CN110823509B - 一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气垫载荷模型试验领域，具体涉及一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置。本发明通过安装在试验水池一侧的位移传感器记录冰面的变形特点，通过调节鼓风机的进气量控制气垫载荷的大小，通过横向牵引机构和纵向牵引机构控制气垫载荷在自由表面上做不同轨迹的水平运动，首部及尾部升沉运动控制系统控制移动气垫载荷的升沉运动，从而将移动气垫载荷的升沉运动影响考虑进去。本发明操作方便，可以自定义选择气垫载荷移动方式，同时还可以改变气垫载荷大小、冰层厚度等试验参数，研究在考虑移动气垫载荷升沉运动影响后的冰面水弹性响应。

Description

一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置
技术领域
本发明属于气垫载荷模型试验领域，具体涉及一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置。
背景技术
传统的排水型船舶进行模型试验时，通过拖车控制船模的水平运动，而不约束其升沉方向的运动；模型升沉运动的状态由其自身所受浮力来控制。但是对于移动气垫载荷模型试验，气垫没有直接与自由表面接触，自由表面的变形情况不会影响气垫移动载荷的升沉运动状态，使气垫载荷在一个恒定高度位置保持着运动，这与实际情况存在很大差异，严重影响实验结果的准确性。因为气垫载荷升沉运动会影响气垫的泄流量，从而影响气垫的压力分布和大小。所以考虑气垫载荷的升沉运动，对移动气垫载荷模型试验有着重要的影响，能够极大的提高模型试验的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供能够在试验过程中调节气垫载荷的升沉运动的一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括试验水池、纵向运动架、横向运动架和牵引机构；所述的试验水池内部侧壁上安装有位移传感器，试验水池两侧壁上方搭载有纵向运动滑道；所述的纵向运动架上方搭载有横向运动滑道；所述的纵向运动架与横向运动架底部均设有滑轮；所述的纵向运动架安装在纵向运动滑道上；所述的横向运动架安装在横向滑道上；所述的牵引机构包括横向牵引机构和纵向牵引机构；所述的横向牵引机构与横向运动架连接；所述的纵向牵引机构与纵向运动架连接；还包括气垫载荷模块；所述的气垫载荷模块包括鼓风机和通风管；所述的横向运动架上安装有升沉运动控制器，横向运动架下方设有喷气管；所述的通风管一端与鼓风机连接，另一端穿过横向运动架与喷气管连接；所述的横向运动滑道与纵向运动架之间设有电磁铁、永磁铁和弹簧；所述的电磁铁安装在纵向运动架上；所述的永磁铁安装在横向运动滑道下方，且位于电磁铁上方；所述的弹簧一端连接在横向运动滑道下方，另一端连接在纵向运动架上；所述的喷气管的前后两侧分别设有微型位移传感器；所述的微型位移传感器将数据传输给升沉运动控制器，升沉运动控制器控制电磁铁的磁力。
本发明还可以包括：
所述的纵向运动架包括首部纵向运动杆和尾部纵向运动杆；所述的升沉运动控制器包括首部升沉运动控制器及尾部升沉运动控制器；所述的首部纵向运动杆的前后两端均安装有电磁铁，且首部纵向运动杆上的所有电磁铁的磁力均由首部升沉运动控制器控制；所述的尾部纵向运动杆的前后两端均安装有电磁铁，且尾部纵向运动杆上的所有电磁铁的磁力均由尾部升沉运动控制器控制；所述的喷气管前后两侧的微型位移传感器通过电线分别与首部升沉运动控制器和尾部升沉运动控制器相连。
本发明的有益效果在于：
