CN111220350A - 一种基于piv系统的多功能入水抨击实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，属于流体力学实验技术领域；包括铝型材框架、透明水箱、三轴直线模组、PIV系统模块和物体下落模块；透明水箱搭建在铝型材框架中；三轴直线模组固连在铝型材框架上方，能实现XYZ方向上的三维运动；物体下落模块由螺丝固连在三轴直线模组的X轴上的运动滑块上，在三轴直线模组的带动下能实现三维运动；物体下落模块中包括电磁释放装置和撬，撬的顶部装有铁片，在电磁释放装置通电的情况下能与电磁释放装置磁力连接；本发明能够实现自由落体运动、匀速直线下落运动、给定角度匀速直线下落运动、抛物线下落运动、抛物线自由落体运动等多种运动及其组合运动，且装置模块化设计，方便安装维修。

Description

一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置

技术领域

本发明涉及一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，属于流体力学实验技术领域。

背景技术

物体入水问题有着广泛的工程应用背景和重要的科学研究意义，由于其涉及气、液、固三者之间的耦合作用，在砰击过程中，近自由液面处的强非线性、强非定常性流动使人们对该问题的认知带来较大的技术挑战。剧烈的入水砰击现象持续时间极短，引发局部压力峰值和较大的砰击载荷，会造成结构物不期望的振动、疲劳甚至是结构破坏。在船舶与海洋工程领域中，这一问题有着广泛的工程应用背景和重要的科学研究意义。同时，上个世纪80年代诞生的PIV技术由于无干扰、瞬态、全局的流场测量特点，是近代实验流体力学的一大里程碑式突破，其突破了传统实验技术手段的限制，为传统流体力学问题提供了一种新的认知角度，又是一种新的流动现象探索手段和流动机理研究方法。将PIV运用到物体入水问题中能够获得传统实验所不能获得的入水过程中瞬时流场信息，为进一步研究物体入水提供了有效方法。实验成果的好坏更依赖于实验装置的搭建，现有的入水实验装置大都是简单单一功能，仅仅具备定速或自由落体或变角度的一种，无法满足复杂工况的实验，当需要研究另一工况时，只能更换实验装置，既费时又费力，大大降低了实验效率。

发明内容

本发明的目的是为了实现多种类型多种功能的入水抨击实验而提供一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括铝型材框架、透明水箱、三轴直线模组、PIV系统模块和物体下落模块；所述铝型材框架由铝型材通过角码搭建而成；透明水箱设置在铝型材框架中；三轴直线模组固连在铝型材框架上方，三轴直线模组包括三个维度方向上的X轴、Y轴、Z轴、Y轴方向的连杆、Z轴方向的连杆、X轴上的运动滑块、Y轴上的运动滑块、Z轴上的运动滑块，在X轴、Y轴和Z轴上均装有控制电机，分别驱动X轴、Y轴、Z轴上的滑块在各轴的滑轨上运动，带动物体下落模块实现三维运动；PIV系统模块包括计算机、激光机、CCD相机以及反光镜；物体下落模块固连在三轴直线模组的X轴上的运动滑块上，物体下落模块随着三轴直线模组中X轴上的运动滑块的运动而运动。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、所述物体下落模块由撬、下落滑轨、电磁释放装置和下落物体组成，撬上有减轻孔，撬的底端与下落物块通过螺丝固连，撬的顶端中心位置内嵌一铁片，在电磁释放装置通电的情况下与电磁释放装置磁力链接，电磁释放装置顶部安装在X轴上的运动滑块上，电磁释放装置配有量角器，通过量角器可得到下落物体的下落角度，在物块下落模块两端安装与撬等间距的两根下落轨道，限制物块在自由落体时位置偏移，两根下落滑轨通过角码连接在X轴上，通过控制螺丝的松紧来控制角码的移动，给有角度下落留有空余距离。

2、所述PIV系统模块中的反光镜安装在铝型材框架底端，反射镜配有角度调节盘，通过转动反光镜来调节反光镜角度，实现激光不同角度照射。

3、所述三轴直线模组在X轴、Y轴和Z轴滑轨的侧面分别贴有刻度尺，定位物块，在X轴、Y轴、Z轴滑轨端部安装有防碰撞橡胶，在X轴中间装有角度调节装置，控制下落物体以固定角度入水，在X轴上安装一量角器，测量物体下落角度。

