控制系统的数据信号输入端连接，控制系统的控制信号输出端分别与抽水泵的控制信号输入端和流量调节阀的控制信号输入端连接，抽水泵的两个输水口分别通过水管与储水箱和模型箱内部连通，流量调节阀安装在通入模型箱内的水管上。

水位控制单元可以按照实验的需求对模型箱内水位高度进行调节。

本发明的有益效果在于：

本发明的超重力场下的波浪模拟发生装置：

1、吸波单元的采用能够增强吸波效果，降低反射波对波形的影响，保证波浪模拟实验对真实环境模拟的相似度；

2、吸波单元可根据造波单元产生的波形来调整吸波板的位置和格栅开口大小，保证最优的吸波效果；

3、造波单元以简单的结构形式实现了力的传递和运动的解耦，相比于以往传动路径长且结构复杂的传动结构，其受离心场变形导致机构卡死的影响更小，更容易保证传动机构的刚性与稳定性；且区别于传统地整体移动推板的方式，只推动推板的上部，推板所承受的载荷小，因此所需要的动力也小，适用于高水深、大幅值波浪的模拟。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中第一导轨滑块组件与摇板的连接结构主视图；

图3为本发明中第一导轨滑块组件与摇板的连接结构俯视图；

图4为本发明中摇板与支座的连接结构主视图；

图5为本发明中吸波单元的结构示意图；

图6为本发明中格栅板的安装结构示意图；

图7为本发明中模型箱的结构示意图；

图8为本发明中观察窗的结构示意图。

图中：1-造波单元；11-第二导轨滑块组件；12-液压缸活塞杆；13-球铰联结器；14-摇板；15-支座；16-转轴；2-水位控制单元；3-模拟海工结构物；4-吸波单元；41-格栅开口调节结构；411-电机；412-丝杠螺母组件；42-吸波板；43-第一导轨滑块组件；44-吸波板移动结构；45-格栅板；5-水；6-模型箱；61-螺钉；62-有机玻璃板；63—前面板；631—观察窗；64—第一侧板；65—后面板；66—底板；67-第二侧板；7-土体；8-孔隙压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1，如图1所示：

超重力场下的波浪模拟发生装置，安装在在离心机吊篮中，波浪模拟发生装置包括：

模型箱6；在模型箱6内底部设置土体7，土体7上设置模拟海工结构物3，水5置于模型箱6内土体7上部；

用于控制模型箱6内水体水位的水位控制单元2；

用于向模拟海工结构物3所处方向制造波浪的造波单元1；

波浪模拟发生装置还包括：

用于对应吸收造波单元1产生的不同波形波浪的吸波单元4。

吸波单元4的采用能够增强吸波效果，降低反射波对波形的影响，保证波浪模拟实验对真实环境模拟的相似度。

在具体工作过程中，造波单元1动作，造成模拟波浪，并且波浪向模拟海工结构物3推进，通过拍打、冲击等动作作用与模拟海工结构物3进行实验，模拟波浪通过模拟海工结构物3后，再向吸波单元4移动，最终经吸波单元4吸波，降低波浪撞击到模型箱6产生的反射波对造波单元1产生的波形的影响。

实施例2，如图1、图5、图6所示，

本实施例与实施例1的区别在于：模拟海工结构物3设置在造波单元1与吸波单元4之间，吸波单元4包括：

吸波板42；吸波板42的板面上设置有间隔均匀、竖向排布的多个通孔，

第一导轨滑块组件43；包括导轨和滑块，导轨安装在模型箱6的顶部，滑块可滑动安装在导轨上，吸波板42的上端与滑块固定连接，吸波板42的移动方向为朝向或远离造波单元1的方向；

吸波板移动结构44；吸波板移动结构44为用于推动吸波板42移动的动力输出结构，吸波板移动结构44的动力输出端与吸波板42的一板面连接；

格栅板45；格栅板45的板面上设置有间隔均匀、竖向排布的多个通孔；格栅板45的板面与吸波板42的板面靠近设置；

格栅开口调节结构41；格栅开口调节结构41包括电机411、丝杠螺母组件412；电机411、丝杠螺母组件412均安装在吸波板42的板面上，丝杠螺母组件412横向安装，电机411的动力输出端与丝杠螺母组件412中丝杠的一端连接，螺母的下端通过一连接杆与格栅的顶部连接。

