CN110553815A - 一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，包括：框架、放置于框架下方的水箱、安装在框架上方的加速装置、与框架相连的倾斜装置、与倾斜装置相连的楔形体和观测系统，所述框架上设有竖直滑轨和横向滑轨；所述加速装置主要包括气缸和空压机；所述楔形体为柔性楔形体或刚性楔形体；所述观测系统包括压力传感器、应变传感器、速度传感器、加速度传感器和粒子图像测速装置。本发明布置紧凑、易于实现、节省成本，通过对气缸的输出压力的控制可保证试验过程的可重复性。本发明较传统入水装置能够在较短的楔形体运动行程内实现更精确更大的入水速度，观测方式较多。

Description

一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置

技术领域

本发明涉及船舶工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置。

背景技术

入水问题在船舶与海洋工程领域中广泛存在，如风浪中航行运行船体所受砰击力与砰击后变形的预测、鱼雷弹体等入水后的运动的精确判断与追踪。对于入水问题的研究无论是在民用还是军工方面都具有着重要的意义。然而，由于入水问题常常会伴有流体的剧烈扰动与物体形变，且二者互相影响，给研究带来了一定的难度。为了解决上述难点采用试验的方法，模型试验作为工程领域一种有力的研究方式，同样适用于入水问题。而现有技术中存在入水试验采用自由落体的方式时速度较低，试验装置整体尺寸较大，进行试验所需条件较高造成实施不方便等问题。

发明内容

根据上述提出的入水试验试验装置整体尺寸较大、入水速度较低以及进行试验所需条件较高造成实施不方便的技术问题，而提供一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置。本发明主要通过空压机带动气缸产生推力从而推动横向滑轨的紧固滑块以实现楔形体与倾斜装置的加速，使楔形体以要求的角度与速度落入水中，从而观察此过程中局部压力、形变值与流场的变化情况；可简化观测实际入水问题的各种物理现象；通过气缸推力给楔形体加速使其以一定倾角与要求速度落入水中，可保证整个装置的稳定性与可重复性。

本发明采用的技术手段如下：

一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，包括框架、放置于框架下方的水箱、安装在框架上方的加速装置、与框架相连的倾斜装置、与倾斜装置相连的楔形体和观测系统；

所述框架由支架和置于支架上的直线滑轨组成，所述支架为由铝型材制作成的矩形框架，所述矩形框架为由顶型材和垂直于顶型材的支撑型材组成的中空结构；所述顶型材的下方置有所述水箱，所述水箱放置于可移动底座上；两侧所述长型材上均设有竖直滑轨，两侧所述竖直滑轨对称设置，所述竖直滑轨与所述长型材共同连接有局部加强结构，添加局部加强结构，可使竖直滑轨更加稳固；两侧所述竖直滑轨上对称设有滑块，两侧所述滑块分别连接在设置的横向滑轨的两端，所述横向滑轨上设有紧固滑块，所述紧固滑块固定连接有所述倾斜装置；两侧所述竖直滑轨的上端共同连接有垫板，所述垫板的中部开有通孔，用于固定所述加速装置；

所述加速装置主要包括气缸和空压机，通过所述空压机带动气缸产生推力推动横向滑轨的紧固滑块以实现楔形体与倾斜装置的加速，通过控制所述空压机不同的输出压力使得所述气缸产生不同的推力以实现楔形体不同的入水速度；所述气缸的活塞杆头部设有与横向滑轨的紧固滑块上部面积相同的平板，可增加头部与滑块的接触面积，提供更加稳定均匀的力；

所述倾斜装置包括支撑杆，所述支撑杆的上端与所述紧固滑块相连，所述支撑杆的下端连接有定位块，所述定位块的一侧连接有调角半圆，所述定位块与所述调角半圆上开有相通的螺纹孔，两个所述螺纹孔内共同连接有连接螺栓，所述定位块、所述调角半圆与所述连接螺栓的相对位置通过在螺纹中的旋转调整，出现间隙则在需要部位加装垫片以限制沿连接螺栓轴方向的位移；所述连接螺栓的头部为长方体块，所述长方体块上开有第一通孔，所述第一通孔的轴线与所述调角半圆的半圆面平行；所述第一通孔内连接有伸杆，所述伸杆的中部连接有调角小块，所述调角小块与所述调角半圆相连；所述伸杆的下端连接有所述楔形体，通过整个倾斜装置即可实现楔形体以想要的角度倾斜下落的功能；

