CN111366332A - 一种三自由度分解系泊结构测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量实验设备技术领域，更具体地，涉及一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，该装置包括装置框架、Z方向测量系统、Y方向测量系统和X方向转动测量系统，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。在波浪作用下，所述装置框架和待测量物体沿z轴做上下运动，待测量物体沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。该装置设计合理、结构简单、能够有效测量待测量物体的三自由度运动和动力响应。

Description

一种三自由度分解系泊结构测量实验装置

技术领域

本发明涉及测量实验设备技术领域，更具体地，涉及一种三自由度分解系泊结构测量实验装置。

背景技术

船舶或海上结构物如浮筒、网箱、浮式防波堤等的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，结构物的影响最大。极端情况下甚至会造成结构的破坏。目前的模型试验设备大部分是通过一些机械结构来模拟结构物的晃荡状态，与真实状态下的波浪有一些差异，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测量系统解决实际问题，并从实验中研究产生运动耦合的机理。船舶或海上结构物需要面临海上复杂的工作环境，对海上结构物的设计过程中，需要通过模型系泊实验对结构物的运动及动力响应进行分析。在试验水槽中单向波浪的实验条件下，模型主要有三个自由度的运动：纵荡、垂荡和纵摇。目前，模型系泊实验大部分是通过初步估算确定系泊条件，实验成本较大。因此，需要设计一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，用于测量模型在实验条件下的受力情况和运动响应，为模型系泊条件分析提供参考。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，该装置设计合理、结构简单、能够有效分解测量出纵向、垂向的位移、受力以及绕横轴的角位移、扭矩，系泊结构的系泊力，满足浮式结构物的模型系泊实验三自由度测量要求。

本发明采取的技术方案是：

一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，用于测量待测量物体的受力情况和运动响应；包括装置框架、Z方向测量系统、Y方向测量系统和X方向转动测量系统，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。在波浪作用下，所述装置框架和待测量物体沿z轴做上下运动，待测量物体沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。

本发明的实验装置可在水池中进行模拟测量。其中，水池模拟大海，装置框架设在水池中，待测量物体模拟真实船体，通过装置框架限制待测量物体运动，将待测量物体的运动合理地分解成纵荡、垂荡和纵摇，通过安装测量装置，测量模型在实验条件下的受力情况和运动响应，为模型系泊条件分析提供参考。

其中，装置框架由多根横杆、竖杆围设形成；进一步地，装置框架围设形成多边体的结构。

进一步地，所述装置框架向上延伸上方设有第一直杆，所述Z方向测量系统包括竖直滑块、固定导轨和传感器装置，所述第一直杆与所述竖直滑块的下端连接，所述传感器装置与所述竖直滑块的上端连接，所述竖直滑块在固定导轨内滑动，所述装置框架在水波的影响下带动待测量物体沿z轴做上下运动。

进一步地，所述固定导轨包括四条竖直子导轨和固定座，所述固定座与所述四条竖直子导轨上端连接，其中四条竖直子导轨架设平行于z轴方向，使竖直滑块在四条竖直子导轨上沿z轴方向运动，四条竖直子导轨下末端设有限制挡板，所述限制挡板用于固定竖直滑块与竖直子导轨，避免竖直滑块与竖直子导轨分离。

进一步地，所述传感器装置包括位移传感器，用于测量待测量物体与装置框架沿z轴的运动响应，或所述传感器包括拉压力传感装置，拉压力传感装置包括弹簧和拉压力传感器，所述弹簧分别连接竖直滑块和固定导轨，通过测量弹簧的动力响应，得到待测量物体的动力响应。

