一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置

1.本发明涉及结构物入水砰击试验技术领域，特别涉及一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置。

背景技术：

2.服役于恶劣海况环境下的船舶与海洋结构物不可避免地会与波浪发生砰击作用，由于剧烈的砰击载荷作用而引发的结构失效或破坏的海难事故时有发生。砰击现象涉及流体与结构的相互作用，是一个强非线性的瞬态流固耦合问题。典型结构物(例如，平板、锲形体、圆球、局部船体等)的入水砰击试验是船舶与海洋工程领域中的经典研究内容。
3.砰击载荷试验是研究结构物入水过程中流固耦合问题的有效可靠方法。常规的落体入水砰击载荷试验装置一般只能实现结构物的垂向单自由度运动，无法模拟结构物的其他自由度运动及速度控制。而实际的船舶在海洋中航行时会产生六自由度摇荡运动并与波浪发生砰击，因此多自由度入水砰击试验研究是十分必要的。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，使得试验件在出入水的过程中，能够按照任意指定的运动自由度及速度进行运动并与流体发生砰击。
5.本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，包括安装于主体桁架上的纵向运动装置、横向运动装置、垂向运动装置、水平面转动装置、全向转动装置；
6.所述纵向运动装置包括纵向导轨、横梁、纵向移动平台、纵向驱动电机、纵向主动滚轮；两根纵向导轨平行设置，两根横梁垂直设置于两根纵向导轨之间；纵向导轨上设有纵向凹槽，横梁与纵向导轨滑动连接；两个纵向移动平台分别设置在两根纵向导轨的外侧并与横梁连接；纵向驱动电机安装在其中一个纵向移动平台上，纵向驱动电机的输出轴上设有纵向主动滚轮，纵向主动滚轮放置于纵向凹槽内；
7.所述横向运动装置包括横向导轨、横向移动平台、横向驱动电机、横向主动齿轮、横向齿条；两根横向导轨设置在横梁上；横向移动平台与横向导轨滑动连接；横向驱动电机安装在另一个纵向移动平台上，横向驱动电机的输出轴上设有横向主动齿轮，横向齿条固定在横向移动平台上，横向主动齿轮与横向齿条相啮合；
8.所述垂向运动装置包括垂荡杆、内轴套、外轴套、垂向驱动电机、垂向主动齿轮、垂向齿条、齿条支撑臂；垂荡杆与内轴套通过键配合，内轴套可转动套设于外轴套内侧，外轴套固定于横向移动平台上，垂向驱动电机安装在横向移动平台上，垂向驱动电机的输出轴上设有垂向主动齿轮，垂向齿条两端分别通过齿条支撑臂与垂荡杆连接，垂向主动齿轮与垂向齿条相啮合；
9.所述水平面转动装置包括水平转动电机、水平主动齿轮、水平从动齿轮、传动链
条；水平转动电机安装在横向移动平台上，水平转动电机的输出轴上设有水平主动齿轮；水平从动齿轮套设于内轴套上，水平主动齿轮与水平从动齿轮通过传动链条连接；
10.所述全向转动装置包括悬臂杆、球形关节臼、球头关节杆、模型安装平台、液压伸缩杆；多根悬臂杆的一端分别与垂荡杆连接，球形关节臼安装在垂荡杆的底端；球头关节杆的一端嵌入球形关节臼，另一端连接模型安装平台；多根液压伸缩杆的一端分别与悬臂杆的末端铰接，另一端分别与球头关节杆铰接。
11.进一步地，两根横梁的两端固定安装有纵向滑块，纵向移动平台通过纵向滑块与横梁连接，纵向滑块上设有纵向从动滚轮，纵向从动滚轮放置于纵向凹槽内。
12.进一步地，所述纵向凹槽内设有纵向齿条，所述纵向主动滚轮、纵向从动滚轮为齿轮，纵向主动滚轮、纵向从动滚轮分别与纵向齿条啮合。
13.进一步地，所述横向运动装置还包括横向滑块、横向从动滚轮，横向导轨上设有横向凹槽，横向滑块安装在横向移动平台，横向从动滚轮安装在横向滑块，横向从动滚轮放置于横向凹槽内。
14.进一步地，所述齿条支撑臂通过轴承与垂荡杆连接。
15.进一步地，所述悬臂杆的数量为三根，三根悬臂杆均匀布置。
