一种试验体冲击入水特性及柔性气囊水下特性的测量装置的制作方法

1.本发明属于试验体冲击入水特性测量、柔性气囊水下特性情况实时测量试验技术领域，具体涉及一种试验体冲击入水特性及柔性气囊水下特性的测量装置。


背景技术：

2.目前，在进行试验体冲击入水试验时需要用到弹射装置，尤其是对试验体冲击入水初始工况条件有严格要求时，试验体冲击入水试验装置的使用需求会随着试验重复次数的增多而提升，试验装置的不精准会对试验体冲击入水初始条件及后续结果造成巨大影响。在进行柔性气囊水下特性情况研究时，直接对气囊建模分析难度及工作量较为巨大，且并不能准确得到实际不同水深下的气囊压缩情况。
3.因此，如何解决现有技术中精准工况下的试验体冲击入水以及柔性气囊水下特性连续实时测量问题，成为本领域技术人员需要解决的技术关键。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：本发明提供了一种试验体冲击入水特性及柔性气囊水下特性的测量装置，解决了现有试验不准确、难度大的问题。在进行试验体冲击入水特性测量时，将试验体通过分度规及弹射装置来实现初始工况的调整控制。在进行柔性气囊水下特性研究时，将气囊的压缩情况借助排开水的体积变化直观地测量出来，避免直接对气囊建模及分析。
5.本发明目的通过下述技术方案来实现：一种试验体冲击入水特性及柔性气囊水下特性的测量装置，包括主体框架，主体框架上设有冲击入水试验装置和水下特性测量装置。
6.主体框架包括安全爬架、第一固定框和第二固定框，安全爬架分别与第一固定框、第二固定框固定连接，冲击入水试验装置固定在第二固定框上，水下特性测量装置固定在第一固定框上。固定框分别保证柔性气囊水下实时特性测量装置和试验体冲击入水特性试验装置稳定。
7.冲击入水试验装置包括第一有机玻璃桶、第一支撑横梁、卷收器、限位固定横架、弹射装置、试验体、分度规、第一限位钢索、第二限位钢索、第一钢索扣、第一底部挂环、第二钢索扣、第二底部挂环和第一排水阀。
8.第一支撑横梁固定在安全爬架的顶部，第一支撑横梁位于第一有机玻璃桶的上方，第一支撑横梁与第一有机玻璃桶的底部之间连接有竖向布置的限位钢索，限位钢索上穿设有限位固定横架，第一排水阀用于试验完成后便于排空装置内的液体。
9.限位钢索包括第一限位钢索和第二限位钢索，限位固定横架穿设在第一限位钢索和第二限位钢索上，第一有机玻璃桶内设有第一底部挂环和第二底部挂环，第一限位钢索通过第一钢索扣与第一底部挂环连接，第二限位钢索通过第二钢索扣与第二底部挂环连接。
10.第一支撑横梁与限位固定横架之间设有升降驱动装置，升降驱动装置为卷收器，卷收器的主体固定在第一支撑横梁上，卷收器的卷收绳与限位固定横架连接。
11.限位固定横架上设有铰接的弹射装置，弹射装置上设有试验体，限位固定横架与弹射装置之间设有分度规。弹射装置包括弹射盒，弹射盒内设有开口朝下的滑行轨道，试验体设在滑行轨道内，试验体与弹射盒之间设有弹簧。分度规包括刻度和指针，刻度设在第一支撑横梁上，指针与弹射装置的转轴连接，刻度和指针同轴心，指针的方向与试验体的弹射方向相同。
12.卷收器、限位固定横架、限位钢索用于控制弹射装置、试验体、分度规整体在竖直方向上的高度，即距离液面的高度位置，便于满足不同试验的要求。限位固定横架与分度规相连接，分度规与指针同轴心，指针与弹射盒固定连接，以便设定试验体当前角度位置。弹射装置内部填充有弹簧，根据能量守恒定律：可通过控制弹簧的伸长量来获取试验体的不同初始速度。