其中，对于已确定系泊条件的模型，可以通过位移传感器测量运动响应作进一步分析。所述位移传感器用于测量待测量物体与装置框架沿z轴的运动响应。

本技术方案中，作为另一种实施方式，对于未确定系泊条件的模型，可以通过弹簧与拉压力传感器同时测量出受力和该约束条件下的运动响应。本技术方案中，装置框架受波浪影响，所受力通过第一直杆传到竖直滑块中，竖直滑块在竖直子导轨中上下滑动，竖直滑块中的拉压力传感器装置测量其动力响应。拉压力传感装置包括弹簧和拉压力传感器，弹簧分别连接竖直滑块与固定导轨。固定座在竖直子导轨的上方固定，限制装置框架，使装置框架只能在z轴方向上做运动。

其中，弹簧分别连接竖直滑块与固定导轨上的固定座，弹簧所受拉压力方向沿竖直轨道，即沿Z方向，此时拉压力传感装置测量的是待测量物体在弹簧约束条件下的Z方向系泊动力响应。由于弹簧在力与位移间有良好的线性关系，能得到该约束条件下的运动响应。在得到弹簧的动力响应后，可根据弹簧与待测量物体的受力和运动关系，进而分析得到待测量物体的动力响应规律。

进一步地，所述装置框架向下延伸方设有第二直杆，所述Y方向测量系统包括连接座、水平导轨和水平滑块，所述连接座套设在第二直杆上，所述连接座与所述水平导轨两端分别与所述连接座连接，所述水平导轨与所述水平滑块架设在所述水平导轨上连接，所述水平导轨沿y轴架设在所述第二直杆上，待测量物体通过连接轴与水平滑块连接，待测量物体与水平滑块一起沿y轴做前后运动。

由于装置框架只能在z轴方向上做运动，水平导轨的设置可以使待测量物体做y轴方向上的运动。

进一步地，连接座上安装有位移传感器，用于测量待测量物体与水平滑块沿y轴的运动响应，或安装有拉压力传感装置。

本技术方案中，对于已确定系泊条件的模型，可以通过位移传感器测量待测量物体与装置框架沿y轴的运动响应。

对于未确定系泊条件的模型，可以通过拉压力传感装置同时测量出受力和该约束条件下的运动响应。连接座本身也是系泊机构，可用于安装系泊绳缆。

进一步地，所述拉压力传感装置包括弹簧和拉压力传感器，所述弹簧分别连接水平滑块和连接座，其中，弹簧所受拉压力方向沿水平轨道，即沿Y方向，此时拉压力传感装置测量的是待测量物体在弹簧约束条件下的Y方向系泊动力响应。由于弹簧在力与位移间有良好的线性关系，能得到该约束条件下的运动响应。在得到弹簧的动力响应后，可根据弹簧与待测量物体的受力和运动关系，进而分析得到待测量物体的动力响应规律。

进一步地，所述连接轴与水平滑块设在X方向转动测量系统上，连接轴一端与水平滑块连接，另一端与待测量物体连接，在波浪作用下，待测量物体与连接轴、水平滑块一起沿x轴旋转；所述水平滑块上下两端各连接一轮轴，轮轴的两端各连接一轴承组成滑轮，滑轮与水平导轨连接。

进一步地，所述连接轴沿x轴方向穿过待测量物体稳心，连接轴与待测量物体一起转动，连接轴上装有旋转传感器，用于测量待测量物体绕x轴的旋转运动响应。

进一步地，所述水平滑块包括外圈和内圈，水平滑块的内圈与连接轴相连，和连接轴、待测量物体一起做绕x轴方向的旋转运动，所述水平导轨包括四条水平子导轨，每两个滑轮分别设在水平滑块的外圈的上下两端，水平滑块与连接轴、待测量物体沿y轴做前后运动。

进一步地，所述第二直杆底部配备相对装置框架可移动的系泊机构，用于安装系泊绳缆和系泊力测量。

优选的，可将系泊点置于水平测量系统连接座上，系泊力的大小可通过竖直测量系统、水平测量系统部分地反映出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过设置三套子系统，分别实现对模型纵荡、垂荡和纵摇的测量，滑块与导轨的巧妙配合，使待测量物体和装置框架能沿相应轨道自由运动。对于未确定系泊条件的模型，可以通过拉压力传感装置同时测量出受力和该约束条件下的运动响应。对于已确定系泊条件的模型，也可以通过分别测量系泊力和模型的运动和动力响应作进一步分析。该装置设计合理、结构简单、能够有效对实验模型进行三自由度分解测量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为Z方向测量系统结构示意图。