所述楔形体为柔性楔形体或刚性楔形体；

所述观测系统包括压力传感器、应变传感器、速度传感器、加速度传感器和粒子图像测速装置(piv)；所述压力传感器置于所述楔形体尖点与中点，用于测得特定点的压力；所述应变传感器置于所述楔形体尖点与中点，用于测得特定点的形变；所述速度传感器置于所述楔形体尖点上部的板上，用于测量楔形体入水时速度；所述加速度传感器置于楔形体上部，用于求得楔形体所受合力；所述粒子图像测速装置中的示踪粒子置于水中，激光灯放置于水箱架中，高速摄像机放置于水箱前面，用于监测楔形体下流体速度变化；所述试验装置上可放置多种传感器来观察试验过程中不同的物理量，各种传感器与高速摄像机的影像构成了整个装置完备的观测系统；

工作过程中，所述试验装置经由三个过程，分别是平衡状态、加速过程以及缓冲过程；

所述平衡状态为：电磁铁安装于两边竖直滑轨伸出的平台上，吸附横向滑轨的两端，空压机不工作，横向滑轨在行程最上端平衡准备下落；其中，电磁铁通过吸附横向滑轨使得楔形体与倾斜装置处于平衡状态；

所述加速过程为：加速过程分为两步，分别为气缸行程内通过气缸推力产生较大加速度的加速过程与气缸行程以外横向滑轨自由落体的加速过程；

所述缓冲过程为：在楔形体装置触水观测完毕后，竖直导轨的滑块运动到装弹簧的位置，在弹簧作用下减速，整个行程到柔性绳的绳长后在柔性绳拉力作用下停止。

进一步地，两侧所述竖直滑轨的下方均设有缓冲弹簧，用于缓冲整个横向滑轨高速下落的冲击力。

进一步地，所述垫板在水平方向的位置可调，垫板沿与所述顶型材的长型材垂直的方向左右移动，所述垫板位置调整后通过c形卡与所述竖直滑轨固定连接，通过调整垫板的位置以使气缸活塞杆能精准地与横向滑轨的紧固滑块平面对接。

进一步地，所述支撑杆包括第二铝型材和安装在所述第二铝型材上下两端的具有平面的套筒，位于上端的套筒与所述紧固滑块相连，位于下端的套筒与所述定位块相连。

进一步地，所述调角半圆的边缘开有间隔5°的一圈第一螺纹孔，所述调角小块的两边开有角度间隔10°的两个第二螺纹孔，所述调角小块与所述调角半圆通过所述第二螺纹孔与所述第一螺纹孔内共同连接的螺栓固定连接，其中，所述第二螺纹孔的曲率与所述第一螺纹孔到调角半圆圆心的距离相同。因此，要使伸杆达到想要的倾斜角度，则把调角小块的两个第二螺纹孔对应到调角半圆对应角度加减5°的第一螺纹孔，用螺栓将两装置的螺纹孔拧到一起固定，即可实现。

进一步地，所述连接螺栓与所述伸杆连接处的上下两侧至少设有两个螺帽，所述调角小块与所述伸杆连接处的上下两侧至少设有两个螺帽，所述伸杆与所述连接螺栓和所述调角小块连接处均设有外螺纹，通过在所述连接螺栓与调角小块的上下两侧设置螺帽，用于限制伸杆的纵向位移。

