一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统的制作方法
【专利摘要】一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统，由模拟箱、伺服电机、变速器、转盘、连杆和摇板装置组成，伺服电机、传动轴和变速器固定在模型箱顶盖的上表面，伺服电机的输出轴通过同步皮带轮连接传动轴上端，传动轴下部装有变速器，传动轴下端安装有转动圆盘，转动圆盘的中心孔与传动轴输出端刚性连接；转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端和摇板的第一端可转动连接，摇板的第一端穿过模型箱顶盖上的滑槽和连杆可旋转连接。本发明在离心机上将电机输出的旋转力转变成沿直线双向循环运动力驱动摇板，实现了对所设计的波浪荷载的精确化模拟与控制。
【专利说明】一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统
【技术领域】
[0001] 本发明用于超重力场离心机造波模型试验中，将造波机的伺服电机转轮的转动运 动变成能推动摇板的单向循环往复运动。
【背景技术】
[0002] 土工离心模型试验已经广泛应用于多个领域，解决了许多复杂的关键技术问题， 特别是土和结构的静力相互作用问题。但对于波浪循环荷载作用下的结构物和地基动力相 互作用问题的研究还不够深入，只停留在一些机理的探讨上。在离心模型试验中要研究波 浪荷载作用下地基土层与结构的动力相互作用，其技术瓶颈在于超重力作用下波浪的模拟 与实现，迫切需要研发一套可在高离心加速度条件下使用的造波机系统。该系统的研发对 于探索海洋复杂环境下工程建筑物的变形与受力机理，推动海上建筑物的设计与优化，进 而促进我国海洋工程技术的发展具有十分重要的意义。
[0003] 对于超重力场中波浪荷载的模拟已有一些研究，主要包括三种方法：⑴拟静力 法。即将波浪极限荷载作为一个集中力，利用静力加载装置将该荷载施加于结构物上，现行 港工规范推荐的波浪荷载计算方法就是拟静力法；(2)模拟波浪力法。即采用某一装置，对 工程结构物施加模拟波浪力（循环荷载）。加载装置对于工程结构物施加力的过程可以是 接触式（如采用锤击或施加机械力），也可以是非接触式（如采用交变电磁力施加）。（3) 造波设备施加。在离心力场中利用造波设备产生模拟波浪，直接作用于工程建筑物，这种方 法在鼓型离心机中研究得较多。就目前的研究来看，由于离心力场中造波的理论与模拟技 术还不太完善，离心力场中造波设备也比较复杂，因此绝大多数有关波浪荷载的研究主要 采用前面两种方法。离心机造波设备只在个别小型臂式离心机和鼓型离心机中实现，仅限 于一些机理性的研究。
[0004] 近年来世界各国都在加大对海洋的开发力度，迫切需要掌握复杂条件下"波浪一 地基一结构物动力相互作用机理，"为离岸结构的设计提供技术支撑。作为唯一能在缩尺模 型尺度和真实应力场条件下再现原型过程的有效手段，相应的超重力场中造波机系统是实 现这一目的的前沿实验装置。
[0005] 因此，开发一种超重力场中的造波机系统来模拟超重力场中真实波浪荷载的能力 变得十分必要，而要在离心机上设置造波机系统，其关键为设计出力转换系统。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于超重力场中摇板式造波 机的力转换系统，该系统能反映波浪的所有特征，包括能控制波浪的频率、波长和幅值，能 在离心加速度120g条件下正常工作，能模拟超过60m水深条件，波浪作用的长度范围大于 120m〇
[0007] 实现本发明目的的技术方案是：一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统，由 模拟箱、伺服电机、变速器、转动圆盘、连杆和摇板装置组成，伺服电机、传动轴和变速器固 定在模型箱顶盖的上表面，伺服电机的输出轴通过同步皮带轮连接传动轴上端，传动轴下 部装有变速器，传动轴下端安装有转动圆盘，转动圆盘的中心孔与传动轴输出端刚性连接； 转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的 其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端和摇板的第一端可转动连接，摇板的第一端穿 过模型箱顶盖上的滑槽和连杆可旋转连接。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述摇板装置还包括滑动轨道，滑动轨道固定在滑槽 上，所述摇板的第二端设置滑动轨道上，与滑动轨道可滑动连接。在转动圆盘转动时，滑动 轨道能使连杆保持在平面内做自由摆动，没有滑动轨道支撑时连杆可能在垂直平面上略有 倾斜，这样容易导致摆动不畅，影响造波效果。
[0009] 对上述技术方案说明如下：
[0010] 超重力场中摇板式造波机工作原理
[0011] 拟建造波机系统是基于常规重力条件下（lg)的造波理论，将其移植至超重力场 中。对于如图1所示的波浪水槽，电机驱动摇板板做往复运动，产生波浪。假设水槽水深为 H,水面处摇板摇幅为E,摇板水面下垂直深度为1,波浪的频率为f,周期为T,波长为λ，波 幅为Α，波数为k，角频率为ω。根据波浪理论，角频率、频率、周期之间有如下关系：
【权利要求】
1. 一种超重力场中摇板式造波机的力转换系统，由模拟箱、伺服电机、变速器、转盘、连 杆和摇板装置组成，其特征是，伺服电机、传动轴和变速器固定在模型箱顶盖的上表面，伺 服电机的输出轴通过同步皮带轮连接传动轴上端，传动轴下部装有变速器，传动轴下端安 装有转动圆盘，转动圆盘的中心孔与传动轴输出端刚性连接；转动圆盘上设有若干与圆心 距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接， 连杆的第二端和摇板的第一端可转动连接，摇板的第一端穿过模型箱顶盖上的滑槽和连杆 可旋转连接。
2. 根据权利要求1所述的力转换系统，其特征是，所述摇板装置还包括滑动轨道，滑动 轨道固定在滑槽上，所述摇板的第二端设置滑动轨道上，与滑动轨道可滑动连接。
【文档编号】G09B25/02GK104091511SQ201410320679
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】蔡正银, 徐光明, 关云飞, 黄英豪, 顾行文, 任国峰, 徐惠, 曹永勇, 杨立功 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院