CN111537191B - 一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自由晃荡实验设备技术领域，更具体地，涉及一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，该装置包括运动支架系统、水箱和试验水池，水箱架设在运动支架系统上，运动支架系统架设在试验水池中，通过运动支架系统将水箱的运动分解成绕x轴旋转和沿y轴、z轴的平移；其中水流方向设为y轴，垂直于水面方向向上设为z轴，x轴与y轴、z轴垂直，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；在试验水池的波浪作用下，所述水箱沿z轴做上下运动，沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。通过箱体底部配重，模拟真实船体或实验水箱的重心配置，通过设置运动支架系统，分别实现模拟船舶的横荡、垂荡和横摇，该装置设计合理、结构简单、能够有效模拟多种二维晃荡状态。

Description

一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置

技术领域

本发明涉及自由晃荡实验设备技术领域，更具体地，涉及一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置。

背景技术

大规模液体运输伴随着复杂的晃荡问题，尤其是充分耦合了波浪问题的大型轮船的油箱晃荡，船舶自身的行驶及在波浪激发作用下的摇晃会使得液舱中液体的晃荡，而液舱中液体的晃荡反过来会影响船舶的整体运动。这种运动主要有六种形式：横摇、纵摇、艏摇、垂荡、横荡、纵荡。其中横摇最容易发生，且对船舶航行的影响最大。极端情况下，液舱内流体的剧烈晃荡会对船舶结构产生较大的冲击力，造成结构的破坏，而且耦合作用会使船舶的整体运动响应更为复杂，难以控制。目前的模型试验设备大部分是通过一些机械结构来模拟液舱的晃荡状态，与真实状态下的波浪激力有一些误差，因此，需要设计一套在处于真实波浪状态下的适用多自由度的自由晃荡响应系统解决真实问题，并从实验中研究产生运动耦合的机理。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，该装置为三自由度的晃荡响应实验系统，设计合理、结构简单、能够有效模拟多种二维晃荡状态，并对舱内液体的晃荡情况进行实时监测，从而了解波浪作用对液舱晃荡的影响，满足二维晃荡有关问题的研究。

本发明采取的技术方案是，

一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，该装置包括运动支架系统、水箱和试验水池，水箱架设在运动支架系统上，运动支架系统架设在试验水池中，通过运动支架系统将水箱的运动合理地分解成绕x轴旋转和沿y轴、z轴的平移；其中水流方向设为y轴，垂直于水面方向向上设为z轴，x轴与y轴、z轴垂直，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；在试验水池的波浪作用下，所述水箱沿z轴做上下运动，沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。

本技术方案中，试验水池和水箱内都存有一定水，对所述水箱底部进行配重，模拟真实晃荡实体，通过运动支架系统限制水箱运动，将水箱的运动合理地分解成绕x轴旋转和沿y轴、z轴的平移，设计出三自由度的晃荡响应实验系统，实现模拟多种二维晃荡状态，从机理上研究和寻求解决实际问题。

进一步地，所述运动支架系统包括组合支架，组合支架上部与滑竿连接，滑竿通过套筒与固定墙连接，所述滑竿与z轴平行，水箱设在组合支架内部，并通过连接件与组合支架连接，在水波的影响下水箱和组合支架沿着滑竿在套筒内做z轴方向上的上下运动。限制滑竿仅在z轴方向做运动，将滑竿与组合支架连接，使组合支架和水箱第一时间接受到波浪的影响，做z轴方向上的运动。所述套筒内设有滑动轴承。

进一步地，所述组合支架在x轴方向上的宽度与试验水池的宽度相对应。为了保证晃荡效果，需要排除水箱其他运动方向的干扰，将组合支架在x轴方向上的宽度与试验水池的宽度相对应是为了防止组合支架沿z轴转动。

进一步地，所述组合支架包括垂直于z轴围蔽而成的四根顶柱和平行于z轴且连接于四根顶柱交点的四根侧柱，y轴方向上的两根侧柱上设有滑槽，y轴方向上的另外两根侧柱上也设有滑槽，y轴方向上的水箱两侧均设有连接件，所述连接件与滑槽滑动连接。所述顶柱和侧柱均为空心柱，选用轻薄材料，以最大程度的减小组合支架的重量，组合支架的构造也进一步减少水波带来的阻力，使水箱全方位接收水波的影响。所述连接件可为滚轮。