图3为Y方向测量系统结构示意图。

图4为水平滑块和水平导轨剖面图。

图5为X方向转动测量系统结构示意图。

图6为实施例2结构示意图。

附图标记说明：1-装置框架，2-Z方向测量系统，3-Y方向测量系统，4-X方向转动测量系统，5-固定导轨，6-竖直滑块，7-拉压力传感装置，8-第一直杆，9-竖直子导轨，10-固定座，11-限制挡板，12-连接座，13-水平导轨，14-水平滑块，15-第二直杆，16-轮轴，17-滑轮，18-水平子导轨，19-连接轴，20-待测量物体，21-旋转传感器，22-位移传感器，23-系泊机构。

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，一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，包括装置框架1、Z方向测量系统2、Y方向测量系统3、X方向转动测量系统4，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。右手坐标系是在空间中规定直角坐标系的方法之一。此坐标系中x轴，y轴和z轴的正方向是如下规定的：把右手放在原点的位置，使大拇指，食指和中指互成直角，把大拇指向x轴的正方向，食指指向y轴的正方向时，中指所指的方向就是z轴的正方向。

本实施例中，待测量物体20通过连接轴19同时架设在Y方向测量系统3和X方向转动测量系统4上，连接轴19沿x轴方向穿过待测量物体20稳心，连接轴19与待测量物体20一起转动。在波浪作用下，装置框架1和待测量物体20沿z轴做上下运动，待测量物体20沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。

优选地，装置框架1向上延伸设有第一直杆8，Z方向测量系统2设在第一直杆8之上。装置框架1向下延伸设有第二直杆15，Y方向测量系统3设在第二直杆15上。

结合图1和图2所示，Z方向测量系统2包括竖直滑块6、固定导轨5，第一直杆8与竖直滑块6的下端连接，竖直滑块6在固定导轨5内滑动，装置框架1在水波的影响下带动待测量物体20沿z轴做上下运动。

其中，竖直滑块6的上端连接有拉压力传感器装置，该装置包括弹簧与拉压力传感器，用于测量待测量物体20的动力响应。

进一步地，固定导轨5包括四条竖直子导轨9和固定座10，固定座10与四条竖直子导轨9上端连接，其中四条竖直子导轨9架设平行于z轴方向，使竖直滑块6在四条竖直子导轨9上沿z轴方向运动，四条竖直子导轨9下端设有限制挡板11，所述限制挡板11用于固定竖直滑块6与竖直子导轨9，避免竖直滑块6与竖直子导轨9分离。

结合图1和图3所示，Y方向测量系统3包括连接座12、水平导轨13和水平滑块14，X方向转动测量系统4与Y方向测量系统3共用水平滑块14，这样既能保证测量效果的同时，也使本发明的设计更巧妙。其中，水平滑块14包括外圈和内圈，水平滑块14的内圈与连接轴19相连，且水平滑块14和连接轴19、待测量物体20一起做绕x轴方向的旋转运动。

其中，连接座12套设在第二直杆15上，水平导轨13两端分别与连接座12连接，水平滑块14架设在水平导轨13上，水平导轨13沿y轴架设在第二直杆15上。其中，连接轴19一端与水平滑块14连接，另一端穿过待测量物体20，待测量物体20通过连接轴19与水平滑块14连接，在波浪作用下，待测量物体20与水平滑块14一起沿y轴做前后运动。

进一步地，连接座12上安装有拉压力传感装置，用于测量待测量物体20的动力响应。

结合图4所示，水平滑块14上下两端各连接一轮轴16，轮轴16的两端各连接一轴承组成滑轮17，滑轮17与水平导轨13连接；其中，水平导轨13包括四条水平子导轨18，每两个滑轮17分别设在水平滑块14外圈的上下两端。

