CN114088340B - 一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，包括水池，包括浮冰层模型、浮冰层模型控制装置、海洋装备模拟运动平台，浮冰层模型控制装置用于将浮冰层模型固定于水池中并监测浮冰层模型的形变量，海洋装备模拟运动平台包括海洋装备模型、驱动海洋装备模型六自由度摇荡运动的运动驱动装置，运动驱动装置将海洋装备模型定位于水池中。通过限制浮冰层模型在水平面内的运动，匹配数值模型近似，合理描述浮冰层在真实极地环境下的响应特性，并测量大尺度浮冰层模型在波浪下的弹性变形，通过运动驱动装置驱动海洋装备模型在水池中进行特定自由度或组合自由度的简谐运动，实现静水中的辐射水动力分析和入射波浪场中的绕射水动力分析。
Description
技术领域
本发明涉及极地海洋工程实验装置，具体是涉及一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置。
背景技术
近年来，两极地区的科学考察和开发进一步推进，海洋装备对极地海上油气勘探尤为重要，北极海上油气主要由半潜式平台钻采，其地理位置主要位于由破冰船开采后形成的冰穴或冰道内，优点是具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大、可移动、重复使用，缺点是受波浪、海冰等环境荷载影响较大，海冰的存在导致其所受载荷环境复杂多变，在波浪作用下，海洋平台与大尺度浮冰层在耦合运动过程中，可能会形成局部水波共振，产生大幅水动力响应，而大尺度浮冰层(水平尺度远大于特征厚度)会产生较大的弹性变形，甚至会发生受力断裂，因此，急需开展相关水池模型实验研究，为极地海洋装备的设计研发和性能评估提供参考，然而，大尺度浮冰层与海洋装备耦合动力响应的研究尚不充分，特别是有关实验数据极其匮乏。
现有的海洋半潜式平台运动响应水池模型实验，通常采用水下系泊方式定位于造波水池中，使海洋结构物模型在入射波浪的作用下产生六自由度(横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇)运动，采集实验数据，进而分析其水动力特性。在该类型实验研究中，可以得到波浪作用下的模型六自由度摇荡运动响应以及系泊装置的动张力响应，为相关海工装备设计提供参考。水池实验的另外一个重要方面是为数值算法的开发提供验证。波浪作用下大尺度浮冰层与海洋装备耦合动力响应分析通常可以分为辐射问题和绕射问题，即：1)在辐射问题分析中，假定海洋装备做强迫简谐运动，然后通过傅里叶变换得到附加质量和阻尼系数；2)在绕射问题分析中，假定海洋装备固定于入射波浪场中，测得的力为波浪激励了。然而，现有水池实验装置难以满足大尺度浮冰层与海洋装备耦合动力响应的辐射和绕射分析需求。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，能够测量出大尺度浮冰层在海洋装备简谐运动下耦合响应弹性变形以及海洋装备耦合水动力系数。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，包括水池，包括浮冰层模型、浮冰层模型控制装置、海洋装备模拟运动平台，所述浮冰层模型控制装置用于将浮冰层模型固定于水池中并监测浮冰层模型的形变量，所述海洋装备模拟运动平台包括海洋装备模型、驱动海洋装备模型六自由度摇荡运动的运动驱动装置，所述运动驱动装置将海洋装备模型定位于水池中。
进一步的，所述浮冰层模型控制装置包括位移驱动装置，所述位移驱动装置包括横向驱动装置、纵向驱动装置、第一高度驱动装置，所述横向驱动装置包括横移丝杆，所述纵向驱动装置包括纵移丝杆、用于安装纵移丝杆的纵移丝杆安装架，所述第一高度驱动装置包括第一齿轮轨道、第一齿轮滑块和第一齿轮传动机构，所述横移丝杆延伸方向、纵移丝杆延伸方向和第一齿轮轨道延伸方向之间两两相互垂直，所述纵移丝杆安装架设置于横移丝杆上，横移丝杆转动带动纵移丝杆安装架在横移丝杆上移动，所述第一齿轮轨道与纵移丝杆安装架固定连接，第一齿轮轨道上沿延伸方向设置有齿纹，所述第一齿轮滑块设置于第一齿轮轨道上，第一齿轮传动机构带动第一齿轮滑块在第一齿轮轨道上移动，所述第一齿轮滑块通过中心固定杆贯穿于浮冰层模型中心圆孔。