进一步地，所述滑槽与所述两根侧柱可拆卸连接。滑槽与所述两根侧柱通过固定螺栓固定，可随时调节滑槽上下高度，以模拟水箱在试验水池不同深度区域的运动情况。

进一步地，所述滑竿与两根相对的顶柱中部连接为一体，所述套筒穿设于所述滑竿，与所述固定墙连接固定。在所述滑竿与所述顶柱的连接位置设有一中间柱。将滑竿设在组合支架的中轴线上，使得组合支架受力均衡。中间柱以保证组合支架的强度。

进一步地，在水波的影响下连接件带动水箱沿着滑槽在y轴方向上做前后运动。组合支架在套筒的限制下不能做y轴方向上的运动，水箱便沿着滑槽做相对于滑槽在y轴方向的前后运动。

进一步地，所述运动支架系统包括悬链线，所述水箱两侧均设有两条悬链线与所述侧柱下部连接，水箱在水波的作用下沿x轴旋转。当水箱沿x轴旋转时，悬链线牵动水箱使水箱旋转角度在120度以内，防止水箱倾翻。将悬链线设置在所述侧柱下部，以最大限度的不影响水箱转动。

进一步地，所述水箱做y轴方向上的前后运动轨迹和x轴方向的转动轨迹受悬链线的限制。通过测量水箱在y轴、x轴方向上运动的最大位移，确定悬链线的长度，以保证水箱在y轴上运动时不触碰到所述侧柱，沿x轴方向转动时不会倾翻。

进一步地，所述水箱内设置有小型九轴姿态仪，为研究外波浪作用下内部水晃动的现象研究、机理分析提供准确详实的数据基础。所述水箱内还设有波高仪，可测得水箱内由于结构外波浪影响下产生的水位变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过箱体底部配重，模拟真实船体或实验水箱的重心配置，通过设置运动支架系统，分别实现模拟船舶的横荡、垂荡和横摇，该装置设计合理、结构简单、能够有效模拟多种二维晃荡状态。

附图说明

图1为本发明的整体结构及运动示意图。

图2为本发明的运动支架系统结构示意图。

图3为本发明的组合支架结构示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，该装置包括运动支架系统、水箱1和试验水池10，水箱1架设在运动支架系统上，运动支架系统架设在试验水池10中，通过运动支架系统将水箱1的运动合理地分解成绕x轴旋转和沿y轴、z轴的平移；试验水池10和水箱1内都存有一定水，对所述水箱1底部进行配重，模拟真实晃荡物体，将水流方向设为y轴，垂直于水面方向向上设为z轴，x轴与y轴、z轴垂直，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系。在试验水池10的波浪作用下，所述水箱1沿z轴做上下运动，沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。

如图2所示，所述运动支架系统包括组合支架2、滑槽3、滚轮4、悬链线5、固定墙6、套筒7、固定螺栓8。组合支架2上部与滑竿9连接，滑竿9通过套筒7与固定墙6连接，所述滑竿9与z轴平行，水箱1设在组合支架2内部，并通过滚轮4与组合支架2连接，在水波的影响下水箱1和组合支架2沿着滑竿9在套筒7内做z轴方向上的上下运动。限制滑竿9仅在z轴方向做运动，将滑竿9与组合支架2连接，使组合支架2和水箱1第一时间接受到波浪的影响，做z轴方向上的运动。所述套筒7内设有滑动轴承。所述组合支架2在x轴方向上的宽度与试验水池10的宽度相对应。为了保证晃荡效果，需要排除水箱其他运动方向的干扰，将组合支架2在x轴方向上的宽度与试验水池10的宽度相对应，是为了防止组合支架沿z轴转动。