吸波单元4可根据造波单元1产生的波形来调整吸波板42的位置和格栅开口大小，保证最优的吸波效果。

工作时候，吸波板42在吸波板移动结构44的作用下，其上端跟随滑块沿滑槽方向动作，此动作为靠近模拟海工结构物3或者远离模拟海工结构物3；电机411工作时，带动丝杠转动，丝杠上螺母沿丝杠移动，以此来调节格栅板45与吸波板42上的通孔的大小，具体是因为格栅板45与吸波板42上孔洞交错，相互遮挡等原因造成。

以上的工作动作是根据造波单元1产生波形的频率、幅值和波长，为了保证吸波的效果，所以做出以上动作调整。

实施例3，如图5所示，

本实施例与实施例2的区别在于：吸波板移动结构44为多级伸缩液压缸。

通过多级伸缩液压缸可以在较小的安装空间内实现吸波板42较大行程的运动。

吸波板移动结构44还包括高频伺服阀等元器件，在具体使用过程中，通过旋转接头与地面的油源连通，实现液压缸动力的稳定输出。

实施例4，如图1、图2、图3、图4所示，

本实施例与实施例1的区别在于：造波单元1包括：

摇板14；摇板14安装在模型箱6内，在模型箱6内的底部安装有支座15，一转轴16穿入支座15内部和摇板14下端内部，用于支座15与摇板14的可转动连接；

第二导轨滑块组件11；第二导轨滑块组件11包括导轨和滑块，导轨竖直安装于摇板14的板面上，滑块可滑动安装在导轨上，导轨与摇板14的连接位置高于支座15与摇板14的连接位置；

用于往复推动摇板14的动力输出结构；动力输出结构的动力输出端与一球铰联结器13的一端连接，球铰联结器13的另一端与滑块可转动连接。

图中还示出了液压缸活塞杆12，液压缸活塞杆12与一球铰联结器13的一端连接。

造波单元1以简单的结构形式实现了力的传递和运动的解耦，相比于以往传动路径长且结构复杂的传动结构，其受离心场变形导致机构卡死的影响更小，更容易保证传动机构的刚性与稳定性；且区别于传统地整体移动推板的方式，只推动推板的上部，推板所承受的载荷小，因此所需要的动力也小，适用于高水深、大幅值波浪的模拟。

造波单元1工作时候，动力输出结构工作，往复推动摇板14的上部，因为第二导轨滑块组件11和球铰联结器13的连合作用，动力输出结构的作用端推动滑块沿导轨滑动，摇板14处理倾斜推出状态时候，滑块滑到导轨的上部，摇板14处理竖直状态时候，滑块滑到导轨的中部；摇板14下端的只是与模型箱6相对转动。造波单元1在工作过程中通过对动力输出结构的工作状态调整可以产生不同频率、不同幅值、不同波长的波浪形态。

实施例5，如图1所示，

本实施例与实施例4的区别在于：用于推动摇板14的动力输出结构为液压缸。

液压缸能提供更大的工作力矩，且稳定性更高。

用于推动摇板14的动力输出结构还包括高频伺服阀等元器件，在具体使用过程中，通过旋转接头与地面的油源连通，实现液压缸动力的稳定输出。

实施例6，如图7和图8所示，

本实施例与实施例1的区别在于：模型箱6包括有机玻璃板62、前面板63、观察窗631、第一侧板64、后面板65、底板66、第二侧板67，有机玻璃板62、第一侧板64、第二侧板67、后面板65和底板66围成长方体形结构，且相互之间通过螺钉61固定；前面板63置于有机玻璃板62外侧，且在前面板63上设置有多个观察窗631。这样的组合结构让模型箱6具备更好的密封性，保证模型箱6内的水不发生泄露，且具有足够的强度、刚度，保证其在超重力环境下不发生破坏并且变形较小；另一方面要求其具有密封性；观察窗的设置，方便波浪模拟过程中，观察波浪对海洋结构物的破坏现象。

实施例7，如图1所示，

本实施例与实施例1的区别在于：水位控制单元2包括控制系统、储水箱、抽水泵、流量调节阀和孔隙压力传感器8，孔隙压力传感器8安装在模型箱6内水底，孔隙压力传感器8的数据信号输出端与控制系统的数据信号输入端连接，控制系统的控制信号输出端分别与抽水泵的控制信号输入端和流量调节阀的控制信号输入端连接，抽水泵的两个输水口分别通过水管与储水箱和模型箱6内部连通，流量调节阀安装在通入模型箱6内的水管上。

