CN110926756A - 一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，该试航仪主要包括导杆运动机构、凸轮运动机构和波形监测机构三个部分，其中，导杆运动机构与凸轮运动机构两者协同配合，使潜体能够产生纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六自由度组合式运动。波形监测机构用于记录潜体以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应。本发明所提供的冰水池试航仪可以根据实验研究需求，灵活地调整潜体在水池中的运动状态，进而探究潜体在不同运动状态下的破冰效率，为潜体破冰出水作业提供数据支撑。

Description

一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程装备设计制造技术，具体涉及一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪。
背景技术
随着全球气候变暖，北极地区海冰覆盖面积和厚度不断缩减，极地地区油气等非生物资源开采和航道资源开通利用逐渐成为可能。鉴于极地地区潜在的政治、经济和军用价值的日益凸显，该地区已然成为了国际竞争的热点区域，吸引着越来越多的极区和近极区国家的关注。破冰船作为开展极地科研和开发利用极地资源的核心海工装备，其破冰方式和破冰能力目前已经成为各国船舶与海洋工程领域研究的重点。
破冰船按照破冰机理，通常可以分为直接挤压式破冰和波形共振式破冰，前者代表为大吨位排水型破冰船，后者的典型为气垫式破冰船。不同于常规水面舰船，近年来各个国家也开始尝试利用潜体来开辟冰间航道。另外，当服役于极地地区的潜体遇到紧急情况时，也需要应急破冰上浮，如：破舱进水、潜体内部失火等。潜体破冰最直接的方式是通过排压载水利用浮力作用直接撞开冰层，但是该种破冰上浮的缺点是其破冰能力有限。
借鉴气垫船采用波形共振方式破冰的机理，近年来部分国家也开始探究采用潜体操纵运动扰动流场，从而诱导产生作用于冰层上的流体脉动压力，使其发生初步破坏，以辅助潜体破冰出水。然而，极地地区海冰的空间分布形式和物理特性十分复杂，相关的仿真分析还很难给出合理的潜体激励冰层响应预报结果，迫切需要开展有关的水池模型实验研究。
发明内容
发明目的：针对上述现有理论和数值分析方法对于极地潜体操纵运动诱导冰层变形预报精度受限制的问题，本发明旨在提供一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，为潜体破冰出水作业模型实验研究提供支撑。
技术方案：一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，包括导杆运动机构、凸轮运动机构和波形监测机构；导杆运动机构和凸轮运动机构之间通过支撑机构进行连接，并一同安装在实验水池的底部，用于使潜体产生纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六自由度组合式运动；波形监测机构安装在水池的上部支架上，并与潜体同步纵向运动，用于记录潜体以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应。
作为优选，所述导杆运动机构包括两组摆动导杆机构，摆动导杆机构安装在导杆式支架的两端；所述潜体通过内部的滑行机构安装在摆动导杆机构中导杆的末端。
作为优选，所述摆动导杆机构中导杆两侧设有滑轨，并与滑块内侧的滑轮配合；摆动导杆机构中的曲柄为伸缩杆，通过改变曲柄的长度，从而调整潜体运动的角度范围。
作为优选，所述导杆运动机构的导杆式支架底部设有4组伸缩支架，支架一端固定在导杆式支架的底部，另一端安装有滑轮；滑轮与凸轮运动机构中斜面凸轮机构的斜面配合；所述导杆运动机构中导杆式支架与凸轮运动机构中的凸轮式支架之间设有弹簧。
作为优选，所述凸轮运动机构设有四组相同的斜面凸轮机构和圆柱凸轮机构，并对称的分布在凸轮式支架的两侧；所述斜面凸轮机构安装在圆柱凸轮机构的上部，并一同安装在凸轮式支架上。
