三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置

1.本发明涉及船舶与海洋工程模型测试与试验技术领域，更具体地说，涉及一种三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置。


背景技术：

2.船舶于波浪中航行时，由于船体与波浪间的剧烈相对运动，船艏底部出水以较大的垂向速度冲击水面，产生剧烈的砰击现象短时间内产生较大的冲击载荷，使得船体结构产生一定的局部结构破坏、板壳屈曲、船舱入水甚至整船结构破坏等。除了结构物对称入水情况之外，波浪中的三维船艏入水过程通常存在非对称入水砰击现象，比如航行于斜浪中的船体、波浪下的三维船艏纵倾与横倾运动、入射波浪的非线性及随机性等。然而对于此类非对称入水砰击问题，由于存在一定的入水角度或者横向速度，会发生流动分离、空气压缩等复杂的物理现象。鉴于波浪下三维船艏入水砰击问题的瞬态强非线性性，模型试验研究作为主要的研究方法之一，可为理论分析与数值仿真研究提供高精度和真实的试验数据，并揭示其瞬态流场演变与空气压缩等现象与机理。因此开展在不同入水速度及入水角度下的三维船艏入水砰击模型试验对于实船设计及结构评估校核而均是十分重要的。
3.传统释放装置存在释放模型时不能保证其仅受重力影响，释放瞬间会产生其他干扰因素，传统释放装置不能保证模型入水速度精确性问题，在调整模型入水角度时存在一定困难，入水速度及角度精细调整都存在问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其能确保在进行船艏砰击试验时，模型仅受重力作用竖直下落，方便快捷的变速度及角度精细设置调整模块以便实现不同的试验工况的对比。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于砰击试验的可变速度及角度的精细化释放装置，包括高度调节模块、释放装置模块、限位装置模块和角度调节模块。所述高度调节模块包括第一手摇轮、小桁架和蜗轮丝杆，所述第一手摇轮固定设置在小桁架上，所述小桁架通过设置在两端的钢丝绳与吊机挂钩连接，所述小桁架下端设置蜗轮丝杆；所述释放装置模块包括电磁铁、第一铁制夹持单元和光滑连接杆，所述电磁铁一面固定设置在蜗轮丝杆底端，所述电磁铁接通电源后，另外一面通过磁力吸附第一铁制夹持单元，第一铁制夹持单元设置与光滑连接杆适配的孔洞，所述光滑连接杆上设置刻度线；所述限位装置模块包括h型限位架和计米轮，所述h型限位架固定设置在试验桁架上，所述计米轮设置在h型限位架左侧，所述h型限位架中部对称设置有左右两个供光滑连接杆穿过限位圆柱孔，所述限位圆柱孔内侧设置滚珠轴承，右侧所述孔洞上设置刻度指示标，所述计米轮外径与左侧光滑连接杆相切；所述角度调节模块包括铁质夹持件、底座、螺杆、滑块和第二手摇轮，所述底座左侧与第二铁质夹持件左端固定连接，所述底座右侧依次设置滑块和第二手摇轮，所述滑块上设置有供螺纹孔，所述螺纹孔与螺杆啮合，所述第二手摇轮设置在螺
杆左端，所述第二铁质夹持件右侧通过双联杆与滑块连接。
6.在本发明所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置中，其特征在于，所述刻度线采用钢制工艺。
7.按上述方案，所述滚珠轴承内设置增加接触面润滑的润滑脂。
8.按上述方案，所述滑块上设置增阻材料。
9.按上述方案，所述光滑连接杆的外径与铁制夹持单元预留孔洞内径相等。
10.按上述方案，所述刻度指示标与光滑连接杆外表面设置空隙。
11.按上述方案，所述计米轮为用于记录模型瞬时释放速度的编码器。
12.实施本发明的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，具有以下有益效果：
13.1、本发明采用的电磁铁释放方式，可以在进行砰击试验时，仅需关闭电磁体通电开关即可释放试件，在释放时不会受到因释放导致的除重力外的其他力影响，模型下落时仅受重力作用；
