CN114136522A

CN114136522A - 一种柔性结构拖曳实验的测力装置

Info

Publication number: CN114136522A
Application number: CN202111435055.1A
Authority: CN
Inventors: 宋吉祥; 陈伟民; 郭双喜
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-03-04

Abstract

本发明涉及拖曳实验设备技术领域，提供了一种柔性结构拖曳实验的测力装置，包括装置本体，装置本体包括测力框架，测力框架上设置有水槽，远离地面侧的测力框架上分别设置有第一位移机构和第二位移机构及第三位移机构，第三位移机构上连接有连接机构，靠近连接机构侧的第三位移机构上连接有测力传感器，测力传感器采集到的数据信号通过数据采集仪传输至测力分析系统进行展示、处理并存储；采用该技术方案对柔性构件的流固耦合响应进行准确的测量，拖曳柔性构件可以产生均匀流，并实时获取柔性构件在流体作用下拖曳力；使用无防水功能的测力传感器，从而减小对测力传感器防水的要求，测力传感器不存在对流场进行干扰，影响水流流速的情况。

Description

一种柔性结构拖曳实验的测力装置

技术领域

本发明涉及拖曳实验设备技术领域，具体涉及一种柔性结构拖曳实验的测力装置。

背景技术

柔性结构在流体的作用下会发生大变形，该现象的研究对工程和生物学有着重要的意义。现有技术中已经开展了柔性结构在流体作用下的实验研究，但是往往水环境采用水槽实验。即柔性结构固定在水槽中，水槽中的水是流动的。测量柔性结构受到的水动力荷载的通常方法是将测力传感器安装在柔性结构固定端。但是上面的方式也存在一些问题：

(1)水槽中流动的水通常由大型水泵提供，难免会有涡的产生，并且由于长距离的运输，壁面影响，水的速度会降低，层与层之间的速度不同，难以保持层流状态。实验中流场偏离了期望的均匀流。水槽的水流速通常较低难以达到高流速(1.0m/s)。水槽通常采用循环系统，需要大型水泵，占地面积大，实验费用高昂。虽然为了解决水槽带来的问题，已有学者采用了水箱。水箱中的水是静止的，柔性结构采用拖曳系统拖曳产生与水的相对运动，从而在柔性结构上施加稳定的均匀流。但是现有技术中并没有研究柔性结构的变形与受到的水动力荷载。

(2)测力传感器安装在柔性结构固定端时，通常需要放置于水中，要求测力传感器具有防水功能。如果实验工况时间太长，将对防水的测力传感器要求更高，增加了实验成本。并且测力传感器的存在会对流场进行干扰，影响水流流速。

如何有效地解决上述技术问题，是目前本领域技术人员需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性结构拖曳实验的测力装置。

柔性结构拖曳实验的测力装置包括装置本体，所述装置本体包括测力框架，所述测力框架上设置有用于进行实验的透光的水槽；

远离地面侧的所述测力框架上分别设置有第一位移机构和第二位移机构及第三位移机构，所述第三位移机构上连接有用于连接柔性构件的连接机构；

靠近所述连接机构侧的所述第三位移机构上连接有测力传感器，所述测力传感器采集到的数据信号通过数据采集仪传输至测力分析系统进行展示、处理并存储。

进一步地，所述第一位移机构包括第一滑轨，所述第一滑轨上滑动连接有第一滑台。

进一步地，所述第二位移机构包括第二滑轨，所述第二滑轨上滑动连接有第二滑台。

进一步地，所述第三位移机构包括与地面垂直设置并且连接在所述第二滑台上的第三滑轨，所述第三滑轨上滑动连接有第三滑台。

进一步地，所述连接机构连接在所述第三滑台上。

进一步地，所述第二滑轨的高度高于所述第一滑轨的高度，并且所述第一滑轨与所述第二滑轨之间垂直设置。

进一步地，所述第二滑轨连接在所述第一滑台上。

进一步地，所述连接机构包括与所述第三滑台相连接并且垂直于地面的第一连接梁，远离所述第三滑台侧的所述第一连接梁上连接有平行于地面的第二连接梁，远离所述第一连接梁侧的所述第二连接梁上连接有用于夹持所述柔性构件的第一夹持件。

进一步地，所述第三滑台上连接有连接板，所述连接板上连接有用于固定所述测力传感器的连接块，所述连接板上连接有连接块，所述连接块上放置所述测力传感器，所述连接块内放置所述数据采集仪；