进一步地，所述横向滑轨两端连接有柔性绳，两个所述柔性绳的另一端连接在所述垫板的两端，用于缓冲高速下落的冲击力，保护装置。

进一步地，所述框架的设计主要满足两点要求：1)能够安置水箱，并可装配加速装置(气缸和空压机)、各种传感器、倾斜装置(角度调整装置)、楔形体固定装置、高速摄像机以及piv用激光灯等；2)能承受高速下落的楔形体等装置的冲击力。基于上述两点要求，采用大尺寸的6060型铝型材搭建整个框架，并在局部位置增加必要的加强装置和缓冲装置，所述加强装置即为稳固竖直滑轨的局部加强结构，所述缓冲装置即为所述竖直滑轨下方装有的所述缓冲弹簧以及所述横向滑轨两端系柔性绳连接上垫板，用于缓冲高速下落的冲击力，保护装置。

进一步地，所述柔性楔形体为使用厚度为5mm、长度为600mm和宽度为300mm的板，且从所述板的长边中点处分别折出10°、15°和20°的底升角，并在折弯尖角处焊接立板，以连接；所述刚性楔形体是在柔性楔形体的基础上将铝板中不接触水的一侧包覆木板以实现刚性的要求；所述柔性楔形体与所述刚性楔形体的重量相同，所述柔性楔形体增加与包覆木板重量相同的配重；所述楔形体尖点的线上焊接开孔的厚板，所述厚板的两边对称开孔，用于安装配重，以调节整个楔形体装置的重量，在楔形体尖点的线上焊接开孔的厚板，既使尖点处柔性变形小，又可提供连接伸杆的安装孔。

进一步地，所述调角半圆的两侧设有适量垫片，用于限制所述连接螺栓的沿螺杆方向的位移。

进一步地，所述倾斜装置的核心部分为调角半圆与调角小块。通过这两个装置与在调角半圆处装配的连接螺栓相结合固定楔形体的伸杆，使得楔形体试验过程中始终倾斜固定的角度。

进一步地，通过调角装置变换楔形体的倾斜角度，与刚性楔形体、柔性楔形体以及不同速度大小相互组合作为实验不同的对照组。

进一步地，整个实验装置高约2m，构造紧凑，实施方便。

进一步地，所述试验装置通过气缸推力加速倾斜装置与楔形体，使楔形体以要求的角度与速度落入水中，从而观察此过程中局部压力、形变值与流场的变化情况。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，通过气缸推力加速倾斜装置与楔形体，使楔形体以要求的角度与速度落入水中，观察此过程中局部压力、形变值与流场的变化情况。通过气缸推力给楔形体加速使其以一定倾角与要求速度落入水中，可保证整个装置的稳定性与可重复性。

2、本发明提供的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，整个装置布置紧凑、易于实现、节省成本，通过对气缸的输出压力的控制可保证试验过程的可重复性。

3、本发明提供的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，较传统入水装置能够在较短的楔形体运动行程内实现更精确更大的入水速度，观测方式较多。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的入水试验试验装置整体尺寸较大、入水速度较低以及进行试验所需条件较高造成实施不方便等问题。

基于上述理由本发明可在船舶与海洋工程等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置整体布置的轴测图。

图2为本发明中框架结构轴测图。

图3为本发明中框架结构正视图。

图4为本发明中框架结构侧视图。

图5为本发明中框架结构俯视图。

图6为本发明中倾斜装置与楔形体的轴测图。

图7为本发明中倾斜装置与楔形体的正视图。

图8为本发明中倾斜装置与楔形体的侧视图。

图9为本发明中倾斜装置与楔形体的俯视图。

图中：1、框架；2、加速装置；3、倾斜装置；4、楔形体；5、水箱；6、支架；7、竖直滑轨；8、垫板；9、横向滑轨；10、局部加强结构；11、缓冲弹簧；12、套筒；13、定位块；14、调角半圆；15、连接螺栓；16、调角小块；17、配重；18、伸杆；19、第二铝型材。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-9所示，本发明提供了一种适用于楔形体4加速倾斜入水的试验装置，包括框架1、放置于框架1下方的水箱5、安装在框架1上方的加速装置2、与框架1相连的倾斜装置3、与倾斜装置3相连的楔形体4和观测系统。

