CN114608796A - 测量充液储箱液体晃动力的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置及试验方法，试验装置包括：试验基座；静压导轨设置在试验基座上，静压导轨上的滑块沿第一方向运动；试验平台与滑块固定连接；伺服电机通过丝杠与试验平台相连接；伺服电机控制系统；充液储箱，在试验平台和充液储箱之间还包括多个滚珠；长孔角码的水平段与试验平台可拆卸连接、竖直段与充液储箱固定连接；力传感器；加速度传感器；信号采集系统采集力传感器和加速度传感器的数字信号，并对数字信号进行信号处理，得到液体的晃动力。试验方法包括在伺服电机驱动试验平台振动时通过将信号采集器采集到的力信号和加速度信号进行数据处理，输出储箱受迫振动时液体的晃动力。

Description

测量充液储箱液体晃动力的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及液体晃动试验的技术领域，更具体地，涉及一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置及试验方法。

背景技术

液体储箱内携带具有自由液面的液体在受到外部激励或扰动所产生的运动称之为晃动，外部激励通常来源于储箱的加速运动。液体的晃动问题广泛存在于航空航天、船舶、土木、水利、核电等工程领域，液体的动力学效应会对储箱及其相关结构的安全性、稳定性和动力学特性产生不可忽视的影响。

目前，相关技术中直接用于测量充液储箱内液体晃动力的试验装置非常少，通常情况下，对于液体晃动的试验研究都是通过测量储箱内壁测点受到的压强来反映晃动规律。已有的测量晃动力的试验装置无法消除滑动摩擦力的干扰。因此，需要设计变滑动为滚动的试验平台，在消除摩擦力干扰的基础上，更加准确地测量充液储箱液体晃动力。

因此，亟需提供一种能够准确测量充液储箱液体晃动力的试验装置和试验方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够准确测量充液储箱液体晃动力的试验装置和试验方法。

一方面，本发明提供了一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置，包括：

试验基座；

静压导轨，沿第一方向延伸且沿第二方向对称设置在所述试验基座上，所述静压导轨上设有滑块，所述滑块与所述静压导轨滑动连接，所述滑块沿所述第一方向相对所述静压导轨运动，所述第一方向和所述第二方向相交；

试验平台，与所述滑块远离所述静压导轨的一侧固定连接；

伺服电机，位于所述试验基座上，通过丝杠与所述试验平台相连接；

伺服电机控制系统，与所述伺服电机电连接，用于控制所述伺服电机的旋转运动；

充液储箱，位于所述试验平台上，所述试验平台和所述充液储箱之间还包括多个滚珠；

长孔角码，包括相连接的水平段和竖直段，所述水平段与所述试验平台可拆卸连接，所述竖直段与所述充液储箱固定连接；

力传感器，位于所述竖直段上，且所述力传感器分别与所述竖直段和所述充液储箱固定连接；

加速度传感器，位于所述竖直段上；

信号采集系统，分别与所述力传感器和所述加速度传感器，采集所述力传感器和所述加速度传感器的数字信号，并对所述数字信号进行信号处理，得到所述充液储箱受迫振动时液体的晃动力。

另一方面，本发明还提供了一种应用上述测量充液储箱液体晃动力的试验装置的试验方法，包括步骤：

所述伺服电机控制系统控制所述伺服电机的旋转运动；

所述伺服电机的旋转运动转换为直线运动；

所述丝杠带动所述试验平台沿所述静压导轨在第一方向上做往复运动；

所述力传感器测量所述充液储箱受到的力F(t)，所述加速度传感器测量所述充液储箱的加速度a(t)；

所述信号采集系统采集所述力传感器和所述加速度传感器的数字信号，并对所述数字信号进行信号处理，按照以下方法计算所述充液储箱内的液体晃动产生的晃动力：

F_晃动＝F(t)-m×a(t)，

其中，m为所述充液储箱的质量。

与现有技术相比，本发明提供的测量充液储箱液体晃动力的试验装置和试验方法，至少实现了如下的有益效果：

本发明通过测量充液储箱受到的力F(t)和充液储箱的加速度a(t)计算得到液体晃动产生的晃动力，不需要测量充液储箱内壁测点收到的压强来反映晃动规律；

本发明在试验平台和充液储箱之间还包括多个滚珠，能够将滑动变为滚动，而且能够消除摩擦力的干扰，更加准确地测量充液储箱液体晃动力；

本发明中长孔角码的水平段与试验平台可拆卸连接，能够调整长孔角码的水平段与第一方向的角度，从而测量不同方向上的液体晃动力，适用范围更广。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明提供的一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置的俯视图；

