CN110696991B - 一种海洋结构物强迫运动水池实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋结构物强迫运动水池实验装置，该装置包括支架、丝杆强迫运动机构和组合强迫运动机构。装置通过支架安装支撑，设有超声波浪高仪监测波浪信息；丝杆强迫运动机构用于强迫海洋结构物模型进行纵荡和横荡运动；组合强迫运动机构用于强迫结构物进行横摇、艏摇、纵摇和垂荡运动。本发明可以根据实验研究需求设定，令海洋结构物模型在水池中进行特定自由度或组合自由度的强迫运动，配合安装于结构物上的压力传感器和浪高仪监测的波面信息，得出结构物扰动流场特征，为海洋结构物的研发和制造提供支撑。

Description

一种海洋结构物强迫运动水池实验装置

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程装备设计制造技术，具体涉及一种海洋结构物强迫运动水池实验装置。

背景技术

海洋结构物在外力作用下会产生六自由度的摇荡运动，若以空间中某一参考点为原点建立右手直角坐标系，则这六自由度的摇荡运动可表示为沿x轴、y轴和z轴方向的平移运动，分别称为横荡、纵荡和垂荡；和以x轴、y轴和z轴为转轴的定轴转动，分别称为横摇、纵摇和艏摇。海洋结构物在外力作用下的运动都是以上述六种运动之一或多个运动的叠加。

为了分析海洋结构物的水动力特性，目前主流的实验研究方法是将海洋结构物模型置于造波水池中，通过造波机构在水池中产生波浪，使海洋结构物模型在入射波浪的作用下产生前述六种自由度运动，进而探究其水动力特性，并验证相关理论分析方法的有效性。然而，该实验研究方法在分析极地冰区船舶与海洋结构物的水动力特性时，却受到很大的限制。这主要是因为现有造波理论和方法大部分只适用于开敞水域，如何在有冰层覆盖的情况下精确模拟出冰层弯曲重力波，相应的造波理论和方法还尚未发展成熟。

基于此，在北极航道开辟和极地矿产资源开发的大背景下，迫切需要一种水池模型实验装置，以验证极地冰区海洋结构物水动力数值仿真分析方法的有效性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术对于极地冰区船舶与海洋结构物水动力特性研究的受限制问题，本发明旨在提供一种海洋结构物强迫运动水池实验装置。

技术方案：在本发明实例中，提供了一种所述海洋结构物强迫运动水池实验装置，包括所述海洋结构物强迫运动水池实验装置，包括支架、丝杆强迫运动机构、组合强迫运动机构。所述支架安装在水池上以支撑整个装置，其上设有超声波浪高仪用于监测波浪信息；所述丝杆强迫运动机构安装在所述支架的左右舷平台上，用于强迫海洋结构物模型进行纵荡和横荡运动；所述组合强迫运动机构通过组合强迫运动机构连接板安装在所述丝杆强迫运动机构中的左右舷纵荡丝杆滑块上，用于强迫船舶进行横摇、艏摇、纵摇和垂荡运动。其中：

所述支架包括左舷平台，右舷平台和超声波浪高仪。所述左舷平台与右舷平台用于放置所述丝杆强迫运动机构；所述超声波浪高仪安装在支架上，用于观测波浪信息。

所述丝杆强迫运动机构包括左舷纵荡丝杆，右舷纵荡丝杆，左舷纵荡丝杆滑块，右舷纵荡丝杆滑块，左舷横荡丝杆连接板，右舷横荡丝杆连接板，前侧横荡丝杆，后侧横荡丝杆和前后侧横荡丝杆滑块。所述左舷纵荡丝杆、右舷纵荡丝杆分别放置于支架的左舷平台和右舷平台上；所述左舷横荡丝杆连接板、右舷横荡丝杆连接板通过螺丝与对应左舷纵荡丝杆的左舷纵荡丝杆滑块或右舷纵荡丝杆的右舷纵荡丝杆滑块连接，前侧横荡丝杆和后侧横荡丝杆的两端通过移动螺母与左舷横荡丝杆连接板和右舷横荡丝杆连接板对应连接；所述前后侧横荡丝杆滑块上安装所述组合强迫运动机构。