进一步的，所述横向驱动装置还包括横向导轨，所述横向导轨延伸方向平行于横移丝杆延伸方向，所述纵移丝杆安装架上设置有滑槽，滑槽在横向导轨上滑动。
进一步的，所述位移驱动装置还包括第二高度驱动装置，所述第二高度驱动装置包括第二齿轮轨道、第二齿轮滑块和第二齿轮传动机构，所述第二齿轮轨道与纵移丝杆螺纹连接，且第二齿轮轨道延伸方向平行于第一齿轮轨道延伸方向，第二齿轮轨道上沿延伸方向设置有齿纹，所述第二齿轮滑块设置于第二齿轮轨道上，第二齿轮传动机构带动第二齿轮滑块在第二齿轮轨道上移动，所述第二齿轮滑块通过边缘固定杆贯穿于浮冰层模型边缘圆孔。
进一步的，所述浮冰层模型控制装置还包括检测浮冰层模型形变量的监测装置，所述监测装置包括若干红外摄像机、若干红外线发光源，红外摄像机设置于横向驱动装置上，红外线发光源设置于浮冰层模型上表面，红外摄像机用于捕捉红外线发光源发射的红外线。
进一步的，所述浮冰层模型选用的材料包括但不限于一定密度和弹性的聚氯乙烯、聚氟乙烯等树脂聚合物，以适应被考虑为薄弹性板模型的实际浮冰层，满足实验的有效正确性。
进一步的，所述运动驱动装置包括运动支架和设置于运动支架上的横/纵荡运动装置，所述横/纵荡运动装置包括横荡滑杆、设置于横荡滑杆上的纵荡滑杆、横荡驱动电机和纵荡驱动电机；所述横荡滑杆的延伸方向与纵荡滑杆的延伸方向相互垂直，所述横荡驱动电机固定于运动支架上，横荡驱动电机输出轴固定连接有横荡凸轮，所述横荡滑杆一端套设有横荡弹簧，横荡弹簧一端与横荡滑杆端部固定连接，且抵在横荡凸轮边缘，横荡弹簧另一端与运动支架固定连接；所述纵荡驱动电机固定于横荡滑杆上，纵荡驱动电机输出轴固定连接有纵荡凸轮，所述纵荡滑杆一端套设有纵荡弹簧，纵荡弹簧一端与纵荡滑杆端部固定连接，且抵在纵荡凸轮边缘，纵荡弹簧另一端与横荡滑杆固定连接，纵荡滑杆与第二支架固定连接。
进一步的，所述运动驱动装置还包括艏摇运动装置，所述艏摇运动装置包括艏摇转轴、艏摇驱动电机、艏摇曲柄和四个艏摇支架，所述艏摇支架包括延伸方向相互垂直的水平杆和竖直杆，水平杆与竖直杆固定连接，四个水平杆一端均与艏摇转轴一端固定连接，艏摇转轴另一端定位于第二支架上，艏摇支架绕艏摇转轴相对第二支架转动；所述第二支架设置有圆形轨道，圆形轨道所在平面平行于水平杆延伸方向，四个竖直杆沿圆形轨道往复摆动，所述艏摇驱动电机与第二支架固定连接，且艏摇驱动电机不位于圆心轨道圆心，艏摇驱动电机输出轴延伸方向沿竖直方向，所述艏摇曲柄一端与艏摇驱动电机输出轴固定连接，艏摇曲柄另一端在一个水平杆上滑动，四个竖直杆一端与设备模型连接，艏摇驱动电机转动带动艏摇曲柄一端在水平杆上滑动，带动竖直杆在水平方向上做正弦曲线往复摆动，从而带动海洋装备模型做艏摇运动。
进一步的，所述运动驱动装置还包括横/纵摇运动装置，所述横/纵摇运动装置包括竖直设置的四个侧滑杆、侧杆驱动电机、套设于侧滑杆上的侧杆弹簧，所述侧杆驱动电机固定端与竖直杆固定连接，侧杆驱动电机输出轴固定连接有侧杆凸轮，侧杆弹簧一端与侧滑杆上端固定连接，且抵在侧杆凸轮的边缘，侧杆弹簧另一端与竖直杆固定连接，侧杆驱动电机转动带动侧杆凸轮转动，从而驱动侧滑杆相对于第二支架沿竖直方向往复运动，每个侧滑杆另一端与海洋装备模型上表面连接。
进一步的，海洋装备模型上表面安装有可拆卸六分力测量仪，所述的四个侧滑杆端部连接在六分力测量仪上，且每个侧滑杆底端与六分力测量仪的相对运动形式类似于球形铰接，以适应海洋装备模型发生艏摇、纵摇与横摇运动。
进一步的，所述水池两侧壁上均设置水池轨道，浮冰层模型控制装置和海洋装备模拟运动平台分别设置有第一滚轮和第二滚轮，浮冰层模型控制装置和海洋装备模拟运动平台分别通过第一滚轮和第二滚轮在水池轨道上滑动。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过浮冰层模型控制装置调节浮冰层模型在水平面内的位移，匹配数值模型假定，同时能测量大尺度浮冰层模型在波浪下的弹性变形，通过运动驱动装置驱动海洋装备模型在水池中进行特定自由度或组合自由度的简谐运动，实现静水中的辐射耦合水动力分析。通过在海洋装备模型表面安装六分力测量仪，能够准确采集模型受到不同方向的力与力矩值，从而进一步对模型进行辐射、绕射水动力分析，计算出模型的水动力系数。