图2是本发明提供的一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置的侧视图；

图3是本发明提供的又一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置的俯视图；

图4是本发明提供的一种测量充液储箱液体晃动力的试验方法的流程图；

图5是使用本发明的试验方法测得的晃动力与Flow 3D软件计算结果的对比图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

结合图1和图2，本发明提供了一种测量充液储箱8液体晃动力的试验装置，包括：试验基座1；静压导轨2，沿第一方向X延伸且沿第二方向Y对称设置在试验基座1上，静压导轨2上设有滑块3，滑块3与静压导轨2滑动连接，滑块3沿第一方向X相对静压导轨2运动，第一方向X和第二方向Y相交；试验平台4，与滑块3远离静压导轨2的一侧固定连接；伺服电机10，位于试验基座1上，通过丝杠12与试验平台4相连接；伺服电机控制系统11，与伺服电机10电连接，用于控制伺服电机10的旋转运动；充液储箱8，位于试验平台4上，试验平台4和充液储箱8之间还包括多个滚珠9；长孔角码5，包括相连接的水平段51和竖直段52，水平段51与试验平台4可拆卸连接，竖直段52与充液储箱8固定连接；力传感器6，位于竖直段52上，且力传感器6分别与竖直段52和充液储箱8固定连接；加速度传感器7，位于竖直段52上；信号采集系统13，分别与力传感器6和加速度传感器7，采集力传感器6和加速度传感器7的数字信号，并对数字信号进行信号处理，得到充液储箱8受迫振动时液体的晃动力。

具体的，试验基座1可以为水平光滑的金属板，当然这里不对试验基座1的材质做具体限定；静压导轨2可以为立方体型导轨，沿第一方向X延伸，静压导轨2的数量可以为两个，沿第二方向Y上两个静压导轨2位于试验基座1的边缘区中并列设置，可选的，两条静压导轨2通过螺栓固定在试验基座1上。

本发明中滑块3与静压导轨2卡合，可选的静压导轨2侧壁设有滑槽，滑块3与滑槽卡合，滑块3在滑槽内滑动，当然滑动方向是沿着静压导轨2的延伸方向的，试验平台4固定在滑块3上，这样可以使试验平台4可以沿着导轨水平滑动。

固定在试验基座1上的伺服电机10通过丝杠12与试验平台4相连接，伺服电机10旋转运动时通过丝杠12转化为第一方向X上的直线运动，当然丝杠12在第一方向X上的直线运动即可带到试验平台4在静压导轨2上往复运动，可选的，往复运动的振幅和频率由伺服电机控制系统11进行调节。

当然两条静压导轨2相互平行，静压导轨2的延伸方向与伺服电机10引申出的丝杠12方向相同，均为第一方向X，这样能够保证试验平台4沿第一方向X做往复运动。

充液储箱8位于试验平台4上，所以试验平台4在静压导轨2上往复运动时，其内承装的液体会发生晃动。

可选的，长孔角码5为L型直角的长孔角码5，具有水平段51和竖直段52，其水平段51可由螺丝固定在试验平台4上，其竖直段52上固定一个力传感器6和一个加速度传感器7，试验平台4在丝杠12的带动下往复运动时可以通过力传感器6测量充液储箱8受到的力F(t)、同时通过加速度传感器7测量充液储箱8的加速度a(t)，信号采集系统13采集力传感器6和加速度传感器7的数字信号，并对数字信号通过滤波、四则运算等信号处理，输出充液储箱8在受迫振动时液体的晃动力，不需要测量充液储箱8内壁测点收到的压强来反映晃动规律。

