专利名称：非定常载荷模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种非定常载荷模拟装置。
背景技术：
模型试验是船舶与海洋工程水动力学研究的重要手段。当前所实施的实际船舶或 海洋平台，都要在设计前后对其做模型试验研究，在海洋工程水池中模拟真实的风、浪、流 等海洋环境条件，以预报其在真实海洋环境中的运动性能和力学特性。然而，由于尺度效应 等因素的影响，风和流载荷的准确模拟是比较困难的。通常的做法是根据模型的缩尺比制 作比较精确的下浮体和上层建筑模型，在海洋工程水中用风机和造流系统分别模拟模型尺 度下的风速(或风谱)和流速。这种方法虽然尽可能精确地模拟了海洋环境条件，但实践 证明，根据目前的造风和造流技术，模型所受的风载荷和流载荷与理论值还有一定的差别。 还有一种方法是通过调整风速或流速使模型所受的风载荷和流载荷接近理论值，由此确定 模型试验中模拟风速和流速时应该达到的值。但是，由于在试验中模型一般都要受到波浪 力和系泊力，在试验中无法单独测量和精确控制模型所受的风载荷和流载荷。随着海洋工程技术的发展，工程研究人员对船舶与海洋平台的模型试验提出了更 高的要求。在某些风速和流速比较大的海况中，风载荷和流载荷对平台性能影响显著，因此 平台所受的风载荷和流载荷需要精确模拟。而这些载荷(特别是风载荷)往往是变化的， 而平台模型是不断运动的，怎样准确地模拟风载荷和流载荷成为摆在试验研究人员面前的 一道难题。本装置的发明正是为了解决以上难题，用缠绕在电动绞盘上的缆绳对模型进行 牵引，通过程序实时控制绞盘旋转，使绳索上的力时刻与预定载荷一致，实现精确的非定常 载荷模拟。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101539467记载了一种“智能型 电绞盘拉力实时检测装置”。它由滚筒组件、磁粉制动器、减速器和转矩传感器组成，所述 滚筒组件、磁粉制动器和减速器组成电绞盘工作时的模拟负载。所述滚筒组件所反映出的 转矩通过所述转矩传感器来采集，并将其数据通过自行开发的处理软件进行运算和编辑处 理，所述转矩传感器在所述滚筒组件两侧各设一只，以消除因钢丝绳卷绕不平衡时产生的 转矩偏差。智能型电绞盘拉力实时检测装置操作方便且高效，单套测试设备在满负荷工作 条件下，可大大提高生产效率与准确性。通过电脑控制检测过程，自动进行故障检测及诊 断，该装置还设计了有效的连锁、隔离和抗干扰等措施，测出的拉力不会受到其他外界因素 的影响，以保证整个测试结果有较高的精度。这种装置只是对电绞盘的拉力进行了检测，而 并不能实时地主动控制输出的拉力，因此，不能满足模型试验中输出非定常拉力的要求。另外，中国专利文献号CN201004314记载了一种“自动琴弦缠绕排线机”，可以在 制作琴弦的过程中控制缠绕铜丝上的力，使其保持恒定。它包括机座、支架、钢丝夹紧机构、 钢丝传动机构、驱动钢丝传动机构运作的驱动电机和控制驱动电机的电气装置，其中，所述 的钢丝夹紧机构、钢丝传动机构和驱动电机均安装在机座上，电气装置与驱动电机相连，所述的排线机还包括铜丝缠绕恒定拉力机构和防止铜丝回缩的铜丝止回装置。本实用新型的 铜丝缠绕恒定拉力机构能保证铜丝在缠绕钢丝线芯的过程中所受的拉力为一恒定值，在恒 定拉力下所缠绕的琴弦松紧一致，排线均勻，能保证较好的音质。同时本实用新型还具有铜 丝止回装置，防止铜线回退的情况，能满足工业上自动化连续生产的要求。这种装置不能控 制输出非定常的拉力，因此，也不能满足海洋工程模型试验中输出非定常载荷的要求。经过 进一步的检索未发现类似技术应用于本领域的公开文献。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种非定常载荷模拟装置，用一个伺 服电机提供拉力，通过拉力实时采集系统获得绳索上的拉力，通过比对实际拉力与目标值， 做出控制策略，用设计的程序控制伺服电机转动，以调节绳索上的张力，实现非定常牵引力 的输出。该装置构造简洁，各模块分工明确，可以精确地通过绳索输出既定的载荷时历。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括基座、伺服电机、绞盘、导缆系 统、缆绳、电器箱和控制系统，其中基座和电器箱固定在模型试验水池的岸边，伺服电机固 定在基座上，绞盘固定在伺服电机上并与伺服电机的输出轴固定连接，导缆系统固定安装 在基座上，缆绳穿过导缆系统且一端固定在绞盘上，另一端固定在模型上，控制系统检测缆 绳上的拉力并输出控制指令至伺服电机。