13.水下特性测量装置包括第二有机玻璃桶、第二支撑横梁、第一转向滑轮、第二转向滑轮、零浮力线缆、液位传感器、拉线位移传感器、柔性气囊、压力计、拉力计、第三转向滑轮、第三滑轮座、第四转向滑轮、第四滑轮座和第二排水阀。
14.第二支撑横梁固定在安全爬架的顶部，第二支撑横梁位于第二有机玻璃桶的上方，第二支撑横梁上设有上方滑轮组件，第二有机玻璃桶的底部设有下方滑轮组件，零浮力线缆绕过上方滑轮组件、下方滑轮组件后与柔性气囊连接，第一支撑横梁上设有液位传感器、拉线位移传感器，零浮力线缆与柔性气囊之间连接有拉力计，柔性气囊上设有压力计。
15.上方滑轮组件包括第一转向滑轮和第二转向滑轮，下方滑轮组件包括第三转向滑轮和第四转向滑轮，零浮力线缆依次绕过第一转向滑轮、第二转向滑轮、第三转向滑轮和第四转向滑轮后与柔性气囊连接。第二有机玻璃桶的底部设有第三滑轮座和第四滑轮座，第三转向滑轮设在第三滑轮座上，第四转向滑轮设在第四滑轮座上。
16.拉线位移传感器与零浮力线缆固连，零浮力线缆经转向滑轮组连接拉力计，并与柔性气囊固连，可实现对柔性气囊在柔性气囊水下特性实时测量装置内的深度变化连续控制，根据力的平衡：式中，f
浮
为柔性气囊由于排开水v
排
而产生的浮力，g为气囊、压力计等的总重力，f
计
为拉力计的读数。
17.拉力计用于得到柔性气囊在某深度位置平衡状态下的受力情况，并可理论计算出当前的体积情况v
排
。
18.深度变化会导致水压变化，在柔性气囊下移动的过程中，受压力影响而膨胀或压缩导致排水体积v
排
变化，压力计可测得柔性气囊内部的气压p
压力计
，拉线位移传感器可测得零浮力线缆的位移
△
x
拉线
，即柔性气囊的深度变化量
△h气囊
。超声波液位传感器可测得有机
玻璃桶内的液面高度变化
△h液面
，即可得柔性气囊的体积变化情况
△
v，根据理想气体状态方程：方程：可以得到：可以得到：可以得到：式中，d为有机玻璃桶的内径，h0为气囊初始深度，pi为气囊深度hi时其内部气体压力。
19.除柔性气囊外其他器材视为刚体，在水压下不发生形变，只有柔性气囊的体积随深度发生变化。也可以从理论及实际试验层面来相互验证，，可以对照检查试验过程是否有误。
20.主体框架上设有升降滑移的高速摄像装置。高速摄像装置包括第一同步轮、同步带、固定螺栓、高速摄像机和第二同步轮。高速摄像机设在可移动平台上，可移动平台上竖向滑动设在主体框架上，可移动平台与同步带连接，同步带绕设在第一同步轮与第二同步轮之间，第一同步轮设在主体框架的底部，第二固定轮设在主体框架的顶部。
21.高速摄像机安装在可移动平台上，同步轮、同步轮在转动时带动可移动平台移动，通过同步轮正反转控制平台的上升或下降，可据情况调整高速摄像机高度以记录完整实验过程。
22.优选地，所述主体框架包括安全爬架、固定框，安全爬架上设有步梯、转向台等，固定框设有固定横柱及立柱。
23.优选地，所述试验体冲击入水试验装置包括桶、支撑横梁及其所固定的主体框架、以及设置在支撑横梁下端的卷收器、限位固定横架、限位钢索、弹射装置、分度规、排水阀等，卷收器能够控制限位固定横架沿限位钢索在竖直方向移动，限位钢索贯穿限位固定横架，并绕过底部挂环通过钢索扣固定，分度规固定在限位固定横架上，弹射装置可在任意角度进行工作，从而将所述试验体从任意初始角度及速度发射。
24.优选地，所述分度规固定安装在限位固定横架上，限位固定横架表面刻有分度。
25.优选地，所述弹射盒上的试验体滑行轨道呈球形，指针与轨道方向平行固定安装且可随弹射盒的转动而转动，指针与分度规同轴安装并在弹射盒调整方向时得到准确的角度位置。