所述组合强迫运动机构包括舷侧强迫运动机构和艏艉强迫运动机构。

所述舷侧强迫运动机构包括组合强迫运动机构连接板，左舷丝杆，右舷丝杆，左舷丝杆滑块，右舷丝杆滑块，左舷丝杆强迫运动杆和右舷丝杆强迫运动杆。所述组合强迫运动机构连接板通过螺丝连接在所述丝杆强迫运动机构中的前后侧横荡滑块上；所述左舷丝杆通过螺丝连接在所述组合强迫运动机构连接板的左舷面板上，右舷丝杆通过螺丝连接在组合强迫运动机构连接板的右舷面板上；所述左舷丝杆滑块连接在所述左舷丝杆上，并与左舷丝杆强迫运动杆连接，右舷丝杆滑块连接在右舷丝杆上，并与右舷丝杆强迫运动杆连接。

所述艏艉强迫运动机构包括艏摇杆，艏摇减速电机，艏摇轮，艏摇连接支座，艏部丝杆，艉部丝杆，艏部丝杆滑块，艉部丝杆滑块，艏部丝杆强迫运动杆和艉部丝杆强迫运动杆。所述艏摇减速电机安装在组合强迫运动机构连接板中心，其输出轴连接所述艏摇杆；所述艏摇杆两端的面板与所述艏摇连接支座相连；所述艏摇连接支座上设置有所述艏摇轮轴，用以与所述艏摇轮连接；所述艏摇轮可以在所述组合强迫运动机构连接板的所述艏摇轨道中运动；所述艏部丝杆通过螺丝安装在艏摇连接支座上，艏部丝杆滑块安装在艏部丝杆上并与艏部丝杆强迫运动杆连接，所述艉部丝杆通过螺丝安装在艏摇连接支座上，所述艉部丝杆滑块安装在所述艉部丝杆上并与艉部丝杆强迫运动杆连接。

进一步的，所述支架上安装有超声波浪高仪安装在支架上，用于观测波浪信息。

所述强迫运动杆一端为开有通孔的强迫运动杆面板用于和丝杆滑块连接；一端为球铰与所述球铰面板连接；所述球铰面板可以沿着球铰进行任意方向的转动，且所述球铰面板与海洋结构物模型相连。

所述左舷纵荡丝杆和右舷纵荡丝杆放置于所述支架的左右舷平台上，且所述左右舷纵荡丝杆滑块可以在电机驱动下沿着丝杆进行轴向运动，从而强迫海洋结构物模型进行纵荡运动。

所述前侧横荡丝杆与后侧横荡丝杆通过所述移动螺母与所述左、右舷横荡丝杆连接板连接，且所述前后侧横荡丝杆滑块可以在电机驱动下沿着丝杆进行轴向运动，从而强迫海洋结构物模型进行横荡运动。

所述左舷丝杆滑块连接左舷丝杆强迫运动杆，右舷丝杆滑块连接右舷丝杆强迫运动杆，并能在电机的驱动下沿着丝杆进行轴向运动，左、右舷丝杆相互配合从而强迫海洋结构物模型进行横摇运动。

所述艏摇杆在艏摇减速电机的驱动下带动艏摇连接支座在所述组合强迫运动机构连接板的所述艏摇轨道中运动，从而强迫海洋结构物模型进行首摇运动。

作为优选，所述艏部丝杆滑块、艉部丝杆滑块对应连接艏部丝杆强迫运动杆、艉部丝杆强迫运动杆，并能在电机的驱动下沿着丝杆进行轴向运动，艏部丝杆、艉部丝杆相互配合从而强迫海洋结构物模型进行纵摇运动。