作为优选，所述圆柱凸轮机构中圆柱凸轮上设有凹槽；所述斜面凸轮机构中斜面底座底部的支杆滑轮与凹槽配合。通过圆柱凸轮的旋转，使斜面凸轮机构在水平方向来回移动，从而带动与斜面配合的导杆运动机构上下振荡；通过前后两对圆柱凸轮机构同步运动，使潜体会产生垂荡运动；通过前后两对圆柱凸轮机构非同步运动时，使潜体产生纵摇运动。
作为优选，所述斜面凸轮机构通过气缸的伸缩可以改变斜面的斜率，从而调整潜体垂荡的幅值；通过导杆运动机构中两组摆动导杆机构中的导杆同步运动，并配合潜体垂向距离的调整，使潜体产生横荡和横摇的组合式运动；通过导杆交错运动，并调整潜体的垂向距离，使潜体产生艏摇运动；所述凸轮运动机构中凸轮式支架的底部安装有滑轮，所述滑轮安装在实验水池的底部导轨上；所述实验装置沿着导轨纵向运动，实现潜体的纵荡运动。
作为优选，所述波形监测机构安装在实验水池的上部支架上，并与潜体同步纵向运动，用于记录潜体以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应，进而探究潜体在不同运动状态下的破冰效率；
作为优选，所述六自由度水池试航仪中实验水池底部设有假底，用于减小所述实验装置在水池纵向运动时对流场的干扰。
作为优选，所述适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪还包括一套控制系统，所述控制系统通过控制电机的转速和转向以及曲柄和伸缩气缸的长度，从而调整潜体的运动形式。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，通过前后两对圆柱凸轮结构做同步运动和非同步运动，可使潜体产生垂荡和纵摇运动，并且相应的运动幅值可通过改变斜面凸轮机构的斜率进行灵活调整；通过设置于水池底部的纵向导轨，可实现潜体的纵荡强迫运动及其运动幅值的调整；通过两组摆动导杆机构中的导杆做同步或非同步运动，并配合斜面凸轮机构调整潜体的垂向位置，可使潜体产生横荡、横摇和艏摇运动，并且相应的运动幅值可通过改变导杆的长度进行灵活调整；最终，通过导杆运动机构和斜面凸轮运动机构的协调配合，本发明还能够根据实验研究的需求，使潜体在水池中做特定形式的运动，进而探究潜体以不同形式运动时的破冰效率，为潜体破冰出水作业提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明所述水池试航仪的整体安装结构示意图；
图2为本发明按照导杆运动机构、凸轮运动机构和波形监测机构划分结构示意图；
图3为本发明所述导杆运动机构示意图；
图4为本发明所述潜体机构示意图；
图5为本发明所述滑行机构示意图；
图6为本发明所述滑行机构爆炸图示意图；
图7为本发明所述摆动导杆机构示意图；
图8为本发明所述支撑机构示意图；
图9为本发明所述凸轮运动机构示意图；
图10为本发明所述斜面凸轮机构示意图；
图11为本发明所述圆柱凸轮机构示意图；
图12为本发明所述波形监测机构示意图；
图13为本发明所述实验水池示意图；
图14为本发明所述水池试航仪的工作流程图。
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所提供给的技术方案，下面将结合说明书附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
本发明提供的是一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，如图1和图2所示，该装置包括：导杆运动机构1、凸轮运动机构2和波形监测机构3；导杆运动机构1和凸轮运动机构2之间通过支撑机构14进行连接，并一同安装在实验水池41的底部，用于使潜体111产生纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六自由度组合式运动；波形监测机构3安装在实验水池41的上部安装支架43上，并与潜体111同步纵向运动，用于记录潜体111以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应。
如图3所示，导杆运动机构1包括：潜体机构11、摆动导杆机构12、导杆式支架13和支撑机构14。潜体机构11通过内部的滑行机构112安装在摆动导杆机构12中导杆121的末端；摆动导杆机构12安装在导杆式支架13的两端；导杆式支架13底部安装了四组相同的支撑机构14。