本发明通过横向牵引机构和纵向牵引机构控制气垫载荷在自由表面上做不同轨迹的水平运动，气垫载荷由鼓风机吹气产生，在气垫载荷作用下，自由表面会产生相应的变形；喷气管前后两侧的微型位移传感器将测量得到的喷气管下方自由表面的变形结果反馈给首部及尾部升沉运动控制系统，首部及尾部升沉运动控制系统控制移动气垫载荷的升沉运动，从而将移动气垫载荷的升沉运动影响考虑进去。本发明通过安装在试验水池一侧的位移传感器记录冰面的变形特点，通过调节鼓风机的进气量控制气垫载荷的大小，通过调节纵向牵引机构和横向牵引机构的转动速度控制气垫载荷在水平面两个方向的运动速度从而实现不同轨迹的运动状态。基于设计的控制系统，气垫载荷的升沉运动能够在试验过程中自动调节，从而考虑模型试验中气垫载荷的升沉运动影响。本发明操作方便，可以自定义选择气垫载荷移动方式，同时还可以改变气垫载荷大小、冰层厚度等试验参数，研究在考虑移动气垫载荷升沉运动影响后的冰面水弹性响应。
附图说明
图1为本发明的整体结构的示意图。
图2为本发明的整体结构的俯视图。
图3为本发明的整体结构的左视图。
图4(a)为初始时刻喷气口下方冰面变形示意图。
图4(b)为运动过程中任意时刻的喷气口下方冰面变形示意图。
图5为升沉运动控制器内置的滑动变阻器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明为一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置，主要应用于模拟移动气垫载荷在冰面上以不同轨迹运动时，同时考虑移动气垫载荷升沉运动对冰面变形的影响，这是一个动态的调节过程。
本发明通过牵引机构控制气垫载荷在纵向和横向的运动方式，根据气垫船的运动方式，测量气垫载荷前后两侧在不同时刻的位移差，计算其在升沉运动方向的运动加速度，再根据牛顿第二定律，以及一套简易的电磁铁系统来控制气垫载荷在升沉运动方向的加速度，从而实现在模型试验时考虑气垫载荷升沉运动的影响。通过改变气垫载荷的运动轨迹，气垫载荷大小，冰层厚度等试验参数，研究在考虑移动气垫载荷升沉运动影响后的冰面水弹性响应。本发明可以自定义选择气垫载荷的运动轨迹，也可以改变气垫载荷大小以及冰层厚度，研究在考虑移动气垫载荷升沉运动影响后的冰面水弹性响应。
如图1所示，一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置，包括试验水池1、纵向运动架、横向运动架和牵引机构。试验水池内部侧壁上安装有位移传感器20，试验水池两侧壁上方搭载有第一纵向运动滑道3-1和第二纵向滑道3-2。纵向运动架包括首部纵向运动杆5和尾部纵向运动杆6，在首部纵向运动杆5上方的前后两端分别安装有第一电磁铁7-1和第二电磁铁7-2，在尾部纵向运动杆6上方的前后两端分别安装有第三电磁铁7-3和第四电磁铁7-4，首部纵向运动杆5底部前后两端分别安装有两个首部纵向滑轮4-1，尾部纵向运动杆6底部前后两端安装有两个尾部纵向滑轮4-2。首部纵向运动杆5和尾部纵向运动杆6均设置在第一纵向运动滑道3-1和第二纵向滑道3-2上方。
首部纵向运动杆5上方搭载有第一横向运动滑道8-1，首部纵向运动杆5与第一横向运动滑道8-1之间通过首尾两端的第一弹簧9-1和第二弹簧9-2连接，在第一电磁铁7-1上方设有第一永磁铁10-1，第一永磁铁10-1安装在第一横向运动滑道8-1首端下方；在第二电磁铁7-2上方设有第二永磁铁10-2，第二永磁铁10-2安装在第一横向运动滑道8-1尾端下方。
尾部纵向运动杆6上方搭载有第二横向运动滑道8-2，尾部纵向运动杆6与第二横向运动滑道8-2之间通过首尾两端的第三弹簧9-3和第四弹簧9-4连接，在第三电磁铁7-3上方设有第三永磁铁10-3，第三永磁铁10-3安装在第二横向运动滑道8-2首端下方；在第四电磁铁7-4上方设有第四永磁铁10-4，第四永磁铁10-4安装在第二横向运动滑道8-2尾端下方。
横向运动架12安装在第一横向运动滑道8-1和第二横向运动滑道8-2上方，横向运动架12与第一横向运动滑道8-1之间通过设置在横向运动架底部的首部横向滑轮11-1运动，横向运动架12与第二横向运动滑道8-2之间通过设置在横向运动架底部的尾部横向滑轮11-2运动。横向运动架12上安装有首部升沉控制器13和尾部升沉控制器14。首部纵向运动杆5上的所有电磁铁的磁力均由首部升沉运动控制器13控制，尾部纵向运动杆6上的所有电磁铁的磁力均由尾部升沉运动控制器14控制。