如图3所示，所述组合支架2包括垂直于z轴围蔽而成的四根顶柱21、22、23、24和平行于z轴且连接于四根顶柱交点的四根侧柱25、26、27、28，y轴方向上的两根侧柱25、26上设有滑槽，y轴方向上的另外两根侧柱27、28上也设有滑槽，y轴方向上的水箱两侧11、12均设有滚轮4，所述滚轮4与滑槽3滑动连接。所述顶柱和侧柱均为空心柱，选用轻薄材料，以最大程度的减小组合支架的重量，组合支架2的构造也进一步减少水波带来的阻力，使水箱1全方位接收水波的影响。所述滑槽3与所述侧柱25、26、27、28可拆卸连接。滑槽3与所述侧柱25、26、27、28通过固定螺栓8固定，可随时调节滑槽3的上下高度，以模拟水箱在试验水池不同深度区域的运动情况。所述滑竿9与两根相对的顶柱21、23中部连接为一体，所述套筒7穿设于所述滑竿9，与所述固定墙6连接固定。在所述滑竿9与所述顶柱21、23的连接位置设有一中间柱29。将滑竿9设在组合支架2的中轴线上，使得组合支架2受力均衡。中间柱29以保证组合支架2的强度。

如图2所示，在水波的影响下滚轮4带动水箱1沿着滑槽3在y轴方向上做前后运动。组合支架2在套筒7的限制下不能做y轴方向上的运动，滚轮4在滑槽3的限制下不能沿y轴方向上转动，水箱1便沿着滑槽3做相对于滑槽在y轴方向的前后运动。

如图3所示，所述运动支架系统包括悬链线5，所述水箱1两侧均设有两条悬链线5与所述侧柱25、26以及侧柱27、28下部连接，水箱1在水波的作用下沿x轴旋转。当水箱1沿x轴旋转时，悬链线5牵动水箱1使水箱1旋转角度在120度以内，防止水箱1倾翻。将悬链线5设置在所述侧柱下部，以最大限度的不影响水箱1转动。所述水箱1做y轴方向上的前后运动轨迹和x轴方向的转动轨迹受悬链线5的限制。通过测量水箱1在y轴、x轴方向上运动的最大位移，确定悬链线5的长度，以保证水箱在y轴上运动时不触碰到所述侧柱，沿x轴方向转动时不会倾翻。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，其特征在于，该装置包括运动支架系统、水箱和试验水池，水箱架设在运动支架系统上，运动支架系统架设在试验水池中，通过运动支架系统将水箱的运动分解成绕x轴旋转和沿y轴、z轴的平移；其中水流方向设为y轴，垂直于水面方向向上设为z轴，x轴与y轴、z轴垂直，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；在试验水池的波浪作用下，所述水箱沿z轴做上下运动，沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动；

所述运动支架系统包括组合支架，组合支架上部与滑竿连接，滑竿通过套筒与固定墙连接，所述滑竿与z轴平行，水箱设在组合支架内部，并通过连接件与组合支架活动连接，在水波的影响下水箱和组合支架沿着滑竿在套筒内做z轴方向上的上下运动；

所述组合支架包括垂直于z轴围蔽而成的四根顶柱和平行于z轴且连接于四根顶柱交点的四根侧柱，y轴方向上的两根侧柱上连接有滑槽，y轴方向上的另外两根侧柱上也连接有滑槽， y轴方向上的水箱两侧均设有连接件，所述连接件与滑槽滑动连接；

在水波的影响下连接件带动水箱沿着滑槽在y轴方向上做前后运动；

所述运动支架系统包括悬链线，所述水箱两侧均设有两条悬链线与所述侧柱下部连接，水箱在水波的作用下沿x轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，其特征在于，所述组合支架在x轴方向上的宽度与试验水池的宽度相对应。

3.根据权利要求1所述的一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，其特征在于，所述滑槽与所述侧柱可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，其特征在于，所述滑竿与两根相对的顶柱中部连接为一体，所述套筒穿设于所述滑竿，与所述固定墙连接固定。

5.根据权利要求1所述的一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，其特征在于，所述水箱做y轴方向上的前后运动轨迹和x轴方向的转动轨迹受悬链线的限制。

6.根据权利要求1所述的一种波浪作用下二维晃荡响应水箱的实验装置，其特征在于，在所述滑竿与所述顶柱的连接位置设有一中间柱。

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