另外，本发明中长孔角码5的水平段51与试验平台4可拆卸连接，能够调整长孔角码5的水平段51与第一方向X的角度，从而测量不同方向上的液体晃动力，适用范围更广。

可以理解的是，在试验平台4和充液储箱8之间还包括多个滚珠9，这些滚珠9并不是固定的，当然，滚珠9静置于试验平台4上时不应发生滚动。在试验平台4和充液储箱8之间还包括多个滚珠9可以降低试验平台4和充液储箱8之间的摩擦力，由此减小充液储箱8和试验平台4之间的摩擦力对试验的干扰。

在一些可选的实施例中，静压导轨2和滑块3之间涂抹有润滑脂，滑块3沿第一方向X相对静压导轨2运动时的滑动摩擦系数在0.05-1之间。

在静压导轨2和滑块3之间涂抹上润滑脂，能够降低滑块3与静压导轨2之间的摩擦力，当丝杠12带动试验平台4沿第一方向X往复运动时，若滑块3沿第一方向X相对静压导轨2运动时的滑动摩擦系数在0.05-1之间，则更利于带动试验平台4沿第一方向X往复运动，降低摩擦力对试验的影响。

在一些可选的实施例中，试验平台4上设有多个安装孔，通过螺丝贯穿水平段51和安装孔使得长孔角码5与试验平台4相连接。

通过螺栓使得长孔角码5与试验平台4可拆卸连接。可选的，由于安装孔的数量较多，可以将长孔角码5与试验平台4的任意安装孔通过螺丝连接，由此能够改变长孔角码5与第一方向X(静压导轨2的延伸方向)的角度，这样能够测量任意角度下液体晃动产生的晃动力。

在一些可选的实施例中，参照图1和图3，水平段51与第一方向X的夹角等于0°或大于0°。

参照图1，图1中水平段51与第一方向X的夹角等于0°，也就是测定的为试验平台4沿第一方向X上往复运动时液体晃动产生的晃动力；图3中水平段51与第一方向X的夹角θ大于0°，当然图3中水平段51与第一方向X的夹角仅为示意性说明，该角度可以为任意角，当水平段51与第一方向X的夹角大于0°时，可以用于测量除第一方向X以外的方向上液体晃动力。

在一些可选的实施例中，充液储箱8的材质包括透明的亚克力板。亚克力板的材质为透明的，便于观察液面行为和测量液面高度。

在一些可选的实施例中，力传感器6与充液储箱8通过焊接或粘接的方式固定连接。

充液储箱8与力传感器6用焊接或粘接的方式固连，使得两者不发生相对运动且不会脱离开来。

基于同一方面思想，本发明还提供了一种应用上述测量充液储箱液体晃动力的试验装置的试验方法，包括步骤：

S1：伺服电机控制系统控制伺服电机的旋转运动；

S2：伺服电机的旋转运动转换为直线运动；

S3：丝杠带动试验平台沿静压导轨在第一方向上做往复运动；

S4：力传感器测量充液储箱受到的力F(t)，加速度传感器测量充液储箱的加速度a(t)；

S5：信号采集系统采集力传感器和加速度传感器的数字信号，并对数字信号进行信号处理，按照以下方法计算充液储箱内的液体晃动产生的晃动力：

F_晃动＝F(t)-m×a(t)，其中，m为充液储箱的质量。

通过伺服电机控制系统对伺服电机进行控制，伺服电机的旋转运动通过丝杠转化为直线运动，并由丝杠带动试验平台在静压导轨上进行水平往复运动，振幅和频率由伺服电机控制系统进行调节。信号采集系统用于采集力传感器、加速度传感器的数字信号，并通过滤波、四则运算等信号处理，输出储箱受迫振动时液体的晃动力。具体表达式如下：力传感器测得的信号F(t)为充液储箱和其中的液体受到的总力，加速度传感器测得的信号a(t)为试验平台在静压导轨上进行水平往复运动的加速度，m为充液储箱的质量，则液体晃动所产生的晃动力为F_晃动＝F(t)-m×a(t)。