附图说明
图1所示为本发明实验装置的侧面结构示意图；
图2所示为本发明实验装置的整体结构示意图；
图3所示为本发明中浮冰层模型控制装置连接浮冰层模型的结构示意图；
图4所示为本发明中浮冰层模型控制装置的结构示意图；
图5所示为本发明中横向驱动装置的结构示意图；
图6所示为本发明中纵向驱动装置、第一高度驱动装置、第二高度驱动装置的结构示意图；
图7所示为本发明中第二齿轮滑块和第二齿轮传动机构的分解示意图；
图8所示为本发明中的中心固定杆的结构示意图；
图9所示为本发明中浮冰模型的结构示意图；
图10所示为本发明中海洋装备模拟运动平台的结构示意图；
图11所示为本发明中运动驱动装置的结构示意图；
图12所示为本发明中横/纵荡运动装置的结构示意图；
图13所示为本发明中艏摇运动装置和横/纵摇运动装置连接的结构示意图；
图14所示为本发明中第二支架的结构示意图；
图15所示为本发明中艏摇支架与横/纵摇运动装置连接的结构示意图；
图16所示为本发明中六分力测量仪结构示意图；
图17所示为本发明中海洋装备模拟运动平台驱动海洋装备模型六自由度的原理示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例中的一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，包括浮冰层模型控制装置1、海洋装备模拟运动平台2、水池3、浮冰层模型1-4，冰层模型控制装置1将浮冰层模型1-4定位于水池3内，海洋装备模拟运动平台2包括海洋装备模型2-2和运动驱动装置2-1，运动驱动装置2-1将海洋装备模型2-2定位于水池3内，且驱动海洋装备模型2-2进行六自由度摇荡运动，包括艏摇、横摇、纵摇、垂荡、纵荡和横荡运动。在本实施例中，浮冰层模型1-4模拟大尺度冰层，海洋装备模型2-2模拟海洋平台。
水池3两侧壁上均设置水池轨道3-1，水池轨道3-1用于支撑浮冰层模型控制装置1和海洋装备模拟运动平台2，浮冰层模型控制装置1和海洋装备模拟运动平台2分别设置有第一滚轮1-5和第二滚轮2-3，浮冰层模型控制装置1和海洋装备模拟运动平台2分别通过第一滚轮1-5和第二滚轮2-3在水池轨道3-1上滑动，第一滚轮1-5和第二滚轮2-3在电传动装置的驱动下能沿着水池轨道3-1移动，从而控制浮冰层模型1-4与海洋装备模型2-2之间的空间相对位置。
如图3和图4所示，浮冰层模型控制装置1包括位移驱动装置和监测装置1-2；位移驱动装置包括横向驱动装置1-1、纵向驱动装置1-3、第一高度驱动装置和第二高度驱动装置，横向驱动装置1-1两端连接第一滚轮1-5，横向驱动装置1-1上方连接监测装置1-2，第一高度驱动装置和第二高度驱动装置下方通过边缘固定杆1-3-12和中心固定杆1-3-13贯穿于浮冰层模型1-4，仅约束其发生水平大幅度振荡。横向驱动装置1-1和纵向驱动装置1-3用于调节浮冰层模型1-4水平方向内的位移，监测装置1-2用于监测浮冰层模型1-4的弹性变化量，第一高度驱动装置和第二高度驱动装置用于适应浮冰层模型1-4在水池3中的不同高度。
如图5所示，横向驱动装置1-1包括横移支架1-1-1、横向导轨1-1-2、横移丝杆1-1-4，横向导轨1-1-2和横移丝杆1-1-4固定设置于横移支架1-1-1上，横移支架1-1-1连接第一滚轮1-5，用于支撑横向导轨1-1-2和横移丝杆1-1-4在水池轨道3-1上运动。横向导轨1-1-2和横移丝杆1-1-4的延伸方向相互平行，且垂直于水池轨道3-1的延伸方向。在本实施例中，竖直平面内设置有两根横移丝杆1-1-4，横移丝杆1-1-4两端通过第一角接触轴承1-1-5安装于横移支架1-1-1上，横移丝杆1-1-4一端连接有第一主从齿轮1-1-3，通过电机驱动第一主从齿轮1-1-3，从而驱动横移丝杆1-1-4转动，横移丝杆1-1-4上螺纹连接有横移滑块1-3-9，横移丝杆1-1-4转动带动横移滑块1-3-9在横移丝杆1-1-4上移动，横移滑块1-3-9与纵向驱动装置1-3固定连接，因此，横移丝杆1-1-4转动带动纵向驱动装置1-3在横移丝杆1-1-4上横向移动。
