一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种研究锚链循环运行下动力响应和流场特征的实验装置及方法，所述实验装置能够实现多个自由度方向的运动形式传递，如果需要实现不同方向上运动形式的传递，只需通过调节不同方向的机械滑块的运动速度即可实现；该方法可记录锚链的张力变化以及捕捉锚链尾部流场形态变化；该方法可以同时实现锚链在循环运动下其动力响应的记录与其尾部流场特征变化的捕捉，尤其是锚链张力变化记录可以实现实时输出实验方法所述实验方法能够在较小的实验装置条件下同时模拟多根锚链在多个方向上的循环运动，并记录其动力响应以及其尾部位于不同高度和位置平面的水平、竖直平面的流场信息。

An experimental device and method for studying the dynamic response and flow field characteristics of a chain cable under cyclic motion

【技术实现步骤摘要】
一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验装置及方法
本专利技术涉及一种研究锚链循环运动的模型实验方法，尤其是研究锚链在多种循环运动下其动力响应和流场特征的实验装置及方法。
技术介绍
系泊系统是浮式结构物的重要组成部分，起到限制运动并保护结构的作用。当前，对于浮式结构物系泊系统的研究主要有数值模拟方法和物理模型实验方法，其研究内容主要集中在系泊系统在环境载荷作用下的动力响应、系泊锚链的张力变化以及浮式结构物的运动轨迹变化等，而对于由系泊锚链的运动变化对系泊锚链的运动形态变化以及触底点区域的流场形态特征变化研究较少。目前的系泊系统模拟实验主要在大型实验水池当中进行，为了模拟实际海况中风、浪、流载荷的复杂影响，实验水池的尺度通常较大，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，另一方面现有流场测速实验装置尺度较小、防水性能差且在大型水池当中布置困难，难以捕捉到锚链在循环运动下其触底点段区域附近尾部流场的变化情况。因此，本专利技术的目的是设计一种集记录系泊锚链在单一自由度以及多个自由度耦合方向上循环运动时锚链的张力变化与锚链触底段尾部流场特征变化捕捉于一体的模型实验装置及方法。
技术实现思路
本专利技术针对传统的浮式结构物锚泊系统的研究存在缺乏对于锚链触底段尾部流场特征变化的相关问题，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实验技术方案。该方法不仅可以同时记录和捕捉锚链在循环运动下的动力响应与流场特征，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的实验环境条件下更加方便地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。进一步通过改变PIV激光照射平面与方向，该设计实验方案可以捕捉触底段不同水深以及不同平面的流场形态变化情况。本专利技术所采用的技术方案是：一种研究锚链循环运动的模型实验装置，所述的实验装置包括透明的实验水槽、控制系统与电源装置、机械滑轨、PIV激光发射器与高速相机以及标定板；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；所述的机械滑轨位于实验水槽上方；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；所述的PIV激光发射器位于实验水槽侧面或底面，沿实验水槽侧面与底面均可发射厚度为2mm的激光束；所述的高速相机位于实验水槽侧面或底面，其摆放位置与PIV激光发射器的激光发射方向成90°夹角，可透过实验水槽对实验过程进行拍摄；所述的高速相机的拍摄采样帧率最低60fps；所述的标定板包括水平模块化标定板和竖直模块化标定板。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设有顶端测力传感器，不锈钢固定板与金属锚链之间设有防水传感器。本专利技术还提供一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验方法，该方法基于上述实验装置实现，可用于记录锚链张力变化与锚链尾部流场的变化情况，且两个实验能够同时进行。上述技术方案中，进一步地，所述的运动形式传递结构将循环运动传递到金属锚链上，带动金属锚链由张紧状态向松弛状态循环变化；金属锚链上部与顶端测力传感器相连接，顶端测力传感器与运动形式传递结构刚性固定，金属锚链下部与防水测力传感器相连接，防水测力传感器与不锈钢固定板刚性固定，确保所有测力传感器测得的力准确，从而得到锚链的张力变化；采用水平模块化标定板标定不同高度水平断面、同一高度不同位置水平断面，能够确保金属锚链循环运动下其尾部流场水平截面信息全区域的捕捉与记录；采用水平模块化标定板与竖直模块化标定板相结合的方式，能够对不同高度竖直断面、同一高度不同位置竖直断面以及同一高度不同水槽横截面宽度方向的竖直断面进行尾部流场信息的捕捉和记录。更进一步地，所述的运动形式传递结构将上部的运动形式传递给金属锚链，其方向、幅值以及周期均可根据需要模拟的浮体结构的运动形式调节：当需要模拟浮体在某一方向上的运动时，将该方向的运动分解为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运动方向得到所需的运动形式。更进一步地，测力传感器采集的数据经测力传感器放大器和数采仪输出之后，得到X、Y、Z三个轴向分力的实时输出结果。进一步地，所述的标定板固定于标定板支架上；所述的水平模块化标定板支架单个高5cm，通过组合可以得到距离水槽底部不同高度的水平标定截面；竖直模块化标定板支架和水平模块化标定板支架能够互相嵌套组合，以水平模块化标定板支架为底部基础，通过组合可以得到以5cm为单位高度变化的不同高度的竖直标定截面；所述的水平模块化标定板支架包括水平模块化标定板支架主体，所述的水平模块化标定板支架主体上端设有可拆卸嵌套圆柱塞；水平模块化标定板支架主体的底部下端相应开有圆孔，两个以上的水平模块化标定支架搭接时可与可拆卸嵌套圆柱塞实现嵌套；所述的竖直模块化标定板支架包括支架底座、可移动挡板滑槽及标定板挡板；竖直模块化标定板支架上部的标定板挡板可以沿不同水槽横截面宽度方向任意移动距离，以适应不同水槽横截面宽度方向的竖直标定截面的要求。本专利技术还提供一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验方法；所述的研究锚链在循环运动下动力响应的实验方法，步骤如下：通过控制系统与电源装置设置机械滑块来回运动的速度与距离，以模拟上方浮体结构的运动；运动形式通过机械滑块传递到金属锚链，带动金属锚链循环运动；金属锚链通过测力传感器与机械滑块相连，测力传感器实时测得金属锚链所受到的张力，该数值经过测力传感器放大器与数采仪输出到采集电脑当中，得到X、Y、Z三个方向上轴向分力的实时输出曲线结果；所述的研究锚链在循环运动下动力流场特征的实验方法，步骤如下：根据所要测量的金属锚链尾部流场的截面位置分布，选择相应的标定板支架(测水平截面的尾部流场时选择水平模块化标定板，测竖直截面的尾部流场时选择竖直模块化标定支架)；将标定板放置在标定板支架上，然后将整体结构放置在实验水槽的正中央；高速相机与标定板成90度方向进行标定，满足标定误差之后将PIV激光发射器与标定板同方向放置，使得PIV激光发射器所发射出来的激光与标定板上表面重合，随后将标定板与标定支架结构从实验水槽当中拿出；向实验水槽中加入示踪粒子溶液，使整个水槽中均匀分布示踪粒子，随后将金属锚链放置于标定区域前侧5-10cm处，使得高速相机可以捕捉到金属锚链尾部流场的变化情况。本专利技术的专利技术原理为：本专利技术方法通过与实验室水槽相连接的一套运动形式传递结构将上部循环运动形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验装置，其特征在于，所述的实验装置包括透明的实验水槽、控制系统与电源装置、机械滑轨、PIV激光发射器、高速相机以及标定板；/n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；所述的机械滑轨位于实验室水槽上方；/n所述的实验水槽底部设有不锈钢固定板；/n所述的机械滑块与不锈钢固定板之间连接有金属锚链；/n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；/n所述的PIV激光发射器位于水槽侧面或底面，沿水槽侧面与底面均可发射厚度为2mm的激光束；/n所述的高速相机位于水槽侧面或底面，其摆放位置与PIV激光发射器的激光发射方向成90°夹角，可透过实验水槽对实验过程进行拍摄；所述的高速相机的拍摄采样帧率最低60fps；/n所述的标定板包括水平模块化标定板和竖直模块化标定板。/n...