作为优选，所述左舷丝杆、右舷丝杆和艏部丝杆、艉部丝杆相互配合，在电机的驱动下沿着丝杆进行轴向运动，从而强迫海洋结构物模型进行垂荡运动。

作为优选，所述海洋结构物强迫运动水池实验装置还包括一终端控制系统，所述终端控制系统控制所述艏摇减速电机与所述左右舷纵荡丝杆、前后侧横荡丝杆、左右舷丝杆、艏艉部丝杆，从而强迫海洋结构物模型进行特定自由度或组合自由度的运动。

有益效果：与现有实验研究手段相比，本发明所提供的海洋结构物强迫运动水池实验装置，能够根据实验研究需求，令海洋结构物在水池中进行特定自由度或组合自由度的强迫运动，配合安装于结构物上的压力传感器和浪高仪监测的波面信息，得出结构物扰动流场特征，并进行相关数值仿真分析方法有效性验证。

附图说明

图1为本发明所述装置结构的爆炸视图；

图2为本发明所述支架结构示意图；

图3为本发明所述丝杆强迫运动机构示意图；

图4为本发明所述组合强迫运动机构示意图；

图5为本发明所述舷侧强迫运动机构示意图；

图6为本发明所述艏艉强迫运动机构示意图；

图7为本发明所述强迫运动杆示意图；

图8为本发明所述实验模拟图；

图9为本发明所述装置的使用流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明所提供的是一种海洋结构物强迫运动水池实验装置，可用于模拟海洋结构物强迫运动和对于航海技术的研究，该装置的结构如图1所示。一种海洋结构物强迫运动水池实验装置主要包括支架1、丝杆强迫运动机构2、组合强迫运动机构3。支架1安装在水池上以支撑整个装置，其上设有超声波浪高仪13用于监测波浪信息；丝杆强迫运动机构2安装在支架1的左舷平台11和右舷平台12上，用于强迫海洋结构物模型51进行纵荡和横荡运动；组合强迫运动机构3通过组合强迫运动机构连接板31安装在丝杆强迫运动机构2中的左舷纵荡丝杆滑块23和右舷纵荡丝杆滑块24上，用于强迫海洋结构物模型51进行垂荡、横摇、纵摇和艏摇运动。

如图2所示的是支架1的结构，支架1包括左舷平台11，右舷平台12和超声波浪高仪13。左舷平台11与右舷平台12用于放置丝杆强迫运动机构2；超声波浪高仪13安装在支架1上，用于观测波浪信息。

如图3所述的丝杆强迫运动机构2的结构，包括左舷纵荡丝杆21，右舷纵荡丝杆22，左舷纵荡丝杆滑块23，右舷纵荡丝杆滑块24，左舷横荡丝杆连接板25，右舷横荡丝杆连接板26，前侧横荡丝杆28，后侧横荡丝杆27和前后侧横荡丝杆滑块29。左舷纵荡丝杆21和右舷纵荡丝杆22分别对应设置于支架1的左舷平台和右舷平台上；左舷横荡丝杆连接板25通过螺丝与左舷纵荡丝杆21的左舷纵荡丝杆滑块23连接，右舷横荡丝杆连接板26通过螺丝与右舷纵荡丝杆22的右舷纵荡丝杆滑块24连接，前侧横荡丝杆28和后侧横荡丝杆27的左右两端分别通过移动螺母210与左舷横荡丝杆连接板25和右舷横荡丝杆连接板26对应连接；前后侧横荡丝杆滑块29上安装组合强迫运动机构3。