框架1由支架6和置于支架6上的直线滑轨组成，支架6为由铝型材制作成的矩形框架1，矩形框架1为由顶型材和垂直于顶型材的支撑型材组成的中空结构，其中，顶型材由两侧水平对称设置的长型材和与长型材垂直的水平对称设置的短型材组成中空的长方形，顶型材的四角分别垂直固定支撑型材，支撑型材至少设有四根；顶型材的下方置有水箱5，水箱5放置于可移动底座上，可移动底座采用铝型材组装为稍大于水箱5的矩形框架，并在矩形框架的四角加装轮子，可移动底座为现有技术，图中未画出；两侧长型材上均设有竖直滑轨7，两侧竖直滑轨7对称设置，竖直滑轨7与长型材共同连接有局部加强结构10，在竖直滑轨7与长型材连接处的长度方向上的两侧以及底部均添加局部加强结构10，可使竖直滑轨7更加稳固，其中，局部加强结构10主要包括两种，一种为与框架1中顶型材的长型材平行的用于固定竖直滑轨7底座的铝型材加强结构，另一种为两端切45°倒角的铝型材加强结构，固定于竖直滑轨7两端以限制竖直滑轨7试验过程中的摇摆；两侧竖直滑轨7上对称设有滑块，两侧滑块分别连接在设置的横向滑轨9的两端，横向滑轨9上设有紧固滑块，紧固滑块固定连接有倾斜装置3；两侧竖直滑轨7的下方均设有缓冲弹簧11，用于缓冲整个横向滑轨9高速下落的冲击力；两侧竖直滑轨7的上端共同连接有垫板8，两侧竖直滑轨7的上端分别连接在垫板8的两侧，垫板8的中部开有通孔，用于固定加速装置2，垫板8在水平方向的位置可调，垫板8沿与顶型材的长型材垂直的方向左右移动，垫板8位置调整后通过c形卡与竖直滑轨7固定连接，垫板8的每一端的两边均各设有一个c形卡，即垫板8的每一端均通过两个c形卡与竖直滑轨7固定连接。通过调整垫板8的位置，进而调整固定在垫板8上的气缸的位置，从而使气缸活塞杆能精准地与横向滑轨9的紧固滑块平面对接。

加速装置2主要包括气缸和空压机，通过空压机带动气缸产生推力推动横向滑轨9的紧固滑块以实现楔形体4与倾斜装置3的加速，通过控制空压机不同的输出压力使得气缸产生不同的推力以实现楔形体4不同的入水速度；气缸的活塞杆头部设有与横向滑轨9的紧固滑块上部面积相同的平板，可增加头部与滑块的接触面积，提供更加稳定均匀的力；气缸选用缸径为80mm，行程为300mm的型号，可持续输出最大300kg的力。

倾斜装置3包括支撑杆，支撑杆的上端与紧固滑块相连，支撑杆的下端连接有定位块13，支撑杆包括第二铝型材19和安装在第二铝型材19上下两端的具有平面的套筒12，位于上端的套筒12与紧固滑块相连，位于下端的套筒12与定位块13相连；定位块13的一侧连接有调角半圆14，定位块13与调角半圆14上开有相通的螺纹孔，两个螺纹孔内共同连接有可旋转连接螺栓15，为了限制连接螺栓15的沿螺杆方向的位移，调角半圆14的两侧均设有适量垫片，定位块13、调角半圆14与连接螺栓15的相对位置通过在螺纹中的旋转调整，出现间隙则在需要部位加装垫片以限制沿连接螺栓15轴方向的位移；连接螺栓15的头部为长方体块，长方体块上开有第一通孔，第一通孔的轴线与调角半圆14的半圆面平行；第一通孔内螺纹连接有伸杆18，伸杆18的中部螺纹连接有调角小块16，伸杆18穿过调角小块16上开有的螺纹孔，调角小块16与调角半圆14相连；伸杆18的下端连接有楔形体4，通过整个倾斜装置3即可实现楔形体4以想要的角度倾斜下落的功能。