牵引机构包括横向牵引机构24和纵向牵引机构21，横向牵引机构24通过横向导缆索26与横向运动架12连接，纵向牵引机构21通过纵向导缆索23与纵向运动架连接。
气垫载荷模块包括鼓风机18和通风管19，横向运动架12下方设有喷气管15。通风管19一端与鼓风机18连接，另一端穿过横向运动架12与喷气管15连接。喷气管的前后两侧分别设有第一微型位移传感器16-1和第二微型位移传感器16-2，第一微型位移传感器16-1通过第一电线17-1与首部升沉运动控制器13连接，第二微型位移传感器16-2通过第二电线17-2与尾部升沉运动控制器14连接。
本发明通过横向牵引机构24和纵向牵引机构21控制气垫载荷在自由表面上做不同轨迹的水平运动，气垫载荷由鼓风机18吹气产生，在气垫载荷作用下，自由表面会产生相应的变形；喷气管15前后两侧的微型位移传感器将测量得到的喷气管下方自由表面的变形结果反馈给首部及尾部升沉运动控制系统，首部及尾部升沉运动控制系统控制移动气垫载荷的升沉运动，从而将移动气垫载荷的升沉运动影响考虑进去。其实验装置系统化，操作简单。通过安装在水池一侧的位移传感器20记录冰面的变形特点，调节鼓风机的进气量控制气垫载荷的大小，调节纵向牵引机构和横向牵引机构的转动速度从而控制气垫载荷在水平面两个方向的运动速度，可以实现不同轨迹的运动状态，基于设计的控制系统，气垫载荷的升沉运动能够在试验过程中自动调节，从而考虑模型试验中气垫载荷的升沉运动影响。
本发明主要应用于模拟移动气垫载荷在冰面上以不同轨迹运动时，同时考虑移动气垫载荷升沉运动对冰面变形的影响，这是一个动态的调节过程。具体实验过程为：
具有玻璃侧面的试验水池1固定放置在水平的地面上，试验水池内注入一定量的水，在低温实验室内将水池内的水面冻结成冰面，冰面2漂浮在试验水池1内的水面上，水池两侧壁面上方分别安装有第一纵向运动滑道3-1和第二纵向运动滑道3-2。纵向运动架安装在水池两侧的纵向运动滑道上方，通过纵向牵引机构驱动。横向运动架安装在纵向运动架上方的横向运动滑道上，通过横向牵引机构驱动。纵向运动架与横向运动滑道之间通过弹簧连接。喷气管固定在横向运动架下方，喷气管通过通风管与鼓风机相连。水池一侧安装有位移传感器，记录冰面变形情况。喷气管前部和尾部安装的位移传感器，记录不同时刻下的冰面位移，分别反馈给首部升沉运动控制器和尾部升沉运动控制器。
试验时，先在低温实验室内将水池内的水面冻结成冰面，调节纵向和横向牵引机构的转速控制移动喷气口在冰面上的运动轨迹，同时启动鼓风机将一定压力的风通过喷气管吹向冰面，从而在冰面上产生移动气垫载荷，激起冰面发生变形。由于在气垫载荷作用下，冰面发生变形会影响气垫载荷的升沉运动，本发明装置通过首部升沉运动控制器和尾部升沉运动控制器控制电磁铁的磁力大小，给气垫载荷的首部和尾部一个瞬时加速度，让其自行进行升沉运动，从而间接模拟气垫移动载荷的升沉运动。
具体操作如下：气垫载荷在平衡悬空时，喷气管进气量Q与泄流量Qc相等，根据此关系来控制气垫载荷的升沉运动。首部升沉运动控制器输入初始参数进气量Q，喷气管周长为C，喷气管的喷口截面积S，电磁铁上方结构的总质量为m1，记录运动初始时刻喷气管前部和尾部的变面初始变形分别为ω0，ω′0，假设运动控制器读入位移变化的时间间隔为Δt，设Δt时间后喷气管首部和尾部位移传感器记录的位移为ω1，ω′1，如图4所示，以首部升沉运动控制为例，首部位移变化为：
Δω＝ω1-ω0 (1)
将此位移变化值传输到首部升沉运动控制器，则首部气垫载荷变化值为：
ΔF＝Δω*S/2*Qc (2)
ΔF＝ma (3)
Figure BDA0002263557200000051
m为虚拟气垫船质量，a为移动加速度，P为气垫载荷压力。根据公式(2)，(3)可得
Figure BDA0002263557200000052
同理可得气垫载荷尾部升沉运动的加速度。则为实现气垫载荷的首部生成运动，电磁铁所需的磁力F为：
F＝m1a (6)