所述连接块上还连接有用于夹持所述连接机构的第二夹持件。

进一步地，所述测力框架的自振频率大于所述柔性构件的自振频率的三倍。

在本发明中，柔性构件通过第一位移机构、第二位移机构、第三位移机构和连接机构进行实验过程中的位移，同时配合测力传感器、数据采集仪及测力分析系统的应用进行测力实验，对柔性构件的流固耦合响应进行准确的测量。由于该实验在水槽中完成，拖曳柔性构件可以产生均匀流，并实时获取柔性构件在流体作用下拖曳力。

对柔性构件受到的荷载，由于是采用间接测量力，因此可以使用无防水功能的测力传感器，从而减小对测力传感器防水的要求，降低了实验成本，并且测力传感器不存在对流场进行干扰，影响水流流速的情况。

附图说明

图1是本发明提供的装置本体的剖视结构示意图；

图2是本发明提供的装置本体的侧视剖视结构示意图；

图3是本发明提供的拖曳速度的记录图；

图4是本发明提供的测量连接机构的拖曳力的记录图；

图5是本发明提供的测量柔性构件和连接机构的整体拖曳力的记录图；

附图标记：

1、测力框架；

2、水槽；

3、第一位移机构；31、第一滑台；

4、第二位移机构；41、第二滑台；

5、第三位移机构；51、第三滑台；

6、连接机构；61、第一连接梁；62、柔性构件；63、第二连接梁；

7、连接块；

8、连接板；

9、测力传感器；

10、第二夹持件。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供的一实施例，结合图1和图2，一种柔性结构拖曳实验的测力装置，包括装置本体，装置本体包括测力框架1，测力框架1上设置有用于进行实验的透光的水槽2；

远离地面侧的测力框架1上分别设置有第一位移机构3和第二位移机构4及第三位移机构5，第三位移机构5上连接有用于连接柔性构件62的连接机构6；

靠近连接机构6侧的第三位移机构5上连接有测力传感器9，测力传感器9采集到的数据信号通过数据采集仪传输至测力分析系统进行展示、处理并存储。

在本实施例中，柔性构件62通过第一位移机构3、第二位移机构4、第三位移机构5和连接机构6进行实验过程中的位移，同时配合测力传感器9、数据采集仪及测力分析系统的应用进行测力实验，对柔性构件62的流固耦合响应进行准确的测量。由于该实验在水槽2中完成，拖曳柔性构件62可以产生均匀流，并实时获取柔性构件62在流体作用下拖曳力。

对柔性构件62受到的荷载，由于是采用间接测量力，因此可以使用无防水功能的测力传感器9，从而减小对测力传感器9防水的要求，降低了实验成本，并且测力传感器9不存在对流场进行干扰，影响水流流速的情况。

本发明提供的又一实施例，结合图1和图2，第一位移机构3包括第一滑轨，第一滑轨上滑动连接有第一滑台31。

在本实施例中，第一滑轨设置在水槽2的长边，将其设定为X向，第一滑台31沿X向行程2m，速度0～2.0m/s，加速度0～3.0m/s²。

本发明提供的又一实施例，结合图1和图2，第二位移机构4包括第二滑轨，第二滑轨上滑动连接有第二滑台41。

在本实施例中，第二滑轨与第一滑轨的方向垂直，将第二滑轨设定为Y向，第二滑台41沿Y向行程0.7m，速度0～0.4m/s，加速度0～0.8m/s²。

本发明提供的又一实施例，结合图1和图2，第三位移机构5包括与地面垂直设置并且连接在第二滑台41上的第三滑轨，第三滑轨上滑动连接有第三滑台51。

在本实施例中，将第三滑轨设定为Z向，第三滑台51沿Z向行程0.3m，速度0～0.4m/s，加速度0～0.8m/s²。

在本发明中，第一滑台31、第二滑台41、第三滑台51上分别设置有步进电机，第一滑台31、第二滑台41、第三滑台51均通过步进电机实现牵引柔性构件直线均匀或者加速运动，与静水产生相对运动，使水荷载作用于构件上。

与循环水槽相对，对柔性构件62采用牵引方式下的水流的速度控制更加准确，水流在任意平面的速度相等，可以实现水流的层流状态，从而使作用于柔性构件上的流体荷载是均匀准确的。

为了进一步地说明连接结构6与第三位移机构5的连接关系，本发明提供的又一实施例，结合图1和图2，连接机构6连接在第三滑台51上。

本发明提供的又一实施例，第二滑轨的高度高于第一滑轨的高度，并且第一滑轨与第二滑轨之间垂直设置。

在本实施例中，第一滑轨与第二滑轨分别实现了不同方向的位移，从而使第二滑台41上的第三滑轨51实现不同方向的位移。

为了进一步地说明第二滑轨与第一位移机构3之间的具体连接关系，本发明提供的又一实施例，如结合图1和图2，第二滑轨连接在第一滑台31上。

本发明提供的又一实施例，如图2所示，连接机构6包括与第三滑台51相连接并且垂直于地面的第一连接梁61，远离第三滑台51侧的第一连接梁61上连接有平行于地面的第二连接梁63，远离第一连接梁61侧的第二连接梁63上连接有用于夹持柔性构件62的第一夹持件。