【技术特征摘要】
1.一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验装置，其特征在于，所述的实验装置包括透明的实验水槽、控制系统与电源装置、机械滑轨、PIV激光发射器、高速相机以及标定板；
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；所述的机械滑轨位于实验室水槽上方；
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；
所述的PIV激光发射器位于水槽侧面或底面，沿水槽侧面与底面均可发射厚度为2mm的激光束；
所述的高速相机位于水槽侧面或底面，其摆放位置与PIV激光发射器的激光发射方向成90°夹角，可透过实验水槽对实验过程进行拍摄；所述的高速相机的拍摄采样帧率最低60fps；
所述的标定板包括水平模块化标定板和竖直模块化标定板。


2.根据权利要求1所述的研究锚链循环运动下动力响应和流场特征的实验装置，其特征在于：所述的机械滑块与金属锚链之间设有顶端测力传感器，不锈钢固定板与金属锚链之间设有防水传感器。


3.一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的实验装置实现，可用于记录锚链张力变化与锚链尾部流场的变化情况，且两个实验能够同时进行。


4.根据权利要求3所述的一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验方法，其特征在于，所述的运动形式传递结构将循环运动传递到金属锚链上，带动金属锚链由张紧状态向松弛状态循环变化；
金属锚链上部与顶端测力传感器相连接，顶端测力传感器与运动形式传递结构刚性固定，金属锚链下部与防水测力传感器相连接，防水测力传感器与不锈钢固定板刚性固定，确保所有测力传感器测得的力准确，从而得到锚链的张力变化；
采用水平模块化标定板标定不同高度水平断面、同一高度不同位置水平断面，能够确保金属锚链循环运动下其尾部流场水平截面信息全区域的捕捉与记录；采用水平模块化标定板与竖直模块化标定板相结合的方式，能够对不同高度竖直断面、同一高度不同位置竖直断面以及同一高度不同水槽横截面宽度方向的竖直断面进行尾部流场信息的捕捉和记录。


5.根据权利要求4所述的研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验方法，其特征在于：运动形式传递结构将上部的运动形式传递给金属锚链，其方向、幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晨伟，高洋洋，陈伟毅，何建勇，朱佳慧，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33