监测装置1-2包括若干红外摄像机1-2-1、若干红外线发光源1-4-3，红外摄像机1-2-1固定设置于横移支架1-1-1上，在本实施例中，固定横向导轨1-1-2的横移支架1-1-1上方两端分别设置有红外摄像机1-2-1，固定横移丝杆1-1-4的横移支架1-1-1上方中间固定有一个红外摄像机1-2-1，三个红外摄像机1-2-1成一定角度放置，能够充分捕捉浮冰层模型1-4上表面红外线发光源1-4-3发射的红外线。若干红外线发光源1-4-3固定在模型上，并依次发光。红外摄像机1-2-1将捕捉到的图像通过数学变换至三维空间，基于此原理可以测得红外线发光源1-4-3在空间的位置，得到浮冰层模型1-4的形状信息，从而分析得到浮冰层模型1-4的形变量。
如图6所示，纵向驱动装置1-3包括纵移丝杆1-3-3、用于安装纵移丝杆1-3-3的纵移丝杆安装架1-3-2、在横向导轨1-1-2上滑动的滑槽1-3-4，横移滑块1-3-9与纵移丝杆安装架1-3-2固定连接，横移丝杆1-1-4转动带动纵移丝杆安装架1-3-2在横移丝杆1-1-4上横向移动。纵移丝杆1-3-3两端通过第二角接触轴承安装于纵移丝杆安装架1-3-2上，且纵移丝杆1-3-3延伸方向垂直于横移丝杆1-1-4的延伸方向，纵移丝杆1-3-3一端连接有第二主从齿轮1-3-5，通过电机驱动第二主从齿轮1-3-5，从而驱动纵移丝杆1-3-3转动，第二齿轮轨道1-3-7与纵移丝杆1-3-3螺纹连接，纵移丝杆1-3-3转动带动第二齿轮轨道1-3-7在纵移丝杆1-3-3上纵向移动，且第二齿轮轨道1-3-7一端在纵移丝杆安装架1-3-2上滑动。
第一高度驱动装置包括第一齿轮轨道1-3-1、第一齿轮滑块1-3-11和第一齿轮传动机构，横移丝杆1-1-4延伸方向、纵移丝杆1-3-3延伸方向和第一齿轮轨道1-3-1延伸方向之间两两相互垂直，第一齿轮轨道1-3-1与纵移丝杆安装架1-3-2固定连接，第一齿轮轨道1-3-1两侧面沿延伸方向设置有齿纹，第一齿轮滑块1-3-11设置于第一齿轮轨道1-3-1上，第一齿轮传动机构带动第一齿轮滑块1-3-11在第一齿轮轨道1-3-1上移动。如图7所示，第一齿轮传动机构包括从动直齿轮1-3-11-2、齿轮连接轴1-3-11-3、从动锥齿轮1-3-11-4和主动锥齿轮1-3-11-5，从动锥齿轮1-3-11-4和主动锥齿轮1-3-11-5啮合，从动锥齿轮1-3-11-4通过齿轮连接轴1-3-11-3与从动直齿轮1-3-11-2固定连接，从动直齿轮1-3-11-2位于第一齿轮滑块1-3-11上的齿轮凹槽1-3-11-1内，且与第一齿轮轨道1-3-1啮合，齿轮连接轴1-3-11-3定位于第一齿轮滑块1-3-11上，电机驱动主动锥齿轮1-3-11-5转动，从而带动第一齿轮滑块1-3-11在第一齿轮轨道1-3-1上移动。
第二高度驱动装置包括第二齿轮轨道1-3-7、第二齿轮滑块1-3-8和第二齿轮传动机构，第二齿轮轨道1-3-7与纵移丝杆螺纹连接，且第二齿轮轨道1-3-7延伸方向平行于第一齿轮轨道1-3-1延伸方向，第二齿轮轨道1-3-7两侧面沿延伸方向设置有齿纹，第二齿轮滑块1-3-8设置于第二齿轮轨道1-3-7上，第二齿轮传动机构带动第二齿轮滑块1-3-8在第二齿轮轨道1-3-7上移动，第二齿轮传动机构与第一齿轮传动机构结构相同，在此不再赘述。第一齿轮滑块1-3-11和第二齿轮滑块1-3-8底部均设置螺纹柱1-3-10，第二齿轮滑块1-3-8通过螺纹柱1-3-10与边缘固定杆1-3-12一端螺纹连接，边缘固定杆1-3-12另一端与浮冰层模型1-4上表面边缘固定连接，第一齿轮滑块1-3-11通过螺纹柱1-3-10与中心固定杆1-3-13一端螺纹连接，中心固定杆1-3-13另一端贯穿于浮冰层模型1-4上表面中心圆孔1-4-1。
如图8所示，中心固定杆1-3-13包括螺纹孔1-3-13-1和卡槽1-3-13-2，螺纹孔1-3-13-1与螺纹柱1-3-10连接，卡槽1-3-13-2能够进一步紧固中心固定杆1-3-13，边缘固定杆1-3-12与中心固定杆1-3-13具有相同的结构形式，在此不再赘述，根据水深可更换不同长度的固定杆。