16.进一步地，所述模型安装平台下方安装有楔形体模型试件。
17.进一步地，所述主体桁架包括四根纵向连杆、四根横向连杆、四根垂向连杆，纵向连杆、横向连杆、垂向连杆连接组成长方体框架结构。
18.进一步地，所述纵向连杆、横向连杆、垂向连杆采用方形截面的钢管。
19.进一步地，试验装置安装在水池航车导轨上。
20.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
21.1.可以实现结构物试件在出入水的过程中，能够按照任意给定的六自由度运动(包括垂向运动、水平运动、纵摇运动、横摇运动、艏摇运动)及速度进行入水。
22.2.通过设置电机等驱动装置可对结构物试件在出入水过程中的六自由度运动进行主动控制，解决了常规装置仅能依靠下落过程中的重力作用提供入水初速度且入水过程中速度不可控等缺陷。
23.3.本装置可安装在常规的船模拖曳水池，并与水池上的航车导轨相连接。通过拖曳水池中造波机模拟的波浪环境，不仅可实现结构物试件在静水中的砰击载荷试验，还可以实现结构物试件在波浪环境中的砰击载荷试验。
附图说明
24.图1是本发明实施例中试验装置的结构图；
25.图2是本发明实施例中主体桁架结构图；
26.图3是本发明实施例中纵向运动装置和横向运动装置结构图；
27.图4是本发明实施例中纵向运动装置、横向运动装置、垂向运动装置和水平面转动装置结构图；
28.图5是本发明实施例中垂向运动装置和水平面转动装置结构图；
29.图6是本发明实施例中水平面转动装置局部结构图；
30.图7是本发明实施例中全向转动装置结构图。
31.其中：1：纵向连杆，2：横向连杆，3：垂向连杆，4：纵向导轨，5：横梁，6：纵向移动平台，7：纵向滑块，8：纵向驱动电机，9：纵向主动滚轮，10：纵向从动滚轮，11：横向导轨，12：横向移动平台，13：横向驱动电机，14：横向主动齿轮，15：横向齿条，16：垂荡杆，17：内轴套，18：外轴套，19：垂向驱动电机，20：齿条支撑臂，21：轴承，22：水平转动电机，23：水平从动齿轮，24：传动链条，25：悬臂杆，26：球形关节臼，27：球头关节杆，28：模型安装平台，29：液压伸缩杆，30：铰接接头，31：楔形体模型试件，32：横向滑块，33：横向从动滚轮，34：垂向主动齿轮，35：垂向齿条，36：水平主动齿轮。
具体实施方式
32.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
33.一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，包括主体桁架、纵向运动装置、横向运动装置、垂向运动装置、水平面转动装置、全向转动装置。
34.主体桁架包括四根纵向连杆1、四根横向连杆2、四根垂向连杆3，纵向连杆、横向连杆、垂向连杆连接组成长方体框架结构。纵向连杆、横向连杆、垂向连杆采用方形截面的钢管。
35.纵向运动装置包括纵向导轨4、横梁5、纵向移动平台6、纵向滑块7、纵向驱动电机8、纵向主动滚轮9、纵向从动滚轮10。两根纵向导轨位于主体桁架上部的两根纵向连杆的正上方，并与纵向连杆平行布置。两根横梁垂直设置于两根纵向导轨之间。两根横梁的两端固定安装有纵向滑块，纵向滑块将纵向导轨包裹在内，并可沿纵向导轨平移。两个纵向移动平台分别设置在两根纵向导轨的外侧并与纵向滑块的外侧相连接。两个纵向移动平台与两根横梁在纵向滑块的连接下形成框架结构，该框架结构可沿纵向导轨无约束平移。纵向驱动电机安装在其中一个纵向移动平台上，纵向驱动电机的输出轴上设有纵向主动滚轮，纵向导轨上设有纵向凹槽，纵向主动滚轮放置于纵向凹槽内，纵向凹槽作为纵向主动滚轮的移动轨道。纵向滑块上设有纵向从动滚轮，从而减小纵向运动的摩擦力。纵向主动滚轮和纵向从动滚轮的底部都与纵向凹槽的底面相切。本实施例中纵向凹槽底面上设有纵向齿条，纵向主动滚轮和纵向从动滚轮均为齿轮形式，从而增大滚轮在纵向导轨内滑行时的稳定性，防止产生相对滑动和滚轮发生空转。