所述的基座包括基座架、上安装平台、下安装平台和四个支脚，其中基座架是 由12根组合型材构成方形框架，基座架的底部安装有四个可以调节高度的支脚，上安装平 台固定在基座架的框架顶部，下安装平台固定在基座架的下层框架上。所述的伺服电机固定安装在基座的下安装平台上并与控制系统相连。所述的绞盘通过调整缆绳的张紧状态来调整缆绳上的力。所述的导缆系统包括三个滑轮和滑轮固定杆，其中第一滑轮固定安装在基座 的下安装平台上，第二滑轮安装在基座的上安装平台的底部并与通过控制系统相连，滑轮 固定杆为一杆件结构且垂向安装在基座架的侧面以支撑第三滑轮，第三滑轮活动设置于滑 轮固定杆上所述的绞盘、第一滑轮、第二滑轮和第三滑轮处于同一平面内。所述的缆绳为一刚性轻质绳索，其一端缠绕在绞盘上并依次穿过第一滑轮、第二 滑轮和第三滑轮，缆绳的另一端系在模型的风力或流力作用点上。所述的缆绳位于第二滑轮两侧的部分相互平行且均垂直于水平面，以确保第二滑 轮顶部的拉力传感器测得的拉力正好等于缆绳上拉力的两倍。所述的控制系统包括拉力传感器、数据采集卡、控制计算机和电机控制器，其中 拉力传感器垂向固定在上安装平台底部，且拉力传感器的底端与第二滑轮相连接，拉力传 感器依次串联数据采集卡和控制计算机，将采集到的拉力数据传到控制电脑中并根据实时 拉力数据和目标值作出判断并发送信号控制伺服电机转动以实现调整缆绳上的张力。所述的电器箱包括电源和与之相连接的稳压器。本发明的工作原理为利用伺服电机，通过缆绳对试验模型提供可变牵引力；包 括一个拉力传感器在内的控制系统可以实时监测缆绳上的牵引力，并将测得的牵引力与目 标值比较，如果缆绳上的牵引力大于目标值，则控制伺服电机转动放松缆绳，减小缆绳上的拉力，反之亦然，由此实现闭环控制过程。在整个试验过程中，控制系统将不停地工作，实时 监测缆绳上的牵引力，控制伺服电机的转动，使每一时刻缆绳上的牵引力均尽可能接近目 标值。同时，伺服电机采用力矩模式，即给定输入电压时，电机提供扭矩是恒定的，使缆绳会 随模型运动自动调整松紧，实现了位移的实时补偿。通过三个滑轮调整缆绳的方向，使从固 定在拉力传感器下方的第二滑轮两侧伸出的缆绳均垂直于水平面，因此，拉传感器测得的 力等于缆绳上牵引力的两倍，由此保证牵引力测量的准确可靠。该装置结构简单，功能明确，在目标牵引力缓慢变化的情况下可以实现非常精确 地牵引力控制，可以精确模拟海洋结构物所受风载荷或流载荷时历，能够满足当前海洋工 程模型试验的要求。


图1为本发明结构示意图。图2为本发明基座结构示意3为本发明导缆系统示意4为本发明控制系统示意5为实施例控制软件流程示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括基座1、伺服电机2、绞盘3、缆绳4、导缆系统5、电器箱 6、控制系统7和海洋结构物模型8，其中伺服电机2和导缆系统5分别安装在基座1上；绞 盘3固定在伺服电机2的轴上，随伺服电机2的轴一起转动；缆绳4 一端缠绕在绞盘3上， 另一端穿过导缆系统5，系在模型8上；电器箱6通过电线分别与控制系统7和伺服电机2 连接，为其提供电源；控制系统7与导缆系统5连接，测量缆绳上的牵引力；控制系统7通过 导线与伺服电机相连，控制伺服电机所提供的扭矩。如图2所示，所述的基座1包括基座架9、上安装平台10、下安装平台11和四个 支脚12，其中支脚12安装在基座架底部；上安装平台10安装在基座架9顶部；下安装平 台11安装在基座架9下层框架上。如图2和图3所示，所述的导缆系统5包括滑轮固定杆13、第一滑轮14、第二滑 轮15、第三滑轮16，其中滑轮固定杆13垂向固定在基座架9的侧面；第一滑轮14固定在 下安装平台11上；第二滑轮15悬挂在控制系统7的传感器17下方；传感器17固定在上安 装平台10的底部；第三滑轮16固定在滑轮固定杆13上，其垂向位置可根据实际情况调整。如图3所示，所述的绞盘3、第一滑轮14、第二滑轮15、第三滑轮16应布置在同一 平面；缆绳4 一端缠绕在绞盘3上，另一端依次穿过第一滑轮14、第二滑轮15、第三滑轮16 系在海洋结构物模型8上。穿过第二滑轮15两侧的缆绳4均应垂直于水平面，以确保传感 器17所测的拉力等于缆绳4上牵引力的两倍。如图4所示，所述的控制系统7包括拉力传感器17、数据采集卡18、控制计算机