如图9所示，在本实施例中，浮冰层模型1-4采用圆形，浮冰层模型1-4圆心设置中心圆孔1-4-1用于连接中心固定杆1-3-13，浮冰层模型1-4边缘设置边缘圆孔1-4-2用于连接边缘固定杆1-3-12，边缘圆孔1-4-2设有导向管。浮冰层模型1-4上表面设置若干红外线发光源1-4-3。浮冰层模型1-4外周包裹有防波轮廓1-4-4，防波轮廓1-4-4可拆卸设置于浮冰层模型1-4上，通过是否安装防波轮廓1-4-4包裹浮冰层模型1-4，对比模型变形情况，以研究波浪冲洗对大尺度浮冰层弹性形变的影响。
如图10所示，海洋装备模拟运动平台2包括海洋装备模型2-2和运动驱动装置2-1，运动驱动装置2-1连接有第二滚轮2-3。如图11所示，运动驱动装置2-1包括运动支架2-1-1、横/纵荡运动装置2-1-2、艏摇运动装置2-1-4和横/纵摇运动装置，横/纵荡运动装置2-1-2、艏摇运动装置2-1-4和横/纵摇运动装置组合连接与运动支架2-1-1中间，运动支架2-1-1两端连接第二滚轮2-3。
如图12所示，横/纵荡运动装置2-1-2包括横荡滑杆2-1-2-1、纵荡滑杆2-1-2-6、横荡驱动电机和纵荡驱动电机；在本实施例中，横荡滑杆2-1-2-1为井字形，横荡滑杆2-1-2-1两条横边通过运动支架导轨2-1-1-1安装于运动支架2-1-1上，横荡滑杆2-1-2-1在运动支架导轨2-1-1-1滑动。纵荡滑杆2-1-2-6通过第一耳板2-1-2-3设置于横荡滑杆2-1-2-1的纵边上，纵荡滑杆2-1-2-6在第一耳板2-1-2-3中滑动，在本实施例中，设置两个纵荡滑杆2-1-2-6分别位于横荡滑杆2-1-2-1的两条纵边上，横荡滑杆2-1-2-1的运动方向与纵荡滑杆2-1-2-6的运动方向相互垂直。
横荡驱动电机固定于运动支架2-1-1上，横荡驱动电机输出轴固定连接有横荡凸轮2-1-2-4，横荡驱动电机带动横荡凸轮2-1-2-4转动，横荡滑杆2-1-2-1两条横边一端分别套设有横荡弹簧2-1-2-5，横荡弹簧2-1-2-5一端与横荡滑杆2-1-2-1端部固定连接，横荡弹簧2-1-2-5与横荡滑杆2-1-2-1连接的端部抵在横荡凸轮2-1-2-4边缘，横荡弹簧2-1-2-5另一端与运动支架2-1-1固定连接，横荡凸轮2-1-2-4转动驱动横荡滑杆2-1-2-1在运动支架导轨2-1-1-1上移动，同时横荡弹簧2-1-2-5压缩推动横荡滑杆2-1-2-1向凸轮方向移动，从而实现横荡滑杆2-1-2-1在横荡凸轮2-1-2-4的推动下往复运动。
纵荡驱动电机固定于横荡滑杆2-1-2-1的纵边上，纵荡驱动电机输出轴固定连接有纵荡凸轮2-1-2-2，纵荡驱动电机带动纵荡凸轮2-1-2-2转动，纵荡滑杆2-1-2-6一端套设有纵荡弹簧2-1-2-7，纵荡弹簧2-1-2-7一端与纵荡滑杆2-1-2-6端部固定连接，纵荡弹簧2-1-2-7与纵荡滑杆2-1-2-6连接的端部抵在纵荡凸轮2-1-2-2边缘，纵荡弹簧2-1-2-7另一端与横荡滑杆2-1-2-1固定连接，纵荡凸轮2-1-2-2转动驱动纵荡滑杆2-1-2-6在横荡滑杆2-1-2-1的纵边上移动，同时纵荡弹簧2-1-2-7压缩推动纵荡滑杆2-1-2-6向凸轮方向移动，从而实现纵荡滑杆2-1-2-6在纵荡凸轮2-1-2-2的推动下往复运动，纵荡滑杆2-1-2-6与第二支架2-1-3固定连接。如图14所示，第二支架2-1-3包括第二固定支架2-1-3-4，第二固定支架2-1-3-4上设置支架圆心孔2-1-3-3、支架侧孔2-1-3-2、支架固定孔2-1-3-1。纵荡滑杆2-1-2-6与支架固定孔2-1-3-1通过螺栓固定连接。