26.优选地，所述试验体的腹部下方设有支撑柱，柱体底部为球形，与弹射盒轨道相
切，柱体中部设有光滑处理的圆台支撑在弹射盒外表面以保证试验体在弹射盒滑行轨道上不发生前倾或后仰。
27.优选地，所述柔性气囊水下特性实时测量装置包括桶、支撑横梁、转向滑轮组、零浮力线缆、超声液位传感器、拉线位移传感器、柔性气囊、压力计、拉力计、排水阀等。转向滑轮组分别固定安装在所述支撑横梁、桶底部等位置，通过滑轮组转变力的方向使气囊的深度位置控制操作更为简单。
28.优选地，所述桶、超声液位传感器、拉线位移传感器等将柔性气囊在水下的实时位置和体积变化情况等效转换为传感器可测，简便直观。
29.优选地，所述弹性气囊为圆球形，便于分析其力学特性。
30.优选地，所述可移动平台一端贯穿所述主体框架的立柱，另一端固定在同步带上，可随同步轮、同步带的传动而上下移动，高速摄像机固定在所述可移动平台上以记录实时试验情况。
31.本发明提供的技术方案中，试验体冲击入水试验装置包括第一有机玻璃桶、第一支撑横梁、卷收器、限位固定横架、弹射装置、试验体、分度规、限位钢索、钢索扣、底部挂环以及第一排水阀。第一机玻璃桶设置在主体框架的第二固定框内，用于盛放试验所用液体，第一支撑横梁固定安装在安全爬架的顶部，用于固定限位钢索、卷收器及限位固定横架，限位钢索一端固定在支撑横梁上，贯穿限位固定横架，并绕过底部挂环，末端通过钢索扣锁紧固定，卷收器一端固定在第一支撑横梁上，另一端连接限位固定横架，卷收器可控制限拉固定横架沿限位钢索在竖直方向上移动，分度规固定在限位固定横架上，弹射装置可在任意角度进行工作，从而将试验体从任意初始角度及速度发射。如此设置，解决了当前冲击入水实验过程中的初始位置、角度、速度难控制的问题，重复多次试验过程更为简单有效。
32.本发明提供的技术方案中，柔性气囊水下特性实时测量装置包括第二有机玻璃桶、第二支撑横梁、转向滑轮组、零浮力线缆、超声波液位传感器、拉线位移传感器、柔性气囊、压力计、拉力计、第二排水阀等，第二支撑横梁固定安装在安全爬架顶部，零浮力线缆一端与卷收器相连，中间绕过设置在第二支撑横梁上的转向滑轮及桶底部的转向滑轮与拉力计相连，末端与柔性气囊相连，滑轮组用于力的方向的转变，零浮力线缆能够带动柔性气囊深度变化，且不产生额外的浮力影响，超声液位传感器用于监测桶内液面高度变化即换算为柔性气囊的体积变化，压力计用于测量柔性气囊内部的气压，拉力计用于测量柔性气囊的浮力。如此设置，解决了现有关于柔性气囊水下特性试验设备中较难连续测量气囊特性的问题，以及气囊深度调节过程不稳定、效率低的问题。
33.本发明提供的技术方案中，高速摄像机部分搭载在主体框架上，包括同步轮、同步带、固定螺栓、高速摄像机及可移动平台。可移动平台一侧贯穿主体框架的立柱，另一侧通过固定螺栓与同步带固定连接，同步轮转动带动同步带传动时即可带动可移动平台上下移动，高速摄像机安装在可移动平台上。如此设置，使得高速摄像机可记录下整个试验过程中的情况。
34.前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
附图说明
35.图1是本发明的结构示意图。
36.图2是本发明主体框架的结构示意图。
37.图3是本发明冲击入水试验装置的结构示意图。
38.图4是本发明第一支撑横梁处的结构示意图。
39.图5是本发明第一支撑横梁与弹射装置的结构剖视图。
40.图6是本发明水下特性测量装置的结构示意图。
41.图7是本发明高速摄像装置的结构示意图。
