一种研究锚链循环运动下动力响应与流场特征的实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种新型锚链研究模型实验装置，尤其是研究锚链在多个自由度方向循环运动下其运动响应以及流场形态的实验装置。

背景技术：

目前，传统关于浮式结构物的系泊系统研究模型主要有商业软件数值模拟、开源软件数值模拟以及相应的物理模型实验。对比传统数值模拟方式，物理模型实验能够更加反映研究模拟的真实性，但目前针对系泊系统进行研究的物理模型实验装置通常以研究其动力响应为主，获取其张力变化和整体形态特征变化，对于研究系泊系统触底段区域流场特征变化以及其对海床影响的物理模型实验装置仍较缺乏。

由于无法完全再现各种真实的环境条件，物理模型实验通常采用一定比例的几何尺度换算之后在实验水池里面进行。在实验水池当中对浮式结构物系泊系统进行研究时，由于波浪、水流以及风的影响实际上是非常复杂的，一方面各个自由度上的运动耦合给单独研究某一个自由度上的运动响应带来难度，另一方面由于几何缩尺之后实验水池尺度仍旧较大，比如一般的实验操作水池尺度可以达到上百米乘数十米的规格，现有的流场测速实验装置尺度较小且无法在水下处运行，难以捕捉到锚链在循环运动下其尾部流场的变化情况，需要有一套实验装置可以将锚链系统的动力响应记录和流场形态变化捕捉结合起来。

技术实现要素：

针对传统浮式结构物锚泊系统的研究存在的实验尺度过大导致现有实验装置无法测量记录、多自由度运动难以拆分成单独自由度模拟、缺少关于锚链触底段区域附近流场特征变化研究等相关问题，本实用新型设计了一种新型的研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的模型实验装置。本实验装置更加精巧灵活，可以根据实验场地快速安装与拆卸，不仅可以模拟单个自由度方向上的锚链循环运动，而且通过模块化组合之后可以模拟多个方向自由度运动的结合，有利于进一步在小尺度实验环境条件下模拟浮式结构物系泊系统的运动响应以及相应的流场形态的变化。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种研究锚链循环运动下动力响应与流场特征的实验装置，其特征在于：包括透明的实验水槽、控制系统与电源装置、以及设于实验水槽上方的机械滑轨；

所述的机械滑轨包括机械滑块、滑轨丝杆和伺服电机；所述的滑轨丝杆穿过机械滑块，所述的伺服电机用于控制滑轨丝杆转动从而带动机械滑块运动，所述的伺服电机另一端与控制系统与电源装置连接；

所述的实验水槽底部设有不锈钢固定板；

所述的机械滑块与不锈钢固定板之间连接有金属锚链；

所述的机械滑轨沿x轴、y轴以及z轴方向分布，且三者以互成90度的方式依次在上一个机械滑轨上搭接，组成运动形式传递结构，使得机械滑块可带动金属锚链在水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动。

上述技术方案中，进一步地，所述的机械滑块与金属锚链之间还设有第一测力传感器，不锈钢固定板与金属锚链之间设有第二测力传感器。

进一步地，不锈钢固定板与机械滑块之间的水平与竖直距离均可调整，以实现对不同长度以及不同悬链线形式锚链的研究。

进一步地，所述的实验水槽上设有水槽滑轨支架，所述的水槽滑轨支架上设有导轨支架，所述的机械滑轨设于导轨支架上；所述的导轨支架通过若干可拆卸轴向滑槽与水槽滑轨支架相连接，可使导轨支架在水槽滑轨支架上自由滑行并在所需位置处停靠固定。

更进一步地，所述的机械滑轨是可更换的，通过更换不同长度与宽度规格的导轨支架实现。所述的可拆卸轴向滑槽与导轨支架下部通过螺丝紧密连接，连接位置可调；对于没有安装导轨支架的实验水槽，可以使用g型夹来固定机械滑轨的位置。

进一步地，所述的不锈钢固定板上设有一排间距不同的m4螺纹孔，用于连接锚链，可实现对多根锚链、不同直径锚链以及不同间距排列的锚链进行研究。通过不同间距排列的螺纹孔加上螺丝可以很简洁、快速地将锚链固定到不锈钢固定板上。