36.横向运动装置包括横向导轨11、横向移动平台12、横向驱动电机13、横向主动齿轮14、横向齿条15、横向滑块32、横向从动滚轮33。两根横向导轨分别位于两根横梁的正上方，并与横梁平行布置。横向导轨上设有横向凹槽，作为横向从动滚轮的移动轨道。横向移动平台上固定安装有横向滑块，横向滑块将横向导轨包裹在内，并可沿横向导轨平移。横向滑块上设有横向从动滚轮，横向从动滚轮位于横向凹槽内。横向驱动电机安装在另一个纵向移动平台上，横向驱动电机的输出轴上设有横向主动齿轮。横向齿条固定在横向移动平台上，横向主动齿轮与横向齿条相啮合，从而在横向驱动电机的作用下实现横向移动平台的横向运动控制。
37.垂向运动装置包括垂荡杆16、内轴套17、外轴套18、垂向驱动电机19、垂向主动齿轮34、垂向齿条35、齿条支撑臂20、轴承21。外轴套固定安装在横向移动平台的中心处，并贯穿其上下表面。垂荡杆的截面形状为开有凹槽道的圆形，其凹槽道贯通整个杆的长度，共设
有四个凹槽道并沿圆周均匀布置。内轴套可转动套设于外轴套内侧，内轴套与外轴套配合形成旋转轴承，两者可无约束旋转，但不能发生其他自由度运动。内轴套为空心管状，其内壁圆形截面上设有四个键，可与垂荡杆的四个凹槽道配合。垂荡杆与内轴套通过键槽连接可以产生垂直方向的无约束相对运动，但不能发生相对转动。垂向驱动电机安装在横向移动平台的一侧，垂向驱动电机的输出轴上设有垂向主动齿轮。垂向齿条的上下两端固定连接有齿条支撑臂，齿条支撑臂的另一端通过轴承与垂荡杆连接。在轴承的作用下，齿条支撑臂与垂荡杆仅发生无约束旋转运动，但不能发生其他自由度运动。在横向移动平台上开设有长方形孔，用于垂向齿条的通过，孔的宽度略大于垂向齿条宽度，从而既能够不限制垂向齿条的垂向运动、又能够防止垂向齿条发生横向移动。垂向主动齿轮与垂向齿条相啮合，从而在垂向驱动电机的作用下实现垂荡杆的垂向运动控制。
38.水平面转动装置包括水平转动电机22、水平主动齿轮36、水平从动齿轮23、传动链条24。水平转动电机安装在横向移动平台的另一侧，水平转动电机的输出轴上设有水平主动齿轮，水平从动齿轮套设于内轴套上，水平主动齿轮与水平从动齿轮通过传动链条连接，从而在水平转动电机的作用下实现垂荡杆的水平转动控制。
39.全向转动装置包括悬臂杆25、球形关节臼26、球头关节杆27、模型安装平台28、液压伸缩杆29、铰接接头30。三根悬臂杆沿水平方向布置，其一端分别安装在垂荡杆上。三根悬臂杆均匀布置在垂荡杆的外表面圆周向范围内，夹角均为120
°
。球形关节臼安装在垂荡杆的底端。球头关节杆一端的球头嵌入到球形关节臼内部形成全向转动关节，另一端连接模型安装平台。模型安装平台下方安装有楔形体模型试件31。三根液压伸缩杆的一端通过铰接接头连接悬臂杆的末端，另一端通过铰接接头连接在球头关节杆上。通过三根液压伸缩杆的配合工作，可以实现对模型安装平台及楔形体模型试件的横摇、纵摇和部分水平旋转运动的控制。
40.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，包括安装于主体桁架上的纵向运动装置、横向运动装置、垂向运动装置、水平面转动装置、全向转动装置；所述纵向运动装置包括纵向导轨、横梁、纵向移动平台、纵向驱动电机、纵向主动滚轮；两根纵向导轨平行设置，两根横梁垂直设置于两根纵向导轨之间；纵向导轨上设有纵向凹槽，横梁与纵向导轨滑动连接；两个纵向移动平台分别设置在两根纵向导轨的外侧并与横梁连接；纵向驱动电机安装在其中一个纵向移动平台上，纵向驱动电机的输出轴上设有纵向主动滚轮，纵向主动滚轮放置于纵向凹槽内；所述横向运动装置包括横向导轨、横向移动平台、横向驱动电机、横向主动齿轮、横向齿条；两根横向导轨设置在横梁上；横向移动平台与横向导轨滑动连接；横向驱动电机安装在另一个纵向移动平台上，横向驱动电机的输出轴上设有横向主动齿轮，横向齿