如图13至图15所示，艏摇运动装置2-1-4包括艏摇转轴2-1-4-1、艏摇驱动电机2-1-4-3、艏摇曲柄2-1-4-2和四个艏摇支架2-1-4-4，艏摇支架2-1-4-4包括水平杆和竖直杆，水平杆延伸方向和竖直杆延伸方向垂直，竖直杆顶端与水平杆固定连接，四个水平杆一端均与艏摇转轴2-1-4-1一端固定连接，艏摇转轴2-1-4-1另一端定位于第二支架2-1-3的支架圆心孔2-1-3-3上，艏摇支架2-1-4-4绕艏摇转轴2-1-4-1相对第二支架2-1-3转动；第二支架2-1-3设置有圆形轨道，圆形轨道所在平面平行于水平杆延伸方向，水平杆另一端架在圆形轨道上，且四个竖直杆均置于圆形轨道内，沿圆形轨道周向均匀分布，并沿圆形轨道往复摆动。艏摇驱动电机2-1-4-3与第二支架2-1-3的支架侧孔2-1-3-2固定连接，且艏摇驱动电机2-1-4-3不位于圆心轨道圆心，艏摇驱动电机2-1-4-3输出轴延伸方向沿竖直方向，艏摇曲柄2-1-4-2一端与艏摇驱动电机2-1-4-3输出轴固定连接，艏摇曲柄2-1-4-2另一端在一个水平杆上滑动，四个竖直杆一端与设备模型2-2连接，艏摇驱动电机2-1-4-3转动带动艏摇曲柄2-1-4-2转动，艏摇曲柄2-1-4-2一端在水平杆上滑动，艏摇曲柄2-1-4-2可根据实验需求更换不同尺寸来改变艏摇运动幅值，其带动竖直杆在水平方向上做正弦曲线往复摆动，从而带动海洋装备模型2-2做艏摇运动。
横/纵摇运动装置包括竖直设置的四个侧滑杆2-1-2-8、侧杆驱动电机、套设于侧滑杆2-1-2-8上的侧杆弹簧2-1-2-9，四个竖直杆上均固定连接有侧杆驱动电机，侧杆驱动电机输出轴固定连接有侧杆凸轮2-1-2-10，侧杆驱动电机输出轴的延伸方向垂直于竖直杆延伸方向，侧滑杆2-1-2-8的延伸方向平行于竖直杆的延伸方向，四个侧滑杆2-1-2-8分别通过四个耳板2-1-2-11定位于四个竖直杆上，侧滑杆2-1-2-8可以相对耳板2-1-2-11移动，侧杆弹簧2-1-2-9上端与侧滑杆2-1-2-8上端固定连接，侧滑杆2-1-2-8上端抵在侧杆凸轮2-1-2-10的边缘，侧杆弹簧2-1-2-9下端与耳板2-1-2-11固定连接，侧杆驱动电机转动带动侧杆凸轮2-1-2-10转动，从而驱动侧滑杆2-1-2-8相对于竖直杆移动，压缩侧杆弹簧2-1-2-9，侧杆弹簧2-1-2-9推动侧滑杆2-1-2-8向上移动，从而实现侧滑杆2-1-2-8沿竖直方向往复运动，每个侧滑杆另一端与设备模型2-2上表面固定连接。如图16所示，每个侧滑杆底端与设备模型2-2上表面之间可拆卸连接有六分力测量仪2-2-1，且每个侧滑杆2-1-2-8底端与六分力测量仪2-2-1的相对运动形式类似于球形铰接，以适应海洋装备模型2-2发生艏摇、纵摇与横摇运动。
如图17所示，上述实验装置的具体工作原理：根据实验需求，通过电机驱动第一滚轮1-5和第二滚轮2-3在水池轨道3-1上移动，从而调整浮冰层模型控制装置1和海洋装备模拟运动平台2之间的空间位置，浮冰层模型控制装置1的横向驱动装置1-1调节浮冰模型1-4在水池3中的位置，浮冰层模型控制装置1的纵向驱动装置1-3可进行调整以适应不同尺寸的大尺度浮冰层模型，设置监测装置1-2可准确采集浮冰层模型1-4的弹性变形量；海洋装备模拟运动平台2的运动驱动装置2-1驱动海洋装备模型2-2产生六自由度运动，模拟海洋平台在波浪影响下的运动，横荡滑杆2-1-2-1横向(y轴)进行往复滑动，海洋装备模型2-2产生横荡运动，纵荡滑杆2-1-2-6纵向(x轴)进行往复滑动，海洋装备模型2-2产生纵荡运动，四个侧滑杆同时由主动凸轮驱动上下(z轴)简谐移动，海洋装备模型2-2产生垂荡运动；前侧滑杆和后侧滑杆由两个主动凸轮驱动进行一个向上运动另一个向下的相反运动，两者相互配合使海洋装备模型2-2产生纵摇运动，左侧滑杆和右侧滑杆由两个主动凸轮驱动进行一个向上运动另一个向下的相反运动，两者相互配合使海洋装备模型2-2产生横摇运动，艏摇驱动电机2-1-4-3驱动艏摇曲柄2-1-4-2旋转，竖直杆产生正弦摆动，使海洋装备模型2-2产生艏摇。此外，本发明还包括一智能终端控制系统，能够精确控制四个侧杆驱动电机的工作，从而实现海洋装备模型2-2产生垂荡、纵摇和横摇。运动驱动装置2-1工作时，可以分析海洋装备模型2-2摇荡时的辐射问题，运动驱动装置2-1停止工作时，可以分析海洋装备平台模型绕射问题，两者都可以通过海洋装备模型2-2表面安装的六分力测量仪采集海洋装备模型2-2受到的力与力矩值，进而计算出海洋装备模型2-2水动力系数。
Claims (9)