本实用新型装置可用于实现水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动形式的传递。当需要实现水平方向上的运动形式传递时，调控位于水平方向的机械滑块运动，其他方向的机械滑块不运动；当需要实现竖直方向上的运动形式传递时，调控位于竖直方向的机械滑块运动，其他方向的机械滑块不运动；当需要实现多个自由度方向上耦合的运动时，由于x、y、z三个方向的机械滑轨上的机械滑块的行程与速度可以单独控制，可以通过调节不同方向的机械滑块的运动速度从而实现多个自由度方向上的耦合运动，达到模拟多自由度耦合运动的效果。

本实用新型的有益之处在于：

与传统的大型研究锚链动力响应的实验装置不同，本装置更加精巧灵活、可以在实验室较小尺度的模拟条件下快速安装连接，实现浮式结构物系泊系统的运动响应和流场形态变化的捕捉与研究；在完成实验研究之后，可以及时简单地从实验水槽上拆卸，不妨碍实验水槽进行其他的实验操作。通过设计的运动形式传递结构带动锚链进行循环运动，通过伺服电机和控制系统与电源装置可以改变机械滑块的运动速度和运动幅值，实现不同运动形式的传递，进一步可以实现多个自由度方向上耦合运动的传递以及多根锚链在不同排列间距下的运动响应的变化和流场形态的研究。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步说明。

图1是本实用新型的导轨支架的构造示意图；

图2是本实用新型的机械滑轨示意图；

图3是本实用新型的机械滑块连接装置构造示意图；

图4是本实用新型的滑块-测力传感器-锚链连接装置构造示意图；

图5是本实用新型的不锈钢固定板构造示意图；

图6是整套装置布置侧面示意图；

图7是运动形式传递结构示意图；

其中：1.实验水槽、2.水槽滑轨支架、3.导轨支架，3-1.铝合金型材，3-2.可拆卸轴向滑槽，3-3.实验室水槽滑轨、4.机械滑轨，4-1.机械滑块，4-2.m4螺纹孔，4-3.滑轨丝杆，4-4.伺服电机，4-5.伺服电机电源线与控制线，4-6.机械滑轨底座，4-7.丝杆尾部固定板、5.机械滑块连接装置，5-1.m4螺纹孔，5-2.连接装置底部接触板，5-3.u型弯曲钢筋，5-4.m4螺母、6.控制系统与电源装置、7.第一测力传感器、8.滑块-测力传感器-金属锚链连接装置，8-1.连接装置底部接触板，8-2.m4螺纹孔，8-3.m4螺母、9.金属锚链、10.第二测力传感器、11.不锈钢固定板，11-1.不锈钢底板，11-2.m4螺纹孔。

具体实施方式

下面对本实用新型的技术方案进行进一步说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施实例。

本实用新型的一种研究锚链循环运动下动力响应与流场特征变化的实验装置，该装置包括实验水槽1、机械滑轨4、伺服电机4-4、导轨支架3、控制系统与电源装置6、机械滑块连接装置5、滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8、金属锚链9以及不锈钢固定板11。其中导轨支架3通过四个可拆卸轴向滑槽3-2与水槽滑轨支架2相连接，可以使导轨支架3在在水槽滑轨支架2上自由滑行并在所需位置处停靠固定。当所处实验水槽1未配有水槽滑轨支架2时，可以通过g型夹将实验水槽1侧壁与导轨支架3相连接达到相同的固定效果。机械滑轨底座4-6通过其底部的第一螺母与导轨支架3进行连接固定，机械滑轨4一端带有伺服电机4-4，伺服电机4-4与滑轨丝杆4-3通过第二螺母相连成一个整体，并与机械滑轨4底座通过第三螺母相连接。伺服电机4-4通过伺服电机电源线与控制线4-5与控制系统与电源装置6相连接，通过一个24v直流电源供电。在接通电源之后，通过控制系统与电源装置6可以设定伺服电机4-4带动机械滑轨4的滑轨丝杆4-3转动的速率，从而带动机械滑轨4上部的机械滑块4-1以相应的速度前进或者后退。金属锚链9和机械滑块4-1通过机械滑块连接装置5连接，实现机械滑块4-1带动金属锚链9在相应方向上循环运动。在进行锚链运动响应张力捕捉时，靠近上部的第一测力传感器7、机械滑块连接装置5以及机械滑块4-1通过滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8相连接，金属锚链9的一端与第一测力传感器7相连接；靠近下部的第二测力传感器10与不锈钢固定板11固定连接，金属锚链9的另一端与第二测力传感器10相连接，从而实现机械滑块4-1带动金属锚链9进行循环运动，将运动形式传递到下部的锚链系统。