F与运动控制器内部电流与电阻关系为：
Figure BDA0002263557200000053
R为首部升沉运动控制器内部电阻，可以通过其内置滑动变阻器来改变，如图5所示，从而实现控制电磁铁的磁力大小。这样就可以通过外接装置来间接控制气垫载荷的升沉运动，从而在试验过程中可以考虑升沉运动的影响。
最后通过水池一侧的位移传感器记录冰面的变形情况，观察冰面的变形特点。通过改变气垫载荷的移动轨迹，气垫载荷大小以及冰面等条件，可以实现不同条件下的移动气垫载荷模型试验。
本发明操作方便，可以自定义选择气垫载荷移动方式，同时也可以改变气垫载荷大小和冰层厚度，考虑升沉运动的影响，能更准确的研究不同条件下冰面在移动气垫载荷作用下的响应。
实验时，启动鼓风机18，调节鼓风机18进气量控制气垫载荷的压力大小，再启动首部升沉运动控制器13和尾部升沉运动控制器14，设定初始参数，喷气管进气量Q，喷气管周长C，喷气管喷口截面积S，电磁铁上方结构的总质量m1，喷气管15下方冰面的初始变形以及读取位移数据的时间间隔Δt。调节纵向牵引机构21和横向牵引机构24的转速，控制喷气管15的纵向运动和横向运动。在气垫载荷开始运动后，冰面发生变形，气垫载荷在运动过程中由于升沉运动，其前后方的运动加速度会发生变化，因此通过控制气垫载荷前后方的加速度可以实现模型其升沉运动的目的，根据公式(1)至(7)的控制原理，首部纵向运动杆5和尾部纵向运动杆5上的电磁铁会产生不同的磁力，吸引其上方的永磁铁向下运动，因为永磁铁固定在横向运动滑道上，喷气管15又与横向运动架12相连，因此喷气管15会随着永磁铁以相同的运动趋势一起运动，其中弹簧不仅起着连接的作用，也对电磁铁上方结构的运动有缓冲作用。水池侧壁的位移传感器20具体记录冰面在移动载荷作用下的变形，同时观察冰面的整体变形情况。继续调节纵向牵引机构21和横向牵引机构24的转速，改变气垫载荷的运动轨迹和运动方式，观察冰面变形情况，探索考虑气垫移动载荷升沉运动影响后的冰面水弹性响应。本发明还可以通过改变气垫载荷大小，冰层厚度等试验参数，研究在考虑移动气垫载荷升沉运动影响后的冰面水弹性响应。
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 (1)

1.一种考虑移动气垫载荷升沉运动影响的实验装置，包括试验水池、纵向运动架、横向运动架和牵引机构；所述的试验水池内部侧壁上安装有位移传感器，试验水池两侧壁上方搭载有纵向运动滑道；所述的纵向运动架上方搭载有横向运动滑道；所述的纵向运动架与横向运动架底部均设有滑轮；所述的纵向运动架安装在纵向运动滑道上；所述的横向运动架安装在横向滑道上；所述的牵引机构包括横向牵引机构和纵向牵引机构；所述的横向牵引机构与横向运动架连接；所述的纵向牵引机构与纵向运动架连接；其特征在于：还包括气垫载荷模块；所述的气垫载荷模块包括鼓风机和通风管；所述的横向运动架上安装有升沉运动控制器，横向运动架下方设有喷气管；所述的通风管一端与鼓风机连接，另一端穿过横向运动架与喷气管连接；所述的横向运动滑道与纵向运动架之间设有电磁铁、永磁铁和弹簧；所述的电磁铁安装在纵向运动架上；所述的永磁铁安装在横向运动滑道下方，且位于电磁铁上方；所述的弹簧一端连接在横向运动滑道下方，另一端连接在纵向运动架上；所述的喷气管的前后两侧分别设有微型位移传感器；所述的微型位移传感器将数据传输给升沉运动控制器，升沉运动控制器控制电磁铁的磁力；所述的纵向运动架包括首部纵向运动杆和尾部纵向运动杆；所述的升沉运动控制器包括首部升沉运动控制器及尾部升沉运动控制器；所述的首部纵向运动杆的前后两端均安装有电磁铁，且首部纵向运动杆上的所有电磁铁的磁力均由首部升沉运动控制器控制；所述的尾部纵向运动杆的前后两端均安装有电磁铁，且尾部纵向运动杆上的所有电磁铁的磁力均由尾部升沉运动控制器控制；所述的喷气管前后两侧的微型位移传感器通过电线分别与首部升沉运动控制器和尾部升沉运动控制器相连。
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