如图5所示，连接轴19上装有旋转传感器21，用于测量待测量物体20绕x轴的旋转运动响应和动力响应。

本实施例中，X方向转动测量系统4、Y方向测量系统3、Z方向测量系统2的工作原理为：

在进行X方向的旋转运动响应测量时，将装置框架1向上延伸的第一直杆8与Z方向测量系统的竖直滑块6连接，再将Y方向测量系统3的连接座12安装在装置框架1向下延伸的第二直杆15处。通过连接轴19穿过待测量物体20的稳心连接至水平滑块14，水平滑块14主体为一个轴承，待测量物体20、连接轴19和水平滑块14的轴承内圈一同转动，通过装在连接轴19上的旋转传感器21，对待测量物体20绕X方向的旋转运动响应进行测量。

在进行Y方向的运动响应测量时，选择在Y方向测量系统3上安装拉压力传感装置7，拉压力传感装置7包括弹簧和拉压力传感器，弹簧连接水平滑块14和连接座12，待测量物体20、连接轴19与水平滑块14沿Y方向测量系统3上的水平导轨13在Y方向上运动，水平滑块14的滑轮17能与Y方向测量系统3上的水平子导轨13配合，使待测量物体20和水平滑块14一同沿水平导轨13在Y方向上运动，通过拉压力传感装置7中的弹簧模拟未知系泊条件对待测量物体在Y方向的约束作用，通过拉压力传感装置7中的拉压力传感器实现对待测量物体20在Y方向上的受力响应，由于弹簧在力与位移间有良好的线性关系，在已知弹簧胡克系数的条件下，通过拉压力传感器的数据变化，可以得到待测量物体20在所选弹簧约束条件下Y方向上的动力与运动响应。

在进行Z方向的运动响应测量时，选择在Z方向测量系统2上安装拉压力传感装置7，拉压力传感装置的弹簧连接固定座10和竖直滑块6，待测量物体20、连接轴19、Y方向测量系统3和装置框架1沿Z方向测量系统2上的竖直子导轨9在Z方向上运动，Y方向测量系统3的连接座固定在装置框架1向下延伸的第二直杆15上，Y方向测量系统3与装置框架1同时运动，装置框架1向上延伸的第一直杆8与Z方向测量系统2的竖直滑块6连接，竖直滑块6的滑轮17与竖直子导轨9配合，使待测量物体20、Y方向测量系统3和装置框架1一同沿竖直子导轨9在Z方向上运动，竖直子导轨9末端有限制挡板11，防止竖直滑块6滑出导轨。通过拉压力传感装置7中的弹簧模拟未知系泊条件对待测量物体在Z方向的约束作用，通过拉压力传感装置7中的拉压力传感器实现对待测量物体20在Z方向上的受力响应，由于弹簧在力与位移间有良好的线性关系，在已知弹簧胡可系数的条件下，通过拉压力传感器的数据变化，测量待测量物体20在所选弹簧约束条件下Z方向上的动力与运动响应。

在本实施例中，可选用Y方向测量系统3中的连接座12作为系泊点，将待测量物体20通过缆绳系泊于连接座12上，待测量物体20的系泊力能通过Y方向测量系统3和Z方向测量系统2中的拉压力传感器的读数变化部分地反映出来。

实施例2

如图6所示，本实施例2与实施例1的不同之处在于，选用系泊机构23加装在装置框架1向下延伸的第二直杆15上，将装置框架1中的拉压力传感装置7替换为位移传感器21，通过缆绳将待测量物体20系泊于系泊机构23上，用系泊缆绳上的拉压力传感器测量实验中待测量物体20的系泊力，同时通过X转动方向测量系统4，Y方向测量系统3和Z方向测量系统2，得到待测量物体20在系泊条件下对应的三个自由度的运动响应。

在本实施例中，系泊机构23与装置框架1可相对运动，使装置框架1可相对固定的系泊机构23做Z方向的位移。

显然，本发明的上述实施例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 (10)