参照图5，图5中示出了使用本发明的试验方法测得的晃动力与Flow3D软件计算结果的对比图，图5中横坐标为时间，纵坐标为晃动力，从图5中可以看出，本发明的试验方法得到的晃动力与Flow 3D软件计算的晃动力基本一致，证明本发明能够准确测量充液储箱液体晃动力。

通过上述实施例可知，本发明提供的测量充液储箱液体晃动力的试验装置和试验方法，至少实现了如下的有益效果：

本发明通过测量充液储箱受到的力F(t)和充液储箱的加速度a(t)计算得到液体晃动产生的晃动力，不需要测量充液储箱内壁测点收到的压强来反映晃动规律；

本发明在试验平台和充液储箱之间还包括多个滚珠，能够将滑动变为滚动，而且能够消除摩擦力的干扰，更加准确地测量充液储箱液体晃动力；

本发明中长孔角码的水平段与试验平台可拆卸连接，能够调整长孔角码的水平段与第一方向的角度，从而测量不同方向上的液体晃动力，适用范围更广。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种测量充液储箱液体晃动力的试验装置，其特征在于，包括：

试验基座；

静压导轨，沿第一方向延伸且沿第二方向对称设置在所述试验基座上，所述静压导轨上设有滑块，所述滑块与所述静压导轨滑动连接，所述滑块沿所述第一方向相对所述静压导轨运动，所述第一方向和所述第二方向相交；

试验平台，与所述滑块远离所述静压导轨的一侧固定连接；

伺服电机，位于所述试验基座上，通过丝杠与所述试验平台相连接；

伺服电机控制系统，与所述伺服电机电连接，用于控制所述伺服电机的旋转运动；

充液储箱，位于所述试验平台上，所述试验平台和所述充液储箱之间还包括多个滚珠；

长孔角码，包括相连接的水平段和竖直段，所述水平段与所述试验平台可拆卸连接，所述竖直段与所述充液储箱固定连接；

力传感器，位于所述竖直段上，且所述力传感器分别与所述竖直段和所述充液储箱固定连接；

加速度传感器，位于所述竖直段上；

信号采集系统，分别与所述力传感器和所述加速度传感器，采集所述力传感器和所述加速度传感器的数字信号，并对所述数字信号进行信号处理，得到所述充液储箱受迫振动时液体的晃动力。

2.根据权利要求1所述的测量充液储箱液体晃动力的试验装置，其特征在于，所述静压导轨和所述滑块之间涂抹有润滑脂，所述滑块沿所述第一方向相对所述静压导轨运动时的滑动摩擦系数在0.05-1之间。

3.根据权利要求1所述的测量充液储箱液体晃动力的试验装置，其特征在于，所述试验平台上设有多个安装孔，通过螺丝贯穿所述水平段和所述安装孔使得所述长孔角码与所述试验平台相连接。

4.根据权利要求1或3所述的测量充液储箱液体晃动力的试验装置，其特征在于，所述水平段与所述第一方向的夹角等于0°或大于0°。

5.根据权利要求1所述的测量充液储箱液体晃动力的试验装置，其特征在于，所述充液储箱的材质包括透明的亚克力板。

6.根据权利要求1所述的测量充液储箱液体晃动力的试验装置，其特征在于，所述力传感器与所述充液储箱通过焊接或粘接的方式固定连接。

7.一种应用权利要求1至6任一所述测量充液储箱液体晃动力的试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤：

所述伺服电机控制系统控制所述伺服电机的旋转运动；

所述伺服电机的旋转运动转换为直线运动；

所述丝杠带动所述试验平台沿所述静压导轨在第一方向上做往复运动；

所述力传感器测量所述充液储箱受到的力F(t)，所述加速度传感器测量所述充液储箱的加速度a(t)；

所述信号采集系统采集所述力传感器和所述加速度传感器的数字信号，并对所述数字信号进行信号处理，按照以下方法计算所述充液储箱内的液体晃动产生的晃动力：

F_晃动＝F(t)-m×a(t)，

其中，m为所述充液储箱的质量。

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