条固定在横向移动平台上，横向主动齿轮与横向齿条相啮合；所述垂向运动装置包括垂荡杆、内轴套、外轴套、垂向驱动电机、垂向主动齿轮、垂向齿条、齿条支撑臂；垂荡杆与内轴套通过键配合，内轴套可转动套设于外轴套内侧，外轴套固定于横向移动平台上，垂向驱动电机安装在横向移动平台上，垂向驱动电机的输出轴上设有垂向主动齿轮，垂向齿条两端分别通过齿条支撑臂与垂荡杆连接，垂向主动齿轮与垂向齿条相啮合；所述水平面转动装置包括水平转动电机、水平主动齿轮、水平从动齿轮、传动链条；水平转动电机安装在横向移动平台上，水平转动电机的输出轴上设有水平主动齿轮；水平从动齿轮套设于内轴套上，水平主动齿轮与水平从动齿轮通过传动链条连接；所述全向转动装置包括悬臂杆、球形关节臼、球头关节杆、模型安装平台、液压伸缩杆；多根悬臂杆的一端分别与垂荡杆连接，球形关节臼安装在垂荡杆的底端；球头关节杆的一端嵌入球形关节臼，另一端连接模型安装平台；多根液压伸缩杆的一端分别与悬臂杆的末端铰接，另一端分别与球头关节杆铰接。2.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，两根横梁的两端固定安装有纵向滑块，纵向移动平台通过纵向滑块与横梁连接，纵向滑块上设有纵向从动滚轮，纵向从动滚轮放置于纵向凹槽内。3.根据权利要求2所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，所述纵向凹槽内设有纵向齿条，所述纵向主动滚轮、纵向从动滚轮为齿轮，纵向主动滚轮、纵向从动滚轮分别与纵向齿条啮合。4.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，所述横向运动装置还包括横向滑块、横向从动滚轮，横向导轨上设有横向凹槽，横向滑块安装在横向移动平台，横向从动滚轮安装在横向滑块，横向从动滚轮放置于横向凹槽内。5.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，所述齿条支撑臂通过轴承与垂荡杆连接。6.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，所述悬臂杆的数量为三根，三根悬臂杆均匀布置。7.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，所述模型安装平台下方安装有楔形体模型试件。8.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，
所述主体桁架包括四根纵向连杆、四根横向连杆、四根垂向连杆，纵向连杆、横向连杆、垂向连杆连接组成长方体框架结构。9.根据权利要求8所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，所述纵向连杆、横向连杆、垂向连杆采用方形截面的钢管。10.根据权利要求1所述的一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，其特征在于，试验装置安装在水池航车导轨上。

技术总结

本发明公开了一种结构物六自由度运动的入水砰击试验装置，包括安装于主体桁架上的纵向运动装置、横向运动装置、垂向运动装置、水平面转动装置、全向转动装置。纵向运动装置包括纵向导轨、横梁、纵向移动平台、纵向驱动电机、纵向主动滚轮；横向运动装置包括横向导轨、横向移动平台、横向驱动电机、横向主动齿轮、横向齿条；垂向运动装置包括垂荡杆、内轴套、外轴套、垂向驱动电机、垂向主动齿轮、垂向齿条、齿条支撑臂；水平面转动装置包括水平转动电机、水平主动齿轮、水平从动齿轮、传动链条；全向转动装置包括悬臂杆、球形关节臼、球头关节杆、模型安装平台、液压伸缩杆。试验件能够按照任意指定的运动自由度及速度与流体发生砰击。指定的运动自由度及速度与流体发生砰击。指定的运动自由度及速度与流体发生砰击。