如图4-图6所示，潜体机构11包括：潜体111和滑行机构112。滑行机构112安装在潜体111的安装孔中。滑行机构112包括：滑行支架1121和滑行块1122。滑行块1122上设有4组滑轮，并一同安装在滑行支架1121的内侧。
如图7所示，摆动导杆机构12包括：导杆121、滑块122、曲柄123、支架124、电机125、小齿轮126、大齿轮127和中心轴128。小齿轮126安装在电机125的输出轴上，并与大齿轮127啮合。大齿轮127安装在中心轴128的轴肩处，并与电机125一同安装在支架124上。中心轴128的另一轴端处被加工成花键，并与曲柄123配合。曲柄123的另一端留有安装孔，滑块122通过安装孔安装在曲柄123上。滑块122内侧安装有滑轮，并与导杆121上的滑轨配合。导杆121的另一端安装在支架124的下部圆轴上。通过电机125旋转和齿轮126、127啮合使导杆121来回摆动，从而带动潜体111产生运动。曲柄123是伸缩杆，通过对曲柄123长度的调整，从而改变潜体111的运动角度范围。
如图8所示，支撑机构14包括：弹簧141、伸缩支架142、滑轮143和销轴144。伸缩支架142与弹簧141配合并一同安装在导杆式支架13的底部，伸缩支架142另一端安装有滑轮143。
如图9所示，凸轮运动机构2包括：凸轮式支架21、斜面凸轮机构22、圆柱凸轮机构23、滚轮24和销轴25。斜面凸轮机构22与圆柱凸轮机构23配合并一同安装在凸轮式支架21的两侧。凸轮式支架21的底部分布有四组滑轮24，用于安装在实验水池41的底部轨道上。
如图10所示，斜面凸轮机构22包括：斜面底座221、斜面222、伸缩气缸223、销轴224和滑轮225。斜面底座221与斜面222一端通过销轴224连接，另一端通过伸缩气缸223连接。通过改变伸缩气缸223长度，从而调整斜面222的斜率。斜面底座221的底部支杆末端安装有滑轮225，滑轮225与圆柱凸轮机构23中圆柱凸轮235的凹槽配合。
如图11所示，圆柱凸轮机构23包括：电机231、小齿轮232、大齿轮233、角接触球轴承234和圆柱凸轮235。小齿轮232安装在电机231的输出轴上，并与大齿轮233啮合。大齿轮233安装在圆柱凸轮235的侧轴上。角接触球轴承234与圆柱凸轮235的侧轴配合并一同安装在凸轮式支架21上。
如图12所示，波形监测机构3包括：监测底板31、滑轮32和超声波波浪测量仪33。监测底板31的外侧分布有4组滑轮，内侧安装有6个超声波波浪测量仪33。
如图13所示，该装置的实验水池41的中下部安装有假底42，用于减小实验装置在实验水池41纵向运动时对流场的干扰，以便真实的模拟潜体111在水中的运动形态。实验水池41的上部设有安装支架43，波形监测机构3安装在安装支架43上，并与潜体111同步纵向运动，用于记录潜体111以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应。
如图14所示，在本发明还包含一套控制系统，控制系统通过改变电机125和231的转速和转向以及曲柄123和伸缩气缸223长度，从而调整潜体111的运动状态。
本发明的适用于潜体破冰研究的六自由水池试航仪，可以根据实验的需要，灵活的调整潜体111的运动状态。当导杆运动机构1中两组导杆121同步运动时，并配合潜体111垂向距离的调整，使潜体111产生横荡和横摇的组合式运动；当两组导杆121交错运动时，并配合潜体111垂向距离的调整，使潜体111产生艏摇运动；当凸轮运动机构2中前后两对圆柱凸轮机构23同步运动时，使潜体111产生垂荡运动；当前后两对圆柱凸轮机构23非同步运动时，使潜体111产生纵摇运动；当实验装置沿着导轨纵向运动时，使潜体111产生纵荡运动。

Claims (10)

1.一种适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述水池试航仪包括导杆运动机构(1)、凸轮运动机构(2)和波形监测机构(3)；所述导杆运动机构(1)和凸轮运动机构(2)之间通过支撑机构(14)连接，并设置于实验水池(41)的底部，用于使潜体(111)产生纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六自由度组合式运动；所述波形监测机构(3)设置在实验水池(41)的上部安装支架(43)上，并与潜体(111)同步纵向运动，用于记录潜体(111)以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应。