如图4所示的组合强迫运动机构3，包括舷侧强迫运动机构301和艏艉强迫运动机构302。

图5所示的是舷侧强迫运动机构301结构，包括组合强迫运动机构连接板31，左舷丝杆32，右舷丝杆33，左舷丝杆滑块34，右舷丝杆滑块35，左舷丝杆强迫运动杆36和右舷丝杆强迫运动杆37。组合强迫运动机构连接板31通过螺丝连接在丝杆强迫运动机构2中的前后侧横荡滑块29上；右舷丝杆33通过螺丝连接在组合强迫运动机构连接板31的右舷面板38上，左舷丝杆32与组合强迫运动机构连接板31的连接方式与右舷丝杆33相同；左舷丝杆滑块34连接在左舷丝杆32上，并与左舷丝杆强迫运动杆36连接，右舷丝杆滑块35连接在右舷丝杆33上，并与右舷丝杆强迫运动杆37连接。

如图6所示的是艏艉强迫运动机构302的具体结构，包括艏摇杆39，艏摇减速电机310，艏摇轮311，艏摇连接支座312，艏部丝杆313，艉部丝杆314，艏部丝杆滑块315，艉部丝杆滑块316，艏部丝杆强迫运动杆317，艉部丝杆强迫运动杆318，艏摇杆面板319，艏摇轨道320和艏摇轮轴321。艏摇减速电机310安装在组合强迫运动机构连接板31的中心，其输出轴连接艏摇杆39；艏摇杆39两端的艏摇杆面板319与艏摇连接支座312相连；艏摇连接支座312上设置有艏摇轮轴321，用以与艏摇轮311连接；艏摇轮311可以在组合强迫运动机构连接板31的艏摇轨道320中运动；艏部丝杆313通过螺丝安装在艏摇连接支座312上，艏部丝杆滑块315安装在艏部丝杆313上并与艏部丝杆强迫运动杆317连接，艉部丝杆314通过螺丝安装在艏摇连接支座312上，艉部丝杆滑块316安装在艉部丝杆314上并与艉部丝杆强迫运动杆318连接。

参见图7，图7所示的是强迫运动杆41的结构，强迫运动杆41一端为开有通孔的强迫运动杆面板45用于和丝杆滑块连接；一端为球铰42与球铰面板43连接；球铰面板43可以沿着球铰42进行任意方向的转动，且球铰面板43上开有通孔44与海洋结构物模型51相连。

图8为本发明所述装置在具体进行实验操作时组装设置图，将四根强迫运动杆的球铰面板43连接在海洋结构物模型51，且艏部丝杆强迫运动杆317和艉部丝杆强迫运动杆318位于海洋结构物模型51的中线面上；海洋结构物模型51的表面设有压力传感器52用于采集海洋结构物模型51的受力情况；为了强迫海洋结构物模型51进行纵荡运动，使放置于支架1的左舷平台上11的左舷纵荡丝杆21驱动左舷纵荡丝杆滑块23沿着丝杆进行轴向运动；支架1的右舷平台12的右舷纵荡丝杆22驱动右舷纵荡丝杆滑块24沿着丝杆进行轴向运动。为了强迫海洋结构物模型51进行横荡运动，使通过移动螺母210与左舷横荡丝杆连接板25和右舷横荡丝杆连接板26连接的前侧横荡丝杆28与后侧横荡丝杆27驱动前后侧横荡丝杆滑块29沿着丝杆进行轴向运动；为了强迫海洋结构物模型51进行横摇运动，使左舷丝杆32和右舷丝杆33相互配合驱动左舷丝杆滑块34使左舷丝杆强迫运动杆36沿着丝杆进行轴向运动；左舷丝杆32和右舷丝杆33也同时相互配合驱动右舷丝杆滑块35使右舷丝杆强迫运动杆37沿着丝杆进行轴向运动。为了强迫海洋结构物模型51进行艏摇运动，使艏摇减速电机310驱动艏摇杆39带动艏摇连接支座312在组合强迫运动机构连接板31的艏摇轨道320中运动；为了强迫海洋结构物模型51进行纵摇运动，使艏部丝杆313和艉部丝杆314相互配合驱动艏部丝杆滑块315、艉部丝杆滑块316从而带动艏部丝杆强迫运动杆317、艉部丝杆强迫运动杆318沿着丝杆进行轴向运动。为了强迫海洋结构物模型51进行垂荡运动，使左舷丝杆32、右舷丝杆33、艏部丝杆313和艉部丝杆314相互配合驱动相应滑块带动相应强迫运动杆进行上下运动。