1.一种浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，包括水池（3），其特征在于，还包括浮冰层模型（1-4）、浮冰层模型控制装置（1）、海洋装备模拟运动平台（2），所述浮冰层模型控制装置（1）用于将浮冰层模型（1-4）固定于水池中并监测浮冰层模型（1-4）的形变量，所述海洋装备模拟运动平台（2）包括海洋装备模型（2-2）、驱动海洋装备模型（2-2）六自由度摇荡运动的运动驱动装置（2-1），所述运动驱动装置（2-1）将海洋装备模型（2-2）定位于水池（3）中；
所述浮冰层模型控制装置（1）包括位移驱动装置，所述位移驱动装置包括横向驱动装置（1-1）、纵向驱动装置（1-3）、第一高度驱动装置，所述横向驱动装置（1-1）包括横移丝杆（1-1-4），所述纵向驱动装置（1-3）包括纵移丝杆（1-3-3）、用于安装纵移丝杆（1-3-3）的纵移丝杆安装架（1-3-2），所述第一高度驱动装置包括第一齿轮轨道（1-3-1）、第一齿轮滑块（1-3-11）和第一齿轮传动机构，所述横移丝杆（1-1-4）延伸方向、纵移丝杆（1-3-3）延伸方向和第一齿轮轨道（1-3-1）延伸方向之间两两相互垂直，所述纵移丝杆安装架（1-3-2）设置于横移丝杆（1-1-4）上，横移丝杆（1-1-4）转动带动纵移丝杆安装架（1-3-2）在横移丝杆（1-1-4）上移动，所述第一齿轮轨道（1-3-1）与纵移丝杆安装架（1-3-2）固定连接，第一齿轮轨道（1-3-1）上沿延伸方向设置有齿纹，所述第一齿轮滑块（1-3-11）设置于第一齿轮轨道（1-3-1）上，第一齿轮传动机构带动第一齿轮滑块（1-3-11）在第一齿轮轨道（1-3-1）上移动，所述第一齿轮滑块（1-3-11）通过中心固定杆（1-3-13）贯穿于浮冰层模型中心圆孔（1-4-1）。
2.根据权利要求1所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述横向驱动装置（1-1）还包括横向导轨（1-1-2），所述横向导轨（1-1-2）延伸方向平行于横移丝杆（1-1-4）延伸方向，所述纵移丝杆安装架（1-3-2）上设置有滑槽（1-3-4），滑槽（1-3-4）在横向导轨（1-1-2）上滑动。
3.根据权利要求1所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述位移驱动装置还包括第二高度驱动装置，所述第二高度驱动装置包括第二齿轮轨道（1-3-7）、第二齿轮滑块（1-3-8）和第二齿轮传动机构，所述第二齿轮轨道（1-3-7）与纵移丝杆（1-3-3）螺纹连接连接，且第二齿轮轨道（1-3-7）延伸方向平行于第一齿轮轨道（1-3-1）延伸方向，第二齿轮轨道（1-3-7）上沿延伸方向设置有齿纹，所述第二齿轮滑块（1-3-8）设置于第二齿轮轨道（1-3-7）上，第二齿轮传动机构带动第二齿轮滑块（1-3-8）在第二齿轮轨道（1-3-7）上移动，所述第二齿轮滑块（1-3-8）通过边缘固定杆（1-3-12）贯穿于浮冰层模型边缘圆孔（1-4-2）。
4.根据权利要求3所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述浮冰层模型控制装置（1）还包括检测浮冰层模型（1-4）形变量的监测装置（1-2），所述监测装置（1-2）包括若干红外摄像机（1-2-1）、若干红外线发光源（1-4-3），红外摄像机（1-2-1）设置于横向驱动装置（1-1）上，红外线发光源（1-4-3）设置于浮冰层模型（1-4）上表面，红外摄像机（1-2-1）用于捕捉红外线发光源（1-4-3）发射的红外线。
