CN110146255A - 一种可变速式入水砰击实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种可变速式入水砰击实验装置。本发明结构紧凑，能在室内有限空间内模拟低、中、高等不同速度下物体入水砰击作用，具有节约实验空间、稳定控速、易于捕捉实验现象的优点。本发明利用伺服电机高转速、强扭矩特点，通过调节伺服电机，控制高精度推板系统；利用入水桶和推水桶的半径比例，实现入水桶处流体速度可控。本发明克服了室内空间有限的缺点，转变物体由高空落水砰击的实验思想，通过对入水桶处流体速度控制模拟物体在不同速度下入水砰击作用，从而实现有限空间内，监测物体超大载荷作用下入水砰击实验数据与现象。本发明布置便捷，大大提高了实验研究效率。
Description
技术领域
本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种可变速式入水砰击实验装置。
背景技术
高速入水实验装置是一种可以在室内模拟物体高速入水，物体受到严重砰击的实验装置。随着世界加快对海洋资源开发，高速船舶航速越发增加，同时海洋资源开发类船舶及海洋平台越来越走向深海。高速船舶航行过程中，船体受到流体砰击严重，造成船体及设备破坏，例如船首球鼻首凹陷、尾部螺旋桨和轴系弯曲、舷侧设备起落架损坏。同时深海作业过程中，波浪波高可达数十米、波速和流速均较快，同样会对船舶和海洋平台造成严重的砰击作用。
为深入研究不同环境下，船舶与海洋平台收到的砰击作用，急需在实验室展开可视化和量化性实验机理研究。目前已有的实验手段主要是，采用大铁锤，垂直下落撞击结构，以达到撞击目的，但是这样的撞击作用与现实环境中的砰击作用大相径庭。公开号CN104697737A的专利公开了一种海洋结构物入水砰击实验装置，该装置是通过对抛载物体的速度进行控制，完成入水砰击实验。然而但同时值得注意的是，此类采用吊升结构，自由落水，以达到砰击作用相对不现实，主要是因为室内物体经过自由落体加速之后的速度有限，且落水角度控制难。因此如何在室内模拟物体高速入水是急需解决的一大课题。
发明内容
本发明的目的在于提供能针对有限的室内空间，解决室内加速有限、角度难控等问题，通过对入水桶处流体速度控制模拟物体在不同速度下入水砰击作用的一种可变速式入水砰击实验装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括入水桶，还包括推水桶；所述的推水桶内部设有推板，推板上设有加载装置，且推板与推水桶内壁之间水密连接；所述的推水桶底面通过连接管与入水桶底面连接；所述的入水桶侧面设有观察窗。
本发明还可以包括：
所述的推水桶为圆柱形；所述的入水桶为圆柱形；所述的推水桶桶口半径大于入水桶桶口半径。
所述的加载装置包括推杆；所述的推杆通过电机驱动，推杆底部与推板相连。
所述的连接管为U形管。
所述的推水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接；所述的入水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接。
所述的加载装置包括四根推杆，每两根推杆之间设有一台伺服电机；所述的推杆与伺服电机的输出齿轮连接的侧面上铺设有与伺服电机的输出齿轮相互啮合的齿条。
本发明的有益效果在于：
本发明结构紧凑，能在室内有限空间内模拟低、中、高等不同速度下物体入水砰击作用，具有节约实验空间、稳定控速、易于捕捉实验现象的优点。本发明利用伺服电机高转速、强扭矩特点，通过调节伺服电机，控制高精度推板系统；利用入水桶和推水桶的半径比例，实现入水桶处流体速度可控。本发明克服了室内空间有限的缺点，转变物体由高空落水砰击的实验思想，通过对入水桶处流体速度控制模拟物体在不同速度下入水砰击作用，从而实现有限空间内，监测物体超大载荷作用下入水砰击实验数据与现象。本发明布置便捷，大大提高了实验研究效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的入水桶结构示意图；
图3为本发明的推动装置示意图；
图4为本发明的伺服电机示意图；
图5为本发明的推杆示意图；
图6为本发明的推板示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开了一种可变速式入水砰击实验装置，包括钢制推桶、高精度可控速式推板系统、半圆弧型倒角、U型连接管和钢制入水桶，U型连接管与推桶和入水桶之间通过半圆弧型倒角进行过渡连接；高精度可控速式推板系统由圆柱形推板、伺服电机、推杆组成；推板上表面设置四个螺纹孔，用于推杆安装；推板侧面设置O型圈安装凹槽，用于O型圈安装，确保推板与推桶之间水密连接；推杆侧面设置相互垂直的直条型齿轮，下端设置螺纹段，用于与推板之间的连接；伺服电机端部设置齿轮，用于与推杆之间的连接与传动；
本发明的目的是提供一种结构紧凑、可变速、便调节、高精度、适用范围广的室内高速入水砰击实验装置。能在有限的室内空间内有效模拟低、中、高、超高速入水的室内高速入水，有别于室外环境下的高速入水实验，可有效捕捉实验现象，为学术和工程研究提供良好的实验环境。
如图1所示，本发明包括钢制推桶1，大口径为R的桶口2，桶内推板3，推板3与推桶1之间水密连接。钢制推桶1采用高强度不锈钢制成，上缘做倒圆角处理；推桶内推板3与推桶之间水密连接，保证推板移动过程中，水密型较好。钢制推桶1与钢制U型连接管5之间通过第一半圆弧型倒角4过渡连接。U型连接管5与入水桶7之间通过第二半圆弧型倒角6过渡连接。入水桶7上缘设置小口径为r的入水桶口8，并采用倒圆角过渡。