在本发明中，还包括一终端控制系统，终端控制系统控制艏摇减速电机310与左舷纵荡丝杆21、右舷纵荡丝杆22、前侧横荡丝杆28、后侧横荡丝杆27、左舷丝杆32、右舷丝杆33、艏部丝杆313和艉部丝杆314强迫海洋结构物模型51进行特定自由度或组合自由度的运动。

Claims (9)

1.一种海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：包括支架(1)、丝杆强迫运动机构(2)和组合强迫运动机构(3)，所述丝杆强迫运动机构(2)和组合强迫运动机构(3)通过支架(1)进行安装；所述丝杆强迫运动机构(2)设置于支架(1)的左右舷平台上，用于强迫海洋结构物模型进行纵荡和横荡运动；所述组合强迫运动机构(3)通过组合强迫运动机构连接板安装在丝杆强迫运动机构(2)中的左右舷纵荡丝杆滑块上，用于强迫结构物进行横摇、艏摇、纵摇和垂荡运动；

所述支架(1)包括左舷平台(11)、右舷平台(12)和超声波浪高仪(13)，左舷平台(11)与右舷平台(12)安装丝杆强迫运动机构(2)；所述支架(1)上还设有超声波浪高仪(13)用于监测波浪信息；

所述丝杆强迫运动机构(2)包括左舷纵荡丝杆(21)、右舷纵荡丝杆(22)、左舷纵荡丝杆滑块(23)、右舷纵荡丝杆滑块(24)、左舷横荡丝杆连接板(25)、右舷横荡丝杆连接板(26)、前侧横荡丝杆(28)、后侧横荡丝杆(27)和前后侧横荡丝杆滑块(29)；所述左舷纵荡丝杆(21)和右舷纵荡丝杆(22)分别对应设置于支架(1)的左舷平台和右舷平台上；所述左舷横荡丝杆连接板(25)通过螺丝与左舷纵荡丝杆(21)的左舷纵荡丝杆滑块(23)连接，所述右舷横荡丝杆连接板(26)通过螺丝与右舷纵荡丝杆(22)的右舷纵荡丝杆滑块(24)连接，前侧横荡丝杆(28)和后侧横荡丝杆(27)的左右两端分别通过移动螺母(210)与左舷横荡丝杆连接板(25)和右侧横荡丝杆连接板(26)对应连接；所述前后侧横荡丝杆滑块(29)上安装组合强迫运动机构(3)；

所述组合强迫运动机构(3)包括舷侧强迫运动机构(301)和艏艉强迫运动机构(302)；

所述舷侧强迫运动机构(301)包括组合强迫运动机构连接板(31)、左舷丝杆(32)、右舷丝杆(33)、左舷丝杆滑块(34)、右舷丝杆滑块(35)、左舷丝杆强迫运动杆(36)和右舷丝杆强迫运动杆(37)；所述组合强迫运动机构连接板(31)通过螺丝连接在丝杆强迫运动机构(2)中的前后侧横荡丝杆滑块(29)上；所述左舷丝杆(32)通过螺丝连接在组合强迫运动机构连接板(31)的左舷面板上；所述左舷丝杆滑块(34)连接在左舷丝杆(32)上，并与左舷丝杆强迫运动杆(36)连接；所述右舷丝杆(33)通过螺丝连接在组合强迫运动机构连接板(31)的右舷面板上；所述右舷丝杆滑块(35)连接在右舷丝杆(33)上，并与右舷丝杆强迫运动杆(37)连接；