4、所述铝型材框架底端四个支撑脚安装滚轮，滚轮有制动装置，铝型材底端安装一面反光镜，反射照射过来的激光，照亮透明水箱。

5、所述透明水箱材质采用透明亚克力板或透明玻璃板，优先采用透明亚克力板，在水箱侧面贴有有刻度的水箱刻度尺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过X轴、Y轴、Z轴上的控制电机分别驱动三轴直线模组中X轴、Y轴、Z轴上的滑块运动，从而带动物体下落模块实现物体下落模块的三维运动。物体下落速度由控制电机精确控制，配合三轴直线模块能够实现多种运动，如Z轴控制电机驱动的匀速直线运动、Z轴控制电机驱动的变速直线运动、Z轴控制电机和Y轴控制电机同时驱动的抛物线运动等。

本发明通过X轴中间的角度调节装置，能够实现下落物体以固定角度入水，配合三轴直线模组，能够实现更为复杂的运动，如有角度的匀速直线运动，有角度的变速直线运动，有角度的抛物线运动等。

本发明兼顾自由落体运动，可实现下落物体以固定高度下落，加以下落轨道的限制，使下落物体不会偏离平面。自由落体运动可与角度调节相配合，实现有角度的自由落体运动。

本发明采用高精度的控制电机，并由开发软件控制控制电机的转速，对滑块运动的速度和行程进行精准控制，保证物体下落位置、下落速度的准确性。且本发明采用模块化设计，方便拆卸维修更换，拓展方便，功能多样。本发明不仅仅限制于单相机2D2C的PIV入水抨击实验，亦可用于多相机的PIV入水抨击实验，如2D3C、3D3C；本发明不仅仅限制于PIV领域入水抨击实验，亦可用于其他结构物的入水抨击实验。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的三轴直线模块示意图；

图3是本发明的物体下落模块示意图；

图4是本发明的反光镜角度调节示意图。

图中：1.铝型材框架，2.角码，3.具有制动装置的滚轮，4.角度调节盘，5.反光镜，6.透明水箱，7.Y轴，8.Z轴加强板，9-1.Y轴上的运动滑块，9-2.Z轴上的运动滑块，9-3.X轴上的运动滑块，10.X轴，11.Z轴，12-1.Y轴方向连杆，12-2.Z轴方向连杆13-1.Y轴控制电机，13-2.Z轴控制电机，13-3.X轴控制电机，14.防碰撞橡胶，15.量角器，16.撬，17.下落物体，18.电磁释放装置，19.下落滑轨，20.CCD相机，21.计算机，22.同步器，23.激光器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，是本发明的整体结构示意图；图中：1为铝型材框架，2为角码，3为具有制动装置的滚轮，4为角度调节盘，5为反光镜，6为透明水箱，7为Y轴，8为Z轴加强板，9-1为Y轴上的运动滑块，9-2为Z轴上的运动滑块，9-3为X轴上的运动滑块，10为X轴，11为Z轴，12-1为Y轴方向连杆，12-2为Z轴方向连杆，13-1为Y轴控制电机，13-2为Z轴控制电机，13-3为X轴控制电机，14为防碰撞橡胶，15为量角器，16为撬，17为下落物体，18为电磁释放装置，19为下落滑轨，20为CCD相机，21为计算机，22为同步器，23为激光器。

本发明主要应用于流体力学实验技术领域，本发明主要由铝型材框架、透明水箱、三轴直线模组、PIV系统模块和物体下落模块组成。所述铝型材框架1由铝型材通过角码2搭建而成。所述透明水箱6用于物体入水抨击。所述三轴直线模组包括三个维度方向上的X轴10、Y轴7、Z轴11，Y轴方向的连杆12-1、Z轴方向的连杆12-2，以及X轴上的运动滑块9-3、Y轴上的运动滑块9-1、Z轴上的运动滑块9-2。在控制电机13-1的带动下Y轴上的运动滑块9-1能够实现水平移动，在控制电机13-2的带动下Z轴上的运动滑块9-2能够实现垂直移动，在控制电机13-3的带动下X轴上的运动滑块9-3能够实现左右移动。在控制电机13-1、13-2、13-3共同作用下，滑块9-3上的物体下落模块能够实现三维运动。在X轴、Y轴、和Z轴滑轨的两端均安装防碰橡胶14。Y轴方向上的连杆12-1和Z轴方向的连杆12-2保证Y轴和Z轴两侧同步运动。所述物体下落模块由螺丝固连在三轴直线模块X轴上的运动滑块9-3上，物体下落模块随着三轴直线模块运动而运动；物体下落模块还包含电磁释放装置18，撬16的顶部装有铁片，在电磁释放装置通电的情况下能够与电磁释放装置18磁力连接。所述在铝型材框架底端四个支撑脚安装滚轮3，滚轮有制动装置，便于平台的移动与固定。所述铝型材底端安装一面反光镜5，反射照射过来的激光，以照亮透明水箱。反光镜可由角度调节盘4调节角度。