2.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述导杆运动机构(1)包括两组摆动导杆机构(12)，摆动导杆机构(12)安装在导杆式支架(13)的两端；所述潜体(111)通过内部的滑行机构(112)安装在摆动导杆机构(12)中导杆(121)的末端。
3.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述摆动导杆机构(12)中导杆(121)两侧设有滑轨，并与滑块(122)内侧的滑轮配合；所述摆动导杆机构(12)中的曲柄(123)为伸缩杆，通过改变曲柄(123)的长度调整潜体(111)运动的角度范围。
4.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述导杆运动机构(1)的导杆式支架(13)底部设有4组伸缩支架(142)，伸缩支架(142)一端固定在导杆式支架(13)的底部，另一端安装有滑轮(143)；所述滑轮(143)与凸轮运动机构(2)中斜面凸轮机构(22)的斜面(222)配合；所述导杆运动机构(1)中导杆式支架(13)与凸轮运动机构(2)中的凸轮式支架(21)之间设有弹簧(141)。
5.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述凸轮运动机构(2)设有四组相同的斜面凸轮机构(22)和圆柱凸轮机构(23)，并对称的分布在凸轮式支架(21)的两侧；所述斜面凸轮机构(22)安装在圆柱凸轮机构(23)的上部，并一同安装在凸轮式支架(21)上。
6.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述圆柱凸轮机构(23)中圆柱凸轮(235)上设有凹槽；所述斜面凸轮机构(22)中斜面底座(221)底部的支杆滑轮(225)与凹槽配合；通过圆柱凸轮(235)的旋转，使斜面凸轮机构(22)在水平方向来回移动，从而带动与斜面(222)配合的导杆运动机构(1)上下振荡；通过前后两对圆柱凸轮机构(23)同步运动，使潜体(111)产生垂荡运动；通过前后两对圆柱凸轮机构(23)非同步运动，使潜体(111)产生纵摇运动。
7.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述斜面凸轮机构(22)通过气缸(223)的伸缩改变斜面(222)的斜率，从而调整潜体(111)垂荡的幅值；当导杆运动机构(1)中两组摆动导杆机构(12)中的导杆(121)同步运动时，并配合潜体(111)垂向距离的调整，使潜体(111)产生横荡和横摇的组合式运动；当导杆(121)交错运动时，并调整潜体(111)的垂向距离，潜体(111)会产生艏摇运动；所述凸轮运动机构(2)中凸轮式支架(21)的底部安装有滑轮(24)，所述滑轮(24)安装在实验水池(41)的底部导轨上；所述实验装置沿着导轨纵向运动，实现潜体(111)的纵荡运动。
8.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述波形监测机构(3)安装在实验水池(41)的上部支架上，并与潜体(111)同步纵向运动，用于记录潜体(111)以不同组合自由度运动时所激励的冰层弯曲变形响应，进而探究潜体(111)在不同运动状态下的破冰效率。
9.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述六自由度水池试航仪中实验水池(41)底部设有假底(42)，用于减小所述实验装置在实验水池(41)纵向运动时对流场的干扰。
10.根据权利要求1所述的适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪，其特征在于：所述适用于潜体破冰研究的六自由度水池试航仪还包括一套控制系统，所述控制系统通过控制电机的转速和转向以及曲柄(123)和伸缩气缸(223)的长度，从而调整潜体(111)的运动形式。
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