所述艏艉强迫运动机构(302)包括艏摇杆(39)、艏摇减速电机(310)、艏摇轮(311)、艏摇连接支座(312)、艏部丝杆(313)、艉部丝杆(314)、艏部丝杆滑块(315)、艉部丝杆滑块(316)、艏部丝杆强迫运动杆(317)和艉部丝杆强迫运动杆(318)；所述艏摇减速电机(310)安装在组合强迫运动机构连接板(31)中心，其输出轴连接艏摇杆(39)；艏摇杆(39)两端的面板与艏摇连接支座(312)相连；艏摇连接支座(312)上设置有艏摇轮轴(321)，与艏摇轮(311)连接；所述艏摇轮在组合强迫运动机构连接板(31)的艏摇轨道(320)中运动；所述艏部丝杆(313)通过螺丝安装在艏摇连接支座(312)上，所述艏部丝杆滑块(315)安装在艏部丝杆(313)上并与艏部丝杆强迫运动杆(317)连接，所述艉部丝杆(314)通过螺丝安装在艏摇连接支座(312)上，所述艉部丝杆滑块(316)安装在艉部丝杆(314)上并与艉部丝杆强迫运动杆(318)连接。

2.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：强迫运动杆(41)一端为开有通孔(44)的强迫运动杆面板(45)和丝杆滑块连接，一端为球铰(42)与球铰面板(43)连接；所述球铰面板(43)沿着球铰(42)进行任意方向的转动，且球铰面板(43)与海洋结构物模型(51)相连。

3.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述左舷纵荡丝杆(21)和右舷纵荡丝杆(22)分别放置于支架(1)的左舷平台(11)、右舷平台(12)上，且左舷纵荡丝杆滑块(23)、右舷纵荡丝杆滑块(24)在电机驱动下沿着丝杆进行轴向运动，从而强迫海洋结构物模型进行纵荡运动。

4.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述前侧横荡丝杆(28)和后侧横荡丝杆(27)的两端分别通过移动螺母(210)与左舷横荡丝杆连接板(25)和右舷横荡丝杆连接板(26)对应连接，且前后侧横荡丝杆滑块(29)在电机驱动下沿着丝杆进行轴向运动，从而强迫海洋结构物模型进行横荡运动。

5.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述左舷丝杆滑块(34)连接左舷丝杆强迫运动杆(36)，右舷丝杆滑块(35)连接右舷丝杆强迫运动杆(37)，并能在电机的驱动下沿着丝杆进行轴向运动，左舷丝杆(32)、右舷丝杆(33)相互配合从而强迫海洋结构物模型(51)进行横摇运动。

6.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述艏摇杆(39)在艏摇减速电机(310)的驱动下带动艏摇连接支座(312)在组合强迫运动机构连接板(31)的艏摇轨道(320)中运动，从而强迫海洋结构物模型(51)进行艏摇运动。

7.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述艏部丝杆滑块(315)连接艏部丝杆强迫运动杆(317)，艉部丝杆滑块(316)连接艉部丝杆强迫运动杆(318)，并能在电机的驱动下沿着丝杆进行轴向运动，艏部丝杆(313)、艉部丝杆(314)相互配合从而强迫海洋结构物模型(51)进行纵摇运动。

8.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述左舷丝杆(32)、右舷丝杆(33)和艏部丝杆(313)、艉部丝杆(314)相互配合，驱动相应滑块带动相应强迫运动杆进行上下运动，从而强迫海洋结构物模型进行垂荡运动。

9.根据权利要求1所述的海洋结构物强迫运动水池实验装置，其特征在于：所述装置还包括一终端控制系统，所述终端控制系统控制艏摇减速电机(310)与左舷纵荡丝杆(21)、右舷纵荡丝杆(22)、前侧横荡丝杆(28)、后侧横荡丝杆(27)、左舷丝杆(32)、右舷丝杆(33)、艏部丝杆(313)、艉部丝杆(314)，从而强迫海洋结构物模型(51)进行特定自由度或组合自由度的运动。

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