14.2、本发明的光滑连接杆与h型限位装置的组合保证了模型下落过程保持垂直下落，h型限位架中设置的带有润滑脂的滚珠轴承保证了光滑连接杆通过限位圆孔柱时不会产生过大摩擦，减少对模型下落过程的影响；
15.3、本发明设置在h型限位架左侧的计米轮编码器可以实时记录模型下落速度，得到的数据可以与计算速度对比，可用于后期试验数据分析阶段的误差分析；
16.4、本发明设置的高度调节模块中的第一手摇轮可以在模型高度通过吊机粗调后进行细调，角度调节模块中的滑块、螺杆和第二手摇轮组合可以构成换向机构，将斜向角度调节的直线运动变成手摇轮旋转运动，角度调节过程更加方便与精确；
17.5、本发明可以满足模型不同入水速度及角度的多种工况设置，安装方便，调整方便精准，避免了花费资金做多个用于不同工况的试验装置，另外减少了进行砰击重复试验时的繁琐准备工作，节约了资金和时间成本，同时也为模型在砰击方面的科学研究提供了便利，具有较好的试验性能，满足实际使用要求。
附图说明
18.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
19.图1是本发明三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置的结构示意图；
20.图2是本发明三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置的高度调节模块的结构示意图；
21.图3是本发明三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置的释放装置模块的结构示意图；
22.图4是本发明三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置的限位装置模块的结构示意图；
23.图5是本发明三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置的角度调节装置模块的结构示意图；
24.图6是本发明在试验中的布置示意图。
具体实施方式
25.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
26.如图1-6所示，本发明的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，包括试验塔架，试验塔架顶部设置电机，电机下端从上至下设置高度调节模块、释放装置模块、限位装置模块和角度调节模块，高度调节模块通过吊机挂钩1与电机连接；
27.高度调节模块包括第一手摇轮3、小桁架和蜗轮丝杆4，第一手摇轮3固定设置在小桁架上，小桁架通过设置在两端的钢丝绳2与吊机挂钩1连接，小桁架下端设置蜗轮丝杆4；
28.释放装置模块包括电磁铁5和光滑连接杆8，电磁铁5一面固定设置在蜗轮丝杆4底端，电磁铁5接通电源后，另外一面通过磁力吸附第一铁制夹持单元9，第一铁制夹持单元9设置与光滑连接杆8适配的孔洞，光滑连接杆8上设置刻度线7；刻度线7采用钢制工艺。
29.限位装置模块包括h型限位架和计米轮11，h型限位架固定设置在试验桁架上，计米轮11设置在h型限位架左侧，h型限位架中部对称设置有左右两个供光滑连接杆8穿过限位圆柱孔，限位圆柱孔内侧设置滚珠轴承12，滚珠轴承12内设置增加接触面润滑的润滑脂。右侧孔洞上设置刻度指示标13，计米轮11外径与左侧光滑连接杆8相切。计米轮11为用于记录模型瞬时释放速度的编码器。
30.角度调节模块包括铁质夹持件、底座、螺杆21、滑块23和第二手摇轮20，滑块23上设置增阻材料。底座左侧与第二铁质夹持件左端固定连接，底座右侧依次设置滑块23和第二手摇20，滑块21上设置有供螺纹孔，螺纹孔与螺杆21啮合，第二手摇轮20设置在螺杆21左端，第二铁质夹持件右侧通过双连杆22与滑块23连接。光滑连接杆8的外径与第二铁制夹持单元16内径相等。刻度指示标13与光滑连接杆8外表面设置空隙。