如图2所示，本发明的入水桶7用于观测物体落水之后的砰击状态和受力。所述小口径钢制入水桶为钢制结构，上缘设置导圆角结构，侧面布置观察窗，入水桶7侧面设有观察拍摄窗71，用于监测物体落水、物体入水速度、受力和变形等。为利于高速相机拍摄，观察拍摄窗71为两侧通透。拍摄过程中，采用单侧补强光，另一侧拍摄。观察拍摄窗71上附有刚强度钢化玻璃，通过弧形安装板72，利用螺栓73将高强度钢化玻璃与入水桶7紧密贴合，安装时内衬橡胶垫。
如图3～图4所示，本发明的推板3上设置四个推杆11，相邻推杆11之间布置一个伺服电机9，每个推杆11与伺服电机的输出齿轮10接触的两个侧面设置有齿条12。伺服电机拥有高精度控速、强扭矩特点，因此四个伺服电机保障了高精度控速推板系统的精确度。
如图5～如图6所示，本发明的推杆11侧面设置两组相互垂直的齿条12，端部设置插头13，用于与推板3连接。推板3侧面设置O型圈的安装槽道31，推板与大口径钢制桶之间通过O型圈水密连接。推板3上端面设置4个推杆安装螺纹孔32，用于连接推板3和推杆11。
本发明结构紧凑，能在室内有限空间内模拟低、中、高、超高速不同速度下物体入水砰击作用，具有节约实验空间、稳定控速、易于捕捉实验现象、超高速、大载荷的优点。利用伺服电机高转速、强扭矩特点，通过调节伺服电机，控制高精度推板系统，利用两边水桶半径大尺度差的特点，实现入水桶处流体可控速，甚至是超高速上升。
本发明的工作过程如下：
在实验室利用钢架结构固定钢制推桶1等一系列装置，将推杆11与推板3连接，将推板安装至推桶1内靠近桶口处。将伺服电机9处于断电状态，此时齿轮10可以灵活转动，顺着齿条12下滑，使得伺服电机9与推杆11紧密连接。通过钢架将伺服电机9后端固定，使得伺服电机9无法移动。四个伺服电机9均处于同一水平面，靠近推杆的上端。
待实验设施安装完成之后，根据不同实验工况，可以设置不同的流体推进速度，设定伺服电机的转速为N，伺服电机的端部啮合齿轮周长为L，大口径钢制推桶半径为R，小口径钢制入水桶半径为r，则通过公式：可求得入水桶内的水面上升速度V1。高速相机连续曝光时间t，拍摄物体下落高度h，计算物体下落速度则物体与入水桶内流体相对速度V3＝V1+V2。如此利用伺服电机高转速和强扭矩特点，以及推桶和入水桶的半径比例关系，可使得在有限的室内空间内V3达到较大值，且控诉精度高。
入水物体端部装有砰击压力头，用于测量入水砰击压力。通过在观察窗，利用高速相机监测物体入水时的状态、物体的变形、物体周边的流场变化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可变速式入水砰击实验装置，包括入水桶，其特征在于：还包括推水桶；所述的推水桶内部设有推板，推板上设有加载装置，且推板与推水桶内壁之间水密连接；所述的推水桶底面通过连接管与入水桶底面连接；所述的入水桶侧面设有观察窗。
2.根据权利要求1所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的推水桶为圆柱形；所述的入水桶为圆柱形；所述的推水桶桶口半径大于入水桶桶口半径。
3.根据权利要求1或2所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的加载装置包括推杆；所述的推杆通过电机驱动，推杆底部与推板相连。
4.根据权利要求1或2所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的连接管为U形管。
5.根据权利要求3所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的连接管为U形管。
6.根据权利要求1或2所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的推水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接；所述的入水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接。
7.根据权利要求3所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的推水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接；所述的入水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接。
8.根据权利要求4所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的推水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接；所述的入水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接。
9.根据权利要求5所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的推水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接；所述的入水桶底面与连接管之间通过半圆弧型倒角过渡连接。
10.根据权利要求9所述的一种可变速式入水砰击实验装置，其特征在于：所述的加载装置包括四根推杆，每两根推杆之间设有一台伺服电机；所述的推杆与伺服电机的输出齿轮连接的侧面上铺设有与伺服电机的输出齿轮相互啮合的齿条。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110146255B (zh) | 2024-05-17 |
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