1.一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，用于测量待测量物体的受力情况和运动响应；其特征在于，包括装置框架(1)、Z方向测量系统(2)、Y方向测量系统(3)和X方向转动测量系统(4)，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；在波浪作用下，所述装置框架(1)和待测量物体(20)沿z轴做上下运动，待测量物体(20)沿y轴做前后运动，沿x轴做旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述装置框架(1)向上延伸设有第一直杆(8)，所述Z方向测量系统(2)包括竖直滑块(6)、固定导轨(5)和传感器装置，所述第一直杆(8)与所述竖直滑块(6)的下端连接，所述传感器装置与所述竖直滑块(6)的上端连接，所述竖直滑块(6)在固定导轨(5)内滑动，所述装置框架(1)在水波的影响下带动待测量物体(20)沿z轴做上下运动。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述固定导轨(5)包括四条竖直子导轨(9)和固定座(10)，所述固定座(10)与所述四条竖直子导轨(9)上端连接，其中四条竖直子导轨(9)架设平行于z轴方向，使竖直滑块(6)在四条竖直子导轨(9)上沿z轴方向运动，四条竖直子导轨(9)下端设有限制挡板(11)，所述限制挡板(11)用于固定竖直滑块(6)与竖直子导轨(9)，避免竖直滑块(6)与竖直子导轨(9)分离。

4.根据权利要求2所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述传感器装置包括位移传感器(22)，用于测量待测量物体(20)与装置框架(1)沿z轴的运动响应，或所述传感器包括拉压力传感装置(7)，拉压力传感装置包括弹簧和拉压力传感器，所述弹簧分别连接竖直滑块(6)和固定导轨(5)，用于测量待测量物体(20)的动力响应。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述装置框架(1)向下延伸设有第二直杆(15)，所述Y方向测量系统(3)包括连接座(12)、水平导轨(13)和水平滑块(14)，所述连接座(12)套设在第二直杆(15)上，所述水平导轨(13)两端分别与所述连接座(12)连接，所述水平滑块(14)架设在所述水平导轨(13)上，所述水平导轨(13)沿y轴架设在所述第二直杆(15)上，待测量物体(20)通过连接轴(19)与水平滑块(14)连接，待测量物体(20)与水平滑块(14)一起沿y轴做前后运动。

6.根据权利要求5所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，连接座(12)上安装有位移传感器(22)，用于测量待测量物体(20)与水平滑块(14)沿y轴的运动响应，或安装有拉压力传感装置。

7.根据权利要求5所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述连接轴(19)与水平滑块(14)设在所述X方向转动测量系统(4)上，连接轴(19)一端与水平滑块(14)连接，另一端穿过待测量物体(20)，在波浪作用下，待测量物体(20)与连接轴(19)、水平滑块(14)一起沿x轴旋转；所述水平滑块(14)上下两端各连接一轮轴(16)，轮轴(16)的两端各连接一轴承组成滑轮(17)，滑轮(17)与水平导轨(13)连接。

8.根据权利要求7所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述连接轴(19)沿x轴方向穿过待测量物体(20)稳心，连接轴(19)与待测量物体(20)一起转动，连接轴(19)上装有旋转传感器(21)，用于测量待测量物体(20)绕x轴的旋转运动响应和动力响应。

9.根据权利要求8所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述水平滑块(14)包括外圈和内圈，水平滑块(14)的内圈与连接轴(19)相连，且水平滑块(14)和连接轴(19)、待测量物体(20)一起做绕x轴方向的旋转运动，所述水平导轨(13)包括四条水平子导轨(18)，每两个滑轮(17)分别设在水平滑块(14)外圈的上下两端，水平滑块(14)与连接轴(19)、待测量物体(20)沿y轴做前后运动。

10.根据权利要求5所述的一种三自由度分解系泊结构测量实验装置，其特征在于，所述第二直杆(15)底部配备相对装置框架(1)可移动的系泊机构(23)，用于安装系泊绳缆和系泊力测量。

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