31.本发明的优选实施例中，包括高度调节模块、释放装置模块、限位装置模块、角度调节模块。高度调节模块包括小桁架、第一手摇轮3和蜗轮丝杆；释放装置模块包括电磁铁5、第一铁制夹持单元9和光滑连接杆8，本实施例中电磁铁5采用圆形；限位装置模块包括h型限位架，h型限位架内置限位圆柱孔，限位圆柱孔内设滚珠滑轮；角度调节模块包括底座、螺杆21和滑块23和第二铁制夹持单元16。
32.本发明的优选实施例中，设置在试验塔架上的吊机通过吊机挂钩1起吊连接在高度调节模块左右两侧的钢丝绳2，钢丝绳2通过钢丝绳2绳卡头固定，控制吊机完成整个装置高度粗调，旋转上部的第一手摇轮3控制蜗轮丝杆4上下伸缩达到高实现精细调节。蜗轮丝杠底部固定圆形的电磁铁5，电磁铁5通电使用，关闭电磁铁5时即可释放第一铁制夹持单元9，光滑连接杆8穿过第一铁制夹持单元9中与其适配的孔洞，此时旋紧螺栓6，光滑连接杆8表面设有刻度线7，高度精细调节时观察光滑连接杆8中部的刻度线7。限位装置模块套设在光滑连接杆8的中段，h型限位架四角打孔，通过螺栓刚性固接在试验塔架的中部桁架上，h型限位架中对称设置两个限位圆柱孔供光滑连接杆8通过，限位圆柱孔内设有减小摩擦的滚珠轴承12，限位圆柱孔保证在试验释放过程中装置垂向入水，不发生晃动，h型限位装置模块架上固定设置有计米轮11，计米轮11的外径与光滑连接杆8相切，当光滑连接杆8下落时，带动计米轮11转动，用于测量模型下落瞬时速度，光滑连接杆8穿过第二铁制夹持单元16中与其适配的孔洞后，旋紧螺栓19即可与角度调节模块连接。
33.本发明的优选实施例中，角度调节模块包括第二铁制夹持单元16、底座、螺杆21、
滑块23、第二手摇轮20。第二铁制夹持单元16的左端焊接在底座上，第二铁制夹持单元16右端通过双连杆22固接在滑块23上，滑块23中心开设有供螺杆21通过的孔洞，孔洞上设置有螺纹，第二手摇轮20设置在螺杆21端部调节螺杆21控制滑块23位置，当滑块23远离第二手摇轮20时，倾角变大，滑块23运动带动双连杆22转动改变第二铁制夹持单元16的位置。底座通过螺栓固定在船艏模型中部“井”字型桁架上，可实现自由入水砰击试验精确变高度、纵倾角及横倾角度以达到试验目的。
34.本发明的优选实施例中，所有组件保证加工精度，否则影响本发明实施效果，所有组件外部上漆，防止装置生锈影响精度。为避免使用时间增加造成机构上刻度线7磨损，刻度线7采用钢刻工艺并保证一定深度后涂漆上色。h形限位架中部的限位孔内的滚珠内需上轴承润滑脂保证其接触面润滑良好，减少其与连接杆的摩擦。滑块23上下曲面贴附一层极薄的增阻材料，以较小滑块23与滑轨的磨损程度。
35.本发明的优选实施例中，蜗轮丝杆装置通过螺栓固定在小桁架上，小桁架两侧安装钢丝绳2，钢丝绳2吊装在吊机挂钩1上，电磁铁5通过焊接方式固定在蜗轮丝杆4的底端。光滑连接杆8外径与第二铁制夹持单元16预留的第1、第3孔洞内径相等，光滑连接杆8顶部与第二铁制夹持单元16上部平齐后，在试件螺栓孔插入螺栓并旋紧，使得第二铁制夹持单元16与光滑连接杆8作为一个整体释放。h型限位架通过螺栓固定设置在于试验塔架上，h型限位架用于模型稳定释放时候不出现晃动，限位圆柱孔内安装滚珠滑轮用于减少光滑连接杆8摩擦，刻度指示标13所在位置与光滑连接杆8外表面存在3mm空隙，计米轮11外径与光滑连接杆8外表面相切安装，计米轮11作为一种编码器用于记录模型瞬时释放速度。滑块23中心螺纹与螺杆21相啮合，第二手摇轮20控制螺杆21旋转从而控制滑块23移动。双连杆22和螺栓共同约束铁质夹持单元16转动，以便稳定调整角度。
36.本发明的具体使用步骤如下：
37.s1、将光滑连接杆8穿过h形限位架中的带有滚珠的限位圆柱孔，光滑连接杆8顶端穿过第一第铁制夹持单元9中预留孔洞且平齐后，拧紧螺栓；
38.s2、通过转动第二手摇轮20调节螺杆21使滑块23沿着轨道移动，滑动连杆带动铁质夹持单元16达到目标角度后，拧紧螺栓固定；调整好角度后，将下部支持单元安装在船艏中部的“井”字形框架上，螺栓下部加装垫片通过螺栓孔与船模固定；
39.s3、光滑连接杆8底端与第二铁质夹持单元16平齐后拧紧螺栓；