调角半圆14的边缘开有间隔5°的一圈第一螺纹孔，调角小块16的两边开有角度间隔10°的两个第二螺纹孔，调角小块16与调角半圆14通过第二螺纹孔与第一螺纹孔内共同连接的螺栓固定连接，其中，第二螺纹孔的曲率与第一螺纹孔到调角半圆14圆心的距离相同。因此，要使伸杆18达到想要的倾斜角度，则把调角小块16的两个第二螺纹孔对应到调角半圆14对应角度加减5°的第一螺纹孔，用螺栓将两装置的螺纹孔拧到一起固定，即可实现。

连接螺栓15与伸杆18连接处的上下两侧至少设有两个螺帽，调角小块16与伸杆18连接处的上下两侧至少设有两个螺帽，伸杆18与连接螺栓15和调角小块16连接处均设有外螺纹，通过在连接螺栓15与调角小块16的上下两侧设置螺帽，以限制伸杆18的纵向位移。

楔形体4为柔性楔形体4或刚性楔形体4，柔性楔形体4使用厚度为5mm，长度为600mm，宽为300mm的板从长边中点处分别折出10°、15°和20°的底升角；刚性楔形体4是在柔性楔形体4的基础上将铝板中不接触水的一侧包覆木板以实现刚性的要求；柔性楔形体4与刚性楔形体4的重量相同，柔性楔形体4增加与包覆木板重量相同的配重17；楔形体4尖点的线上焊接开孔的厚板，厚板的两边对称开孔，用于安装配重17，以调节整个楔形体4装置的重量，在楔形体4尖点的线上焊接开孔的厚板，既使尖点处柔性变形小，又可提供连接伸杆18的安装孔。

观测系统包括压力传感器、应变传感器、速度传感器、加速度传感器和粒子图像测速装置(piv)；压力传感器置于楔形体4尖点与中点，用于测得特定点的压力；应变传感器置于楔形体4尖点与中点，用于测得特定点的形变；速度传感器置于楔形体4尖点上部的板上，用于测量楔形体4入水时速度；加速度传感器置于楔形体4上部，用于求得楔形体4所受合力；粒子图像测速装置中的示踪粒子置于水中，激光灯放置于水箱5架中，高速摄像机放置于水箱5前面，用于监测楔形体4下流体速度变化；试验装置上可放置多种传感器来观察试验过程中不同的物理量，各种传感器与高速摄像机的影像构成了整个装置完备的观测系统；

本实施例中，框架1的设计主要满足两点要求：1)能够安置水箱5，并可装配加速装置2(气缸和空压机)、各种传感器、倾斜装置3(角度调整装置)、楔形体4固定装置、高速摄像机以及piv用激光灯等；2)能承受高速下落的楔形体4等装置的冲击力。基于上述两点要求，采用大尺寸的6060型铝型材搭建整个框架1，并在局部位置增加必要的加强装置和缓冲装置，加强装置即为稳固竖直滑轨7的局部加强结构10，缓冲装置即为竖直滑轨7下方装有的缓冲弹簧11、横向滑轨9两端系柔性绳的一端，两个柔性绳的另一端连接在垫板8的两端，以缓冲高速下落的冲击力，保护装置。

本实施例中，整个装置高约2m，构造紧凑，实施方便。

本实施例中，倾斜装置3的核心部分为调角半圆14与调角小块16。通过这两个装置与在调角半圆14处装配的连接螺栓15相结合固定楔形体4的伸杆18，使得楔形体4试验过程中始终倾斜固定的角度。

实施例2

工作过程中，试验装置经由三个过程，分别是平衡状态、加速过程以及缓冲过程；

平衡状态：电磁铁安装于两边竖直滑轨7伸出的平台上，吸附横向滑轨9的两端，空压机不工作，横向滑轨9在行程最上端平衡准备下落；其中，电磁铁通过吸附横向滑轨9使得楔形体4与倾斜装置3处于平衡状态；电磁铁为现有技术，图中未画出；

