一种适用于制造高阶非线性波的楔体柱塞造波装置的制作方法

1.本发明涉及工程试验造波领域，特别涉及一种适用于制造高阶非线性波的楔体柱塞造波装置。


背景技术：

2.随着人类对海洋的不断探索，码头、渔场、海上平台、跨海大桥等基础设施迅速增加，这使得海上结构物的设计和服役不可避免地面临着波浪的挑战。因此，波浪本身的规律及其对船舶和海上结构的耦合作用一直是学者们的研究课题。然而，波浪传播的高度非线性和波浪—结构耦合的复杂性使得单一的理论分析相当复杂。因此，波浪水槽在研究波浪和验证理论分析的准确性方面发挥了不可或缺的作用。
3.目前的柱塞造波设备，其主要针对制造线性波浪以及由线性波组成的不规则波，而对于海洋工程中较为常用的高阶非线性波浪如斯托克斯波以及孤立波的造波效率较为低下，从而导致造波水槽的有效长度相对减小，增加了实验设备的造价，浪费了不必要的人力和物力。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于制造高阶非线性波的楔体柱塞造波装置。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
6.本发明一种适用于制造高阶非线性波的楔体柱塞造波装置，包括伺服系统、运动模块、消波装置和水槽，所述伺服系统由伺服电机、驱动器、控制器以及人机交互界面组成，并通过动力电缆和数据传输线相连接，所述伺服电机的一侧通过固定支架安装有传动装置，所述传动装置的底端传动连接有运动模块，所述传动装置包括丝杆、头部法兰、齿轮箱、第一安装板、第二安装板和导轨，所述第一安装板与第二安装板平行设置，并在四角处通过导轨进行固定连接，所述第一安装板的顶端表面安装有头部法兰，所述头部法兰的顶端表面安装有丝杆，所述第二安装板的顶端表面安装有齿轮箱，且齿轮箱的底端与丝杆传动连接，其中任一所述导轨表面安装有接近开关，且接近开关的数量为二，并上下错位设置，所述接近开关之间设置有回零开关，所述水槽的两侧对立设置有安装槽，所述安装槽的内部滑动套接有挡水板，且挡水板位于运动模块的后方，所述水槽远离挡水板的末端安装有消波装置。
7.作为本发明的一种优选技术方案，所述传动装置采用锥齿轮—滚珠丝杆升降台。
8.作为本发明的一种优选技术方案，所述运动模块为楔体结构，且楔角为 45
°
—60
°
。
9.作为本发明的一种优选技术方案，两侧的所述安装槽的外侧均安装有支撑板，所述支撑板的表面设置有标尺。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述消波装置由两层热塑性多孔合成树脂组
成。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
12.本发明通过将不同波形对应的楔体运动规则嵌入至伺服控制器中，控制伺服电机通过传动器带动楔体精确的作垂向运动，运动模块的运动速度、位置以及电机的力矩变化能够清楚地显示在人机交互界面上，用于实时监测造波设备的工作情况；更换不同角度楔角的楔体能够制造出大部分满足试验要求的不同波形包括线性波、斯托克斯波、孤立波以及不规则波；挡水板将造波设备与上游水体分开，提高了造波质量；位于水槽末端的消波装置能够消除大部分反射波，避免波浪发射对造波效果的影响。
附图说明
13.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
14.图1是本发明的整体结构示意图；
15.图2是本发明的局部结构示意图；
16.图3是本发明的整体平面结构示意图；
17.图4是本发明的传动装置结构示意图；
18.图5是本发明的挡水板部分结构截面图；
19.图6是图5的立体结构示意图；
20.图7是本发明的消波装置结构示意图；
21.图8是本发明的消波装置侧视图；
22.图9是本发明的45
°
楔角的运动模块结构示意图；
23.图10是本发明的60
°
楔角的运动模块结构示意图；