519、电机控制器20，其中拉力传感器17安装在上安装平台10的底部，第二滑轮15悬挂在 拉力传感器17的底部；数据采集卡18与拉力传感器17相连；数据采集卡18与控制计算机 19相连；控制计算机19与电机控制器20相连；电机控制器与伺服电机2相连。控制计算 机上安装有控制程序，可以对拉力传感器17采集得到的力进行分析，做出判断，向电机控 制器20输出控制指令，控制伺服电机2提供的转矩。 如图5所示，为控制器中控制软件的工作流程示意图。在启动程序后，首先读取当 前时刻的目标牵引力值，记为Ft ；再通过拉力传感器17获取传感器实际所受拉力，记为Fr。 由于传感器17所受拉力为缆绳4上牵引力的两倍，因此，如果Fr小于2*Ft，则缆绳4上的 牵引力小于目标值，应控制电机增大扭矩，反之亦然。在整个试验过程中程序持续工作，控 制伺服电机2的扭矩，使缆绳4上的拉力始终尽可能逼近目标值，直至试验结束。
权利要求
一种非定常载荷模拟装置，包括基座、伺服电机、绞盘、导缆系统、缆绳、电器箱和控制系统，其中基座和电器箱固定在模型试验水池的岸边，伺服电机固定在基座上，绞盘固定在伺服电机上并与伺服电机的输出轴固定连接，导缆系统固定安装在基座上，缆绳穿过导缆系统且一端固定在绞盘上，另一端固定在模型上，控制系统检测缆绳上的拉力并输出控制指令至伺服电机，其特征在于所述的导缆系统包括三个滑轮和滑轮固定杆，其中第一滑轮固定安装在基座的下安装平台上，第二滑轮安装在基座的上安装平台的底部并与通过控制系统相连，滑轮固定杆为一杆件结构且垂向安装在基座架的侧面以支撑第三滑轮，第三滑轮活动设置于滑轮固定杆上。
2.根据权利要求1所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的基座包括基座架、 上安装平台、下安装平台和四个支脚，其中基座架是由12根组合型材构成方形框架，基座 架的底部安装有四个可以调节高度的支脚，上安装平台固定在基座架的框架顶部，下安装 平台固定在基座架的下层框架上。
3.根据权利要求2所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的伺服电机固定安装 在基座的下安装平台上并与控制系统相连。
4.根据权利要求1所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的绞盘、第一滑轮、第 二滑轮和第三滑轮处于同一平面内。
5.根据权利要求1所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的缆绳为刚性轻质绳 索，其一端缠绕在绞盘上并依次穿过第一滑轮、第二滑轮和第三滑轮，缆绳的另一端系在模 型的风力或流力作用点上。
6.根据权利要求1或5所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的缆绳位于第二滑 轮两侧的部分相互平行且均垂直于水平面，以确保第二滑轮顶部的拉力传感器测得的拉力 正好等于缆绳上拉力的两倍。
7.根据权利要求1所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的控制系统包括拉力 传感器、数据采集卡、控制计算机和电机控制器，其中拉力传感器垂向固定在上安装平台 底部，且拉力传感器的底端与第二滑轮相连接，拉力传感器依次串联数据采集卡和控制计 算机，将采集到的拉力数据传到控制电脑中并根据实时拉力数据和目标值作出判断并发送 信号控制伺服电机转动以实现调整缆绳上的张力。
8.根据权利要求1所述的非定常载荷模拟装置，其特征是，所述的电器箱包括电源和 与之相连接的稳压器。全文摘要
一种海洋工程技术领域的非定常载荷模拟装置，包括基座、伺服电机、绞盘、导缆系统、缆绳、电器箱和控制系统，基座和电器箱固定在模型试验水池的岸边，伺服电机固定在基座上，绞盘固定在伺服电机上并与伺服电机的输出轴固定连接，导缆系统固定安装在基座上，缆绳穿过导缆系统且一端固定在绞盘上，另一端固定在模型上，控制系统检测缆绳上的拉力并输出控制指令至伺服电机。本发明通过拉力实时采集系统获得绳索上的拉力，通过比对实际拉力与目标值，做出控制策略，用设计的程序控制伺服电机转动，以调节绳索上的张力，实现非定常牵引力的输出。该装置构造简洁，各模块分工明确，可以精确地通过绳索输出既定的载荷时历。
文档编号G01M10/00GK101975655SQ201010289529
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月22日 优先权日2010年9月22日
发明者彭涛, 李欣, 杨建民, 田新亮 申请人:上海交通大学