加速过程：加速过程分为两步，分别为气缸行程内通过气缸推力产生较大加速度的加速过程与气缸行程以外横向滑轨9自由落体的加速过程；

缓冲过程：在楔形体4装置触水观测完毕后，竖直导轨的滑块运动到装弹簧的位置，在弹簧作用下减速，整个行程到柔性绳的绳长后在柔性绳拉力作用下停止。

工作过程中，电磁铁先通电吸住横向滑轨9连接的倾斜装置3与楔形体4，之后开启空压机，使气缸开始工作，经过1s后使电磁铁断开，楔形体4在空压机行程内加速后做近似自由落体运动。

实施例3

气缸输出压力与下落速度对应计算：

按照方案要求计算各装置的配置与重量，假设重量分布集中于中部，考虑竖直滑块的摩擦损失等因素，对整个装置进行分析计算：

(1)经过模型测量，楔形体4到水面的距离即有效的加速距离约为756mm。需求气缸推动要达到的速度，则先对气缸推动之后的近似自由落体(去掉摩擦损失假定加速度g₁＝9.8m/s²),运动的总位移为756mm-200mm＝556m，要使落到水面时达到7m/s的速度，则：

得到t＝0.0844,v₀＝6.173m/s。

(2)拟定选用缸径为80mm、行程为0.2m的气缸，可以在行程内持续输出最大300kg的力。用气缸推动楔形体4使其在行程内产生6.256m/s的速度，则：

得到t＝0.0648s，a＝95.256m/s²。

要使横向轨道加楔形体4与一系列装置在空压机行程内获得这个加速度。

(3)由于F＝ma，要得到力需先计算并获得加速度的装置的重量

加速度装置总重量＝0.7m×横向滑轨重量+紧固滑块重量+连接杆件重量+调角装置重量+楔形体重量

＝10.45kg×0.7+0.159kg+0.27kg+(1.21527+0.50432+3.06504+2.4044)×10^{^}-4×7930kg/m³(不锈钢)+6.998kg

＝7.315kg+0.159kg+0.27kg+5.70kg+6.998kg

＝20.44kg

(4)为方便估算，选取一个1.1的阻力系数

F总＝cma＝1.1×20.44kg×95.256m/s²＝2141.736N＝气缸推力-阻力

所以，气缸推力>2141.736N。

(5)气缸与紧固滑块的侧面接触面积为：

S＝L×W＝86mm×140mm＝0.01204m²；

则空压机所需提供给气缸的压力为P＝F/S＝0.1779Mpa；

据此方法，得到各速度对应的最小气缸压力如下：

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，包括：框架、放置于框架下方的水箱、安装在框架上方的加速装置、与框架相连的倾斜装置、与倾斜装置相连的楔形体和观测系统；

所述框架由支架和置于支架上的直线滑轨组成，所述支架为由铝型材制作成的矩形框架，所述矩形框架为由顶型材和垂直于顶型材的支撑型材组成的中空结构；所述顶型材的下方置有所述水箱，所述水箱放置于可移动底座上；两侧所述长型材上均设有竖直滑轨，两侧所述竖直滑轨对称设置，所述竖直滑轨与所述长型材共同连接有局部加强结构；两侧所述竖直滑轨上对称设有滑块，两侧所述滑块分别连接在设置的横向滑轨的两端，所述横向滑轨上设有紧固滑块，所述紧固滑块固定连接有所述倾斜装置；两侧所述竖直滑轨的上端共同连接有垫板，所述垫板的中部开有通孔，用于固定所述加速装置；

所述加速装置主要包括气缸和空压机，通过所述空压机带动气缸产生推力推动横向滑轨的紧固滑块以实现楔形体与倾斜装置的加速，通过控制所述空压机不同的输出压力使得所述气缸产生不同的推力以实现楔形体不同的入水速度；所述气缸的活塞杆头部设有与横向滑轨的紧固滑块上部面积相同的平板，用于增加头部与滑块的接触面积，提供更加稳定均匀的力；