40.s4、启动电机初步调整模块高度，电磁铁5通电，吸紧第一铁制夹持单元9，抬起整个装置；
41.s5、通过第一手摇轮3控制蜗轮丝杆伸缩并观察光滑连接杆8上的刻度线7，精细调节试验目标高度；
42.s6、关闭电磁铁5开关，释放模块化装置。
43.s7、一个试验工况结束后，通过步骤s2中转动手摇轮调整目标角度后重复步骤s4。
44.完成上述步骤以后，可实现船艏自由入水砰击试验高度、纵倾角及横倾角精细调整。
45.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多
形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，包括试验塔架，所述试验塔架顶部设置电机，其特征在于，所述电机下端从上至下设置高度调节模块、释放装置模块、限位装置模块和角度调节模块，所述高度调节模块通过吊机挂钩与电机连接；所述高度调节模块包括第一手摇轮、小桁架和蜗轮丝杆，所述第一手摇轮固定设置在小桁架上，所述小桁架通过设置在两端的钢丝绳与吊机挂钩连接，所述小桁架下端设置蜗轮丝杆；所述释放装置模块包括电磁铁、第一铁制夹持单元和光滑连接杆，所述电磁铁一面固定设置在蜗轮丝杆底端；所述电磁铁接通电源后，另外一面通过磁力吸附第一铁制夹持单元，第一铁制夹持单元设置与光滑连接杆适配的孔洞，所述光滑连接杆上设置刻度线；所述限位装置模块包括h型限位架和计米轮，所述h型限位架固定设置在试验桁架上，所述计米轮设置在h型限位架左侧，所述h型限位架中部对称设置有左右两个供光滑连接杆穿过限位圆柱孔，所述限位圆柱孔内侧设置滚珠轴承，右侧所述孔洞上设置刻度指示标，所述计米轮外径与左侧光滑连接杆相切；所述角度调节模块包括铁质夹持件、底座、螺杆、滑块和第二手摇轮，所述底座左侧与第二铁质夹持件左端固定连接，所述底座右侧依次设置滑块和第二手摇轮，所述滑块上设置有供螺纹孔，所述螺纹孔与螺杆啮合，所述第二手摇轮设置在螺杆左端，所述第二铁质夹持件右侧通过双联杆与滑块连接。2.根据权利要求1所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其特征在于，所述刻度线采用钢制工艺。3.根据权利要求1所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其特征在于，所述滚珠轴承内设置增加接触面润滑的润滑脂。4.根据权利要求1所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其特征在于，所述滑块上设置增阻材料。5.根据权利要求1所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其特征在于，所述光滑连接杆的外径与铁制夹持单元预留孔洞内径相等。6.根据权利要求1所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其特征在于，所述刻度指示标与光滑连接杆外表面设置空隙。7.根据权利要求1所述的三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，其特征在于，所述计米轮为用于记录模型瞬时释放速度的编码器。

技术总结
本发明涉及一种三维船艏入水砰击试验可变速度及角度的精细化装置，包括试验塔架，所述试验塔架顶部设置电机，所述电机下端从上至下设置高度调节模块、释放装置模块、限位装置模块和角度调节模块，所述高度调节模块通过吊机挂钩与电机连接；所述高度调节模块包括第一手摇轮、小桁架和蜗轮丝杆，所述第一手摇轮固定设置在小桁架上，所述小桁架通过设置在两端的钢丝绳与吊机挂钩连接，所述小桁架下端设置蜗轮丝杆。本发明能够更好的解决入水速度及角度精细调整的问题。度精细调整的问题。度精细调整的问题。


技术研发人员：刘正国 王一雯 王妙珠 张涵韬 黄文斗 李剑
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/6/14