金属锚链9上部通过机械滑块连接装置5与机械滑块4-1相连接，其下部通过第二测力传感器10与不锈钢固定板11相连接。如图5中，不锈钢固定板11包括不锈钢底板11-1，不锈钢底板11-1中部沿轴线方向钻有一排不同间距的m4螺纹孔11-2，多个螺纹孔可以连接固定多根锚链并以不同的间距排列。不锈钢固定板11重量为10kg。

如图1所示，导轨支架3包括铝合金型材3-1、设于铝合金型材3-1下部的可拆卸轴向滑槽3-2，可拆卸轴向滑槽3-2与实验室水槽滑轨3-3相嵌套连接，对于不同大小的实验室水槽滑轨3-3，可通过替换合适的可拆卸轴向滑槽3-2实现。

如图2所示，机械滑块4-1与滑轨丝杆4-3套穿连接，机械滑块4-1可沿滑轨丝杆4-3自由滑动，滑轨丝杆4-3两端设有丝杆尾部固定板4-7。

如图3所示，机械滑块连接装置5由一块钻有2x2m4螺纹孔5-1的连接装置底部接触板5-2与一端垂直设于连接装置底部接触板5-2中心的u型弯曲钢筋5-3相连接而成，u型弯曲钢筋5-3的另一端向下伸出一定长度，其末端为1焊接的m4螺母5-4。机械滑块连接装置5的连接装置底部接触板5-2与机械滑块4-1上部的m4螺纹孔4-2相连接，另一端的m4螺母5-4与滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8相连接。

如图4所示，滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8由一块钻有2x2分布的m4螺纹孔8-2的连接装置底部接触板8-1与垂直设于连接装置底部接触板8-1中间的铁柱相连而成，铁柱的另一端为焊接的m4螺母8-3。滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8一端的连接装置底部接触板8-1与第一测力传感器7通过m4螺纹孔相连接，另一端铁柱尾部的m4螺母8-3与机械滑块连接装置5的u型弯曲钢筋5-3尾端的m4螺母5-4相连接。

图6中，机械滑轨4通过下底部的螺母与导轨支架3上部相连接，另一端与控制系统与电源装置6连接，控制机械滑块4进行前后运动。机械滑块连接装置5与机械滑块4-1上部的四个m4螺纹孔通过内六角螺丝连接，下端延伸到机械滑轨4正下方。机械滑块连接装置5下部与滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8通过其顶端的m4螺母8-3连接，第一测力传感器7上下两端接触面各有四个m4螺纹孔，均通过内六角螺丝与滑块-测力传感器-金属锚链连接装置8下部的连接装置底部接触板8-1相连接。金属锚链9下部与第二测力传感器10一端连接，第二测力传感器10另一端与不锈钢固定板11连接。

本实用新型装置可用于实现水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动形式的传递。所述的机械滑轨沿x轴、y轴以及z轴方向分布，且三者以互成90度的方式依次搭接在上一个机械滑轨上，组成运动形式传递结构，使得机械滑块可带动金属锚链在水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动形式的传递。如图7为运动形式传递结构示意图，所述的x轴方向的机械滑块上设有y轴方向的机械滑轨，y轴方向的机械滑块上设有z轴方向的机械滑轨(图中未画出)，所述的金属锚链与z轴方向的机械滑块4-1(位于最上端的机械滑块)通过机械滑块连接装置连接。可通过调节x、y、z轴方向的机械滑块的运动速度来控制不同机械滑块的运动速度，从而控制金属锚链的运动方向和运动速度，实现其在水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动。当需要某一特定方向的运动时，可以将该特定方向的运动分解为x、y、z轴的运动，并分别通过控制x、y、z轴的机械滑块的运动速度及方向得到所需的运动形式。

当然，以上只是本实用新型的具体应用范例，本实用新型还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求的保护范围之内。