所述倾斜装置包括支撑杆，所述支撑杆的上端与所述紧固滑块相连，所述支撑杆的下端连接有定位块，所述定位块的一侧连接有调角半圆，所述定位块与所述调角半圆上开有相通的螺纹孔，两个所述螺纹孔内共同连接有可旋转连接螺栓；所述连接螺栓的头部为长方体块，所述长方体块上开有第一通孔，所述第一通孔的轴线与所述调角半圆的半圆面平行；所述第一通孔内连接有伸杆，所述伸杆的中部连接有调角小块，所述调角小块与所述调角半圆相连；所述伸杆的下端连接有所述楔形体，通过整个倾斜装置实现楔形体以想要的角度倾斜下落的功能；

所述楔形体为柔性楔形体或刚性楔形体；

所述观测系统包括压力传感器、应变传感器、速度传感器、加速度传感器和粒子图像测速装置；所述压力传感器置于所述楔形体尖点与中点，用于测得特定点的压力；所述应变传感器置于所述楔形体尖点与中点，用于测得特定点的形变；所述速度传感器置于所述楔形体尖点上部的板上，用于测量楔形体入水时速度；所述加速度传感器置于楔形体上部，用于求得楔形体所受合力；所述粒子图像测速装置中的示踪粒子置于水中，激光灯放置于水箱架中，高速摄像机放置于水箱前面，用于监测楔形体下流体速度变化；

工作过程中，所述试验装置经由三个过程，分别是平衡状态、加速过程以及缓冲过程；

所述平衡状态为：电磁铁安装于两边竖直滑轨伸出的平台上，吸附横向滑轨的两端，空压机不工作，横向滑轨在行程最上端平衡准备下落；

所述加速过程为：加速过程分为两步，分别为气缸行程内通过气缸推力产生较大加速度的加速过程与气缸行程以外横向滑轨自由落体的加速过程；

所述缓冲过程为：在楔形体装置触水观测完毕后，竖直导轨的滑块运动到装弹簧的位置，在弹簧作用下减速，整个行程到柔性绳的绳长后在柔性绳拉力作用下停止。

2.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，两侧所述竖直滑轨的下方均设有缓冲弹簧，用于缓冲整个横向滑轨高速下落的冲击力。

3.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述垫板在水平方向的位置可调，垫板沿与所述顶型材的长型材垂直的方向左右移动，所述垫板位置调整后通过c形卡与所述竖直滑轨固定连接，通过调整垫板的位置以使气缸活塞杆能精准地与横向滑轨的紧固滑块平面对接。

4.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述支撑杆包括第二铝型材和安装在所述第二铝型材上下两端的具有平面的套筒，位于上端的套筒与所述紧固滑块相连，位于下端的套筒与所述定位块相连。

5.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述调角半圆的边缘开有间隔5°的一圈第一螺纹孔，所述调角小块的两边开有角度间隔10°的两个第二螺纹孔，所述调角小块与所述调角半圆通过所述第二螺纹孔与所述第一螺纹孔内共同连接的螺栓固定连接，其中，所述第二螺纹孔的曲率与所述第一螺纹孔到调角半圆圆心的距离相同。

6.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述连接螺栓与所述伸杆连接处的上下两侧至少设有两个螺帽，所述调角小块与所述伸杆连接处的上下两侧至少设有两个螺帽，用于限制伸杆的纵向位移。

7.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述横向滑轨两端连接有柔性绳，两个所述柔性绳的另一端连接在所述垫板的两端。

8.根据权利要求1所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述柔性楔形体为使用厚度为5mm、长度为600mm和宽度为300mm的板，从所述板的长边中点处分别折出10°、15°和20°的底升角，；所述刚性楔形体是在柔性楔形体的基础上将铝板中不接触水的一侧包覆木板以实现刚性的要求；所述柔性楔形体与所述刚性楔形体的重量相同，所述柔性楔形体增加与包覆木板重量相同的配重；所述楔形体尖点的线上焊接开孔的厚板，所述厚板的两边对称开孔，用于安装配重，以调节整个楔形体装置的重量。

9.根据权利要求1或5所述的适用于楔形体加速倾斜入水的试验装置，其特征在于，所述调角半圆的两侧设有垫片，用于限制所述连接螺栓的沿螺杆方向的位移。