水位控制单元2可以按照实验的需求对模型箱6内水位高度进行调节。水位控制单元2主要是为实验装置提供一定流量和压力的水，并通过孔隙压力传感器8实时反馈水位高度，实现实验过程中模型箱6内水位的控制，保证不同水位高度下波浪模拟的有效进行。在具体使用工程中储水箱置于离心机外部，储水箱通过旋转接头往模型箱6内送水。

实施例8，如图1所示，

本实施例与实施例1的区别在于：

在具体的工作过程中，可以通过控制装置，根据造波单元1的动作情况(或根据造波单元1产生波形的频率、幅值和波长)，同步自适应调节吸波板42的位置和吸波板42上格栅开口的大小，以保证吸波的效果，改善波形的质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (7)

1.超重力场下的波浪模拟发生装置，安装在在离心机吊篮中，波浪模拟发生装置包括：

模型箱；在模型箱内底部设置土体，土体上设置模拟海工结构物，水置于模型箱内土体上部；

用于控制模型箱内水体水位的水位控制单元；

用于向模拟海工结构物所处方向制造波浪的造波单元；

其特征在于，波浪模拟发生装置还包括：

用于对应吸收造波单元产生的不同波形波浪的吸波单元。

2.根据权利要求1所述的超重力场下的波浪模拟发生装置，其特征在于，模拟海工结构物设置在造波单元与吸波单元之间，吸波单元包括：

吸波板；吸波板的板面上设置有间隔均匀、竖向排布的多个通孔，

第一导轨滑块组件；包括导轨和滑块，导轨安装在模型箱的顶部，滑块可滑动安装在导轨上，吸波板的上端与滑块固定连接，吸波板的移动方向为朝向或远离造波单元的方向；

吸波板移动结构；吸波板移动结构为用于推动吸波板移动的动力输出结构，吸波板移动结构的动力输出端与吸波板的一板面连接；

格栅板；格栅板的板面上设置有间隔均匀、竖向排布的多个通孔；格栅板的板面与吸波板的板面靠近设置；

格栅开口调节结构；格栅开口调节结构包括电机、丝杠螺母组件；电机、丝杠螺母组件均安装在吸波板的板面上，丝杠螺母组件横向安装，电机的动力输出端与丝杠螺母组件中丝杠的一端连接，螺母的下端通过一连接杆与格栅的顶部连接。

3.根据权利要求2所述的超重力场下的波浪模拟发生装置，其特征在于：吸波板移动结构为多级伸缩液压缸。

4.根据权利要求1所述的超重力场下的波浪模拟发生装置，其特征在于，造波单元包括：

摇板；摇板安装在模型箱内，在模型箱内的底部安装有支座，一转轴穿入支座内部和摇板下端内部，用于支座与摇板的可转动连接；

第二导轨滑块组件；第二导轨滑块组件包括导轨和滑块，导轨竖直安装于摇板的板面上，滑块可滑动安装在导轨上，导轨与摇板的连接位置高于支座与摇板的连接位置；

用于往复推动摇板的动力输出结构；动力输出结构的动力输出端与一球铰联结器的一端连接，球铰联结器的另一端与滑块可转动连接。

5.根据权利要求4所述的超重力场下的波浪模拟发生装置，其特征在于：用于推动摇板的动力输出结构为液压缸。

6.根据权利要求1所述的超重力场下的波浪模拟发生装置，其特征在于，模型箱包括有机玻璃板、前面板、观察窗、第一侧板、后面板、底板、第二侧板，有机玻璃板、第一侧板、第二侧板、后面板和底板围成长方体形结构，且相互之间通过螺钉固定；前面板置于有机玻璃板外侧，且在前面板上设置有多个观察窗。

7.根据权利要求1所述的超重力场下的波浪模拟发生装置，其特征在于：水位控制单元包括控制系统、储水箱、抽水泵、流量调节阀和孔隙压力传感器，孔隙压力传感器安装在模型箱内水底，孔隙压力传感器的数据信号输出端与控制系统的数据信号输入端连接，控制系统的控制信号输出端分别与抽水泵的控制信号输入端和流量调节阀的控制信号输入端连接，抽水泵的两个输水口分别通过水管与储水箱和模型箱内部连通，流量调节阀安装在通入模型箱内的水管上。