24.图中：1、伺服电机；2、驱动器；3、控制器；4、人机交互界面；5、动力电缆；6、数据传输线；7、运动模块；8、传动装置；9、挡水板；10、消波装置；11、水槽；12、固定支架；81、丝杆；82、头部法兰；83、齿轮箱； 84、第一安装板；85、导轨；86、接近开关；87、回零开关；88、第二安装板；91、安装槽；92、标尺；93、支撑板；101、热塑性多孔合成树脂。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
26.实施例1
27.如图1-10所示，本发明提供一种适用于制造高阶非线性波的楔体柱塞造波装置，包括伺服系统、运动模块7、消波装置10和水槽11，伺服系统由伺服电机1、驱动器2、控制器3以及人机交互界面4组成，并通过动力电缆5 和数据传输线6相连接，伺服电机1的一侧通过固定支架12安装有传动装置 8，传动装置8的底端传动连接有运动模块7，传动装置8包括丝杆81、头部法兰82、齿轮箱83、第一安装板84、第二安装板88和导轨85，第一安装板84与第二安装板88平行设置，并在四角处通过导轨85进行固定连接，第一安装板84的顶端表面安装有头部法兰82，头部法兰82的顶端表面安装有丝杆81，第二安装板88的顶端表面安装有齿轮箱83，且齿轮箱83的底端与丝杆81传动连接，其中任一导轨85表面安装有接近开关86，且
接近开关86的数量为二，并上下错位设置，接近开关86之间设置有回零开关87，水槽11 的两侧对立设置有安装槽91，安装槽91的内部滑动套接有挡水板9，且挡水板9位于运动模块7的后方，水槽11远离挡水板9的末端安装有消波装置10。
28.本发明使用过程如下：将计算好的目标波形对应的楔体运动规则嵌入至伺服控制器3当中，首先进行运动检测，保持水槽处于无水状态，接通电源，在人机交互界面4上控制运动模块7采用点动方式运动至目标初始位置，打开启动按钮，检查运动模块7的运动速度曲线，若满足要求，则可进行造波试验，在人机交互界面4点击“回零”，使楔体返回初始位置，打开水槽进水阀门，使水位上升至目标高度，将挡水板9插入安装槽91中，隔开上游水体，待水面平稳之后，打开启动按钮，运动模块7按照目标运动速度进行垂向的往返运动，产生目标波浪向水槽下游传播。
29.在造波过程中可通过人机界面4实时监测运动模块7的位移、速度以及伺服电机1的力矩变化，当出现运动异常时，即使按下人机交互界面4的“急停”按钮，运动模块7停止运动，并且可以返回初始位置，待水面平稳后可继续进行造波试验。
30.实施例2
31.进一步的，传动装置8采用锥齿轮—滚珠丝杆升降台。
32.当伺服控制器3控制伺服电机7转动时，电机转轴带动传动装置8的锥齿轮转动，同时使滚珠丝杆81做垂向往复直线运动，滚珠丝杆-锥齿轮传动装置8在工作过程中，具有较高的传动效率，大大减小了伺服电机1的功率。
33.本实施例其他结构与实施例1相同。
34.实施例3
35.进一步的，运动模块7为楔体结构，且楔角为45
°
—60
°
，两者可相互更换。
36.当制造目标波浪为线性波、斯托克斯波、不规则波时，将楔角为45
°
的楔体采用m16螺杆固定于传动装置法兰上，如图9所示，采用实施例1的方法进行造波；当制造目标波浪为孤立波时，将楔角为60
°
的楔体采用m16螺杆固定于传动装置法兰上，如图10所示，采用实施例1的方法进行造波。
37.本实施例其他结构与实施例1相同。
38.实施例4
39.进一步的，两侧的安装槽91的外侧均安装有支撑板93，支撑板93的表面设置有标尺92。
40.给水槽中放水前，抽出挡水板9，打开水槽进水阀门，从侧面观察标尺 92，当水位上升至目标高度，关闭阀门，将挡水板9插入安装槽91中，隔开上游水体。待水面稳定后开始造波。
41.本实施例其他结构与实施例1相同。
42.实施例5
43.进一步的，消波装置10由两层热塑性多孔合成树脂101组成。
44.消波装置10安装在水槽末端，当波浪传播至消波装置时，波浪的能量消减，波高降低，从而减小波浪反射对造波的影响。
45.本实施例其他结构与实施例1相同。
46.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。