5.根据权利要求1所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述运动驱动装置（2-1）包括运动支架（2-1-1）和设置于运动支架（2-1-1）上的横/纵荡运动装置（2-1-2），所述横/纵荡运动装置（2-1-2）包括横荡滑杆（2-1-2-1）、设置于横荡滑杆（2-1-2-1）上的纵荡滑杆（2-1-2-6）、横荡驱动电机和纵荡驱动电机；所述横荡滑杆（2-1-2-1）的延伸方向与纵荡滑杆（2-1-2-6）的延伸方向相互垂直，所述横荡驱动电机固定于运动支架（2-1-1）上，横荡驱动电机输出轴固定连接有横荡凸轮（2-1-2-4），所述横荡滑杆（2-1-2-1）一端套设有横荡弹簧（2-1-2-5），横荡弹簧（2-1-2-5）一端与横荡滑杆（2-1-2-1）端部固定连接，且抵在横荡凸轮（2-1-2-4）边缘，横荡弹簧（2-1-2-5）另一端与运动支架（2-1-1）固定连接；所述纵荡驱动电机固定于横荡滑杆（2-1-2-1）上，纵荡驱动电机输出轴固定连接有纵荡凸轮（2-1-2-2），所述纵荡滑杆（2-1-2-6）一端套设有纵荡弹簧（2-1-2-7），纵荡弹簧（2-1-2-7）一端与纵荡滑杆（2-1-2-6）端部固定连接，且抵在纵荡凸轮（2-1-2-2）边缘，纵荡弹簧（2-1-2-7）另一端与横荡滑杆（2-1-2-1）固定连接，纵荡滑杆（2-1-2-6）与第二支架（2-1-3）固定连接。
6.根据权利要求5所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述运动驱动装置（2-1）还包括艏摇运动装置（2-1-4），所述艏摇运动装置（2-1-4）包括艏摇转轴（2-1-4-1）、艏摇驱动电机（2-1-4-3）、艏摇曲柄（2-1-4-2）和四个艏摇支架（2-1-4-4），所述艏摇支架（2-1-4-4）包括延伸方向相互垂直的水平杆和竖直杆，水平杆与竖直杆固定连接，四个水平杆一端均与艏摇转轴（2-1-4-1）一端固定连接，艏摇转轴（2-1-4-1）另一端定位于第二支架（2-1-3）上，艏摇支架（2-1-4-4）绕艏摇转轴（2-1-4-1）相对第二支架（2-1-3）转动；所述第二支架（2-1-3）设置有圆形轨道，圆形轨道所在平面平行于水平杆延伸方向，四个竖直杆沿圆形轨道往复摆动，所述艏摇驱动电机（2-1-4-3）与第二支架（2-1-3）固定连接，且艏摇驱动电机（2-1-4-3）不位于圆心轨道圆心，艏摇驱动电机（2-1-4-3）输出轴延伸方向沿竖直方向，所述艏摇曲柄（2-1-4-2）一端与艏摇驱动电机（2-1-4-3）输出轴固定连接，艏摇曲柄（2-1-4-2）另一端在一个水平杆上滑动，四个竖直杆一端与设备模型（2-2）连接，艏摇驱动电机（2-1-4-3）转动带动艏摇曲柄（2-1-4-2）一端在水平杆上滑动，带动竖直杆在水平方向上做正弦曲线往复摆动，从而带动海洋装备模型（2-2）做艏摇运动。
7.根据权利要求6所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述运动驱动装置（2-1）还包括横/纵摇运动装置，所述横/纵摇运动装置包括竖直设置的四个侧滑杆（2-1-2-8）、侧杆驱动电机、套设于侧滑杆（2-1-2-8）上的侧杆弹簧（2-1-2-9），所述侧杆驱动电机固定端与竖直杆固定连接，侧杆驱动电机输出轴固定连接有侧杆凸轮（2-1-2-10），侧杆弹簧（2-1-2-9）一端与侧滑杆（2-1-2-8）上端固定连接，且抵在侧杆凸轮（2-1-2-10）的边缘，侧杆弹簧（2-1-2-9）另一端与竖直杆固定连接，侧杆驱动电机转动带动侧杆凸轮（2-1-2-10）转动，从而驱动侧滑杆（2-1-2-8）相对于第二支架（2-1-3）沿竖直方向往复运动，每个侧滑杆另一端与海洋装备模型（2-2）上表面连接。
8.根据权利要求7所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，每个侧滑杆另一端与海洋装备模型（2-2）上表面之间可拆卸连接有六分力测量仪（2-2-1）。
9.根据权利要求1所述的浮冰层与海洋装备耦合动力响应水池实验装置，其特征在于，所述水池（3）两侧壁上均设置水池轨道（3-1），浮冰层模型控制装置（1）和海洋装备模拟运动平台（2）分别设置有第一滚轮（1-5）和第二滚轮（2-3），浮冰层模型控制装置（1）和海洋装备模拟运动平台（2）分别通过第一滚轮（1-5）和第二滚轮（2-3）在水池轨道（3-1）上滑动。
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