在本实施例中，第三滑台51的位移带动了第一连接梁61、第二连接梁63和第一夹持件的同步位移，从而使柔性构件62实现同步的位移。

根据实际实验需求，可在第一夹持件上设置有浮球。

本发明提供的又一实施例，如图1所示，第三滑台51上连接有连接板8，连接板8上连接有用于固定测力传感器9的连接块7，连接块7上放置测力传感器9，连接块7内放置数据采集仪。

连接块7上还连接有用于夹持连接机构6的第二夹持件10。

在本实施例中，连接板8实现了第三滑台51和连接块7之间的连接。

数据采集仪放置在连接块7内，既起到了对数据采集仪的防护，又避免了数据采集仪被水淋湿，同时又便于与第二夹持件10相连接。

为了避免共振现象，本发明提供的又一实施例，测力框架1的自振频率大于柔性构件62的自振频率的三倍。

在本发明中，为了便于工作人员读取水槽2内的水的高度，以及柔性构件62的坐标，水槽2上可标注有坐标刻度。

在本发明中，测力传感器用于测量柔性构件的固定端的剪力。数据采集仪采集传感器数据信号并将传感器的数据信号传输给终端设备。终端设备上的测力分析系统实时收集测量信号，展示信号变化，处理并存储数据。

终端设备包括但不限于台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、手机、遥控设备。

在本发明中，假设连接机构的拖曳力的存在对柔性构件在实验中受到的拖曳力没有影响，或者受到可以忽略的影响。首先测量连接机构的拖曳力，其次测量柔性构件和连接机构的整体拖曳力，最后两者相减，得到柔性试件的拖曳力。其中，整体拖曳力的拖曳速度采用先静止，再均匀加速，保持匀速运动，最后降速到静止的强制拖曳运动。

具体地，柔性构件受到拖曳力进行测量实施方法为：

第一步，在没有安装柔性结构的情况下测量拖曳力，即测量连接机构的拖曳力。如图3所示，拖曳速度Vx为0.2m/s，加速度a为0.4m/s2。测力分析系统记录该结果，如图4所示。

第二步，将柔性试件安装在第一夹持件上进行与第一步相同速度工况的实验，并记录工况中力传感器测量的柔性构件和连接机构的整体拖曳力，如图5所示，图5在速度达到最大值时会出现拖曳力峰值，然后下降的特点。其主要原因是采用正立的方式通过连接机构将硅胶柔性管浸没于水中，出现拖曳力峰值是由于连接机构的加速度迅速将为0(惯性力)产生的。

最后，将第二步得到拖曳力减去第一步中得到的拖曳力，得到柔性试件的拖曳力。

以上所述并非是对本发明的限制，最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或替换，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种柔性结构拖曳实验的测力装置，包括装置本体，其特征在于，

所述装置本体包括测力框架，所述测力框架上设置有用于进行实验的透光的水槽；

2.根据权利要求1所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述第一位移机构包括第一滑轨，所述第一滑轨上滑动连接有第一滑台。

3.根据权利要求2所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述第二位移机构包括第二滑轨，所述第二滑轨上滑动连接有第二滑台。

4.根据权利要求3所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述第三位移机构包括与地面垂直设置并且连接在所述第二滑台上的第三滑轨，所述第三滑轨上滑动连接有第三滑台。

5.根据权利要求4所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述连接机构连接在所述第三滑台上。

6.根据权利要求4所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述第二滑轨的高度高于所述第一滑轨的高度，并且所述第一滑轨与所述第二滑轨之间垂直设置。

7.根据权利要求3所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述第二滑轨连接在所述第一滑台上。

8.根据权利要求5所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述连接机构包括与所述第三滑台相连接并且垂直于地面的第一连接梁，远离所述第三滑台侧的所述第一连接梁上连接有平行于地面的第二连接梁，远离所述第一连接梁侧的所述第二连接梁上连接有用于夹持所述柔性构件的第一夹持件。

9.根据权利要求8所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，

所述第三滑台上连接有连接板，所述连接板上连接有用于固定所述测力传感器的连接块，所述连接块上放置所述测力传感器，所述连接块内放置所述数据采集仪；

10.根据权利要求1所述的柔性结构拖曳实验的测力装置，其特征在于，所述测力框架的自振频率大于所述柔性构件的自振频率的三倍。