如图2所示，所述三轴直线模组固连在铝型材框架上方，三轴直线模组由X轴10、Y轴7、Z轴11、Y轴方向的连杆12-1、Z轴方向的连杆12-2、Z轴加强筋8、Y轴上的运动滑块9-1、Z轴上的运动滑块9-2、X轴上的运动滑块9-3、Y轴控制电机13-1、Z轴控制电机13-2、X轴控制电机13-3和滑轨等组成。在X轴10、Y轴7和Z轴11滑轨的侧面分别贴有刻度尺。在X轴10、Y轴7、Z轴11滑轨端部安装有防碰撞橡胶14，在X轴上的运动滑块9-3上安装一量角器15。控制电机13-1能够驱动Y轴上的运动滑块9-1实现水平移动，控制电机13-2能够驱动Z轴上的运动滑块9-2实现垂直移动，控制电机13-3能够驱动X轴上的运动滑块9-3实现左右移动。在控制电机13-1、13-2、13-3共同作用下，安装在X轴上的运动滑块9-3上的物体下落模块能够实现三维运动。

如图3所示所述物体下落模块由撬16、下落滑轨19、电磁释放装置18和下落物体17等组成。撬上有减轻孔，撬的顶端中心位置内嵌一铁片，在电磁释放装置18通电的情况下可与电磁释放装置18磁力链接。电磁释放装置顶部安装在X轴10的量角器15上。在物块下落模块两端安装与撬等间距的两根下落轨道19，限制物块在自由落体时位置偏移。

如图4所示，反光镜5安装在铝型材框架1底端，配有角度调节盘4。需进行角度调节时，将反光镜5旋转到合适位置，将角度调节盘用螺丝固紧即可。

在进行实验时，由计算机21控制CCD相机20的拍摄和激光器23发射激光。激光由激光器发出后经过反光镜5反射照亮透明水箱6。由计算机通过软件预先设定好的位移速度参数控制三轴直线模组的控制电机13，实现X轴上的运动滑块9-3的三维运动。X轴上的运动滑块9-3带动下落物体17实现不同速度的入水抨击。通过调节X轴上的运动滑块9-3上的量角器15可以实现下落物体17以不同角度入水抨击。在进行自由落体运动时，仅需将电磁释放装置18断电，撬16上的铁片便失去磁力链接，物体以自由落体进入水中。物体下落模块的两个下落轨道19可以限制撬16的位置偏移。若需调节激光照射角度，可以调节铝型材框架1下端的角度调节盘4来改变反光镜5的角度。

所述铝型材框架用于给实验平台提供支撑。所述透明水箱用于入水抨击，可采用透明亚克力板、透明玻璃板等材质，便于观察入水抨击现象，本发明优先采用透明亚克力板。所述三轴直线模组包括三个维度方向上的X轴、Y轴、Z轴，Y轴方向的连杆、Z轴方向的连杆，以及X轴上的运动滑块、Y轴上的运动滑块、Z轴上的运动滑块。在控制电机的带动下物体下落模块能够实现三维运动。所述物体下落模块由螺丝固连在三轴直线模组的X轴上的运动滑块上，物体下落模块随着三轴直线模组中X轴上的运动滑块的运动而运动；物体下落模块还包含电磁释放装置，撬的顶部装有铁片，在电磁释放装置通电的情况下能够与电磁释放装置磁力连接。

所述铝型材框架由铝型材通过角码搭建而成，具有强度高、结构简单、易于搭建、拆卸灵活等特点。所述透明水箱搭建在铝型材框架中，在铝型材框架底端四个支撑脚安装滚轮，滚轮有制动装置，便于平台的移动与固定。所述铝型材底端安装一面反光镜，反射照射过来的激光，以照亮透明水箱。

所述透明水箱由亚克力板制成，在水箱侧面贴由刻度的水箱刻度尺，便于观察水位变化。

所述三轴直线模组固连在铝型材框架上方，三轴直线模组由X轴、Y轴、Z轴、Y轴方向的连杆、Z轴方向的连杆、Z轴加强筋、X轴上的运动滑块、Y轴上的运动滑块、Z轴上的运动滑块和滑轨等组成。在X轴、Y轴和Z轴滑轨的侧面分别贴有刻度尺，便于物块定位。在控制电机的驱动下，各轴上滑块可在各轴上运动。在X轴、Y轴、Z轴滑轨端部安装有防碰撞橡胶，在X轴上安装一量角器，测量物体下落角度。

所述物体下落模块由撬、下落滑轨、电磁释放装置和下落物体等组成。撬上有减轻孔，撬的底端与下落物块通过螺丝固连，撬的顶端中心位置内嵌一铁片，在电磁释放装置通电的情况下可与电磁释放装置磁力链接。电磁释放装置顶部安装在X轴上的运动滑块上，电磁释放装置配有量角器，通过量角器可以得到下落物体的下落角度。在物块下落模块两端安装与撬等间距的两根下落轨道，限制物块在自由落体时位置偏移。两根下落滑轨通过角码连接在X轴上，通过控制螺丝的松紧来控制角码的移动，以便给有角度下落留有足够的空余距离。

所述PIV系统模块包括计算机、激光机、CCD相机以及反光镜等组成。反光镜安装在铝型材框架底端，配有角度调节盘，通过转动反光镜来调节反光镜角度，实现激光不同角度的照射。

本发明能够实现多种运动，如匀速直线运动、变速直线运动、抛物线运动等。配合X轴中间的角度调节装置，能够实现带有入水角度的更为复杂的运动。本发明兼顾自由落体运动与定速运动。

综上，本发明提供一种基于粒子图像测速即PIV系统的多功能入水抨击实验装置，主要由铝型材框架、透明水箱、三轴直线模组、PIV系统模块和物体下落模块组成。将PIV技术应用到物体入水抨击实验中能够获得物体入水过程中瞬时流场信息，对进一步研究物体的抨击压力有着重要意义。三轴直线模组搭建在透明水箱正上方的框架上，能够实现XYZ方向上的三维运动。物体下落模块由螺丝固连在三轴直线模组的X轴运动滑块上，在三轴直线模组的带动下能够实现三维运动。物体下落模块中包括电磁释放装置，撬的顶部装有铁片，在电磁释放装置通电的情况下能够与电磁释放装置磁力连接。透明水箱下方安装反光镜，反射激光。本发明能够实现自由落体运动、匀速直线下落运动、给定角度匀速直线下落运动、抛物线下落运动、抛物线自由落体运动等多种运动及其组合运动。且装置模块化设计，方便安装维修。

Claims (7)

1.一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：包括铝型材框架、透明水箱、三轴直线模组、PIV系统模块和物体下落模块；所述铝型材框架由铝型材通过角码搭建而成；透明水箱设置在铝型材框架中；三轴直线模组固连在铝型材框架上方，三轴直线模组包括三个维度方向上的X轴、Y轴、Z轴、Y轴方向的连杆、Z轴方向的连杆、X轴上的运动滑块、Y轴上的运动滑块、Z轴上的运动滑块，在X轴、Y轴和Z轴上均装有控制电机，分别驱动X轴、Y轴、Z轴上的滑块在各轴的滑轨上运动，带动物体下落模块实现三维运动；PIV系统模块包括计算机、激光机、CCD相机以及反光镜；物体下落模块固连在三轴直线模组的X轴上的运动滑块上，物体下落模块随着三轴直线模组中X轴上的运动滑块的运动而运动。

2.根据权利要求1所述一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：所述物体下落模块由撬、下落滑轨、电磁释放装置和下落物体组成，撬上有减轻孔，撬的底端与下落物块通过螺丝固连，撬的顶端中心位置内嵌一铁片，在电磁释放装置通电的情况下与电磁释放装置磁力链接，电磁释放装置顶部安装在X轴上的运动滑块上，电磁释放装置配有量角器，通过量角器可得到下落物体的下落角度，在物块下落模块两端安装与撬等间距的两根下落轨道，限制物块在自由落体时位置偏移，两根下落滑轨通过角码连接在X轴上，通过控制螺丝的松紧来控制角码的移动，给有角度下落留有空余距离。

3.根据权利要求1或2所述一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：所述PIV系统模块中的反光镜安装在铝型材框架底端，反射镜配有角度调节盘，通过转动反光镜来调节反光镜角度，实现激光不同角度照射。

4.根据权利要求3所述一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：所述三轴直线模组在X轴、Y轴和Z轴滑轨的侧面分别贴有刻度尺，定位物块，在X轴、Y轴、Z轴滑轨端部安装有防碰撞橡胶，在X轴中间装有角度调节装置，控制下落物体以固定角度入水，在X轴上安装一量角器，测量物体下落角度。

5.根据权利要求1或2或4所述一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：所述铝型材框架底端四个支撑脚安装滚轮，滚轮有制动装置，铝型材底端安装一面反光镜，反射照射过来的激光，照亮透明水箱。

6.根据权利要求1或2或4所述一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：所述透明水箱材质采用透明亚克力板或透明玻璃板，优先采用透明亚克力板，在水箱侧面贴有有刻度的水箱刻度尺。

7.根据权利要求5所述一种基于PIV系统的多功能入水抨击实验装置，其特征在于：所述透明水箱材质采用透明亚克力板或透明玻璃板，优先采用透明亚克力板，在水箱侧面贴有有刻度的水箱刻度尺。

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