42.图中：1-主体框架，101-安全爬架，102-第一固定框，103-第二固定框；2-冲击入水试验装置，201-第一有机玻璃桶，202-第一支撑横梁，203-卷收器，204-限位固定横架，205-弹射装置，206-试验体，207-分度规，208-第一限位钢索，209-第二限位钢索，210-第一钢索扣，211-第一底部挂环，212-第二钢索扣，213-第二底部挂环，214-第一排水阀，251-弹射盒，252-指针，253-弹簧；3-水下特性测量装置，301-第二有机玻璃桶，302-第二支撑横梁，303-第一转向滑轮，304-第二转向滑轮，305-零浮力线缆，306-液位传感器，307-拉线位移传感器，308-柔性气囊，309-压力计，310-拉力计，311-第三转向滑轮，312-第三滑轮座，313-第四转向滑轮，314-第四滑轮座，315-第二排水阀；4-高速摄像装置，401-第一同步轮，402-同步带，403-固定螺栓，404-高速摄像机，405-第二同步轮，406-可移动平台。
具体实施方式
43.本具体实施方式的目的在于提供一种复合试验装置，解决现有技术中冲击入水实验过程中的初始位置、角度、速度难控制的问题，以及柔性气囊水下特性试验设备中较难连续测量气囊特性、气囊深度调节过程不稳定、效率低的问题。
44.下列非限制性实施例用于说明本发明。
45.实施例1：参考图1所示，一种试验体冲击入水特性及柔性气囊水下特性的测量装置，包括主体框架1、冲击入水试验装置2、水下特性测量装置3和高速摄像装置4。
46.参考图2所示，主体框架1包括安全爬架101、第一固定框102和第二固定框103，安全爬架101分别与第一固定框102、第二固定框103固定连接，冲击入水试验装置2固定在第二固定框103上，水下特性测量装置3固定在第一固定框102上。
47.参考图3所示，冲击入水试验装置2包括第一有机玻璃桶201、第一支撑横梁202、卷收器203、限位固定横架204、弹射装置205、试验体206、分度规207、第一限位钢索208、第二限位钢索209、第一钢索扣210、第一底部挂环211、第二钢索扣212、第二底部挂环213和第一排水阀214。
48.第一支撑横梁202固定在安全爬架101上，第一支撑横梁202位于第一有机玻璃桶201的上方。第一支撑横梁202与第一有机玻璃桶201的底部之间连接有竖向布置的限位钢索，限位钢索包括第一限位钢索208和第二限位钢索209，限位固定横架204穿设在第一限位钢索208和第二限位钢索209上，第一有机玻璃桶201内设有第一底部挂环211和第二底部挂环213，第一限位钢索208通过第一钢索扣210与第一底部挂环211连接，第二限位钢索209通过第二钢索扣212与第二底部挂环213连接。
49.参考图4所示，第一支撑横梁202与限位固定横架204之间设有升降驱动装置，升降驱动装置为卷收器203，卷收器203的主体固定在第一支撑横梁202上，卷收器203的卷收绳与限位固定横架204连接。
50.参考图5所示，限位固定横架204上设有铰接的弹射装置205，弹射装置205上设有试验体206。弹射装置205包括弹射盒251和弹簧253，弹射盒251内设有开口朝下的滑行轨道，试验体206设在滑行轨道内，试验体206与弹射盒251之间设有弹簧253。弹射盒251上部设有截面为球形的滑行轨道，试验体206腹部下方的支撑立柱底部为与球形导轨贴合的球，并与弹簧253接触。
51.限位固定横架204与弹射装置205之间设有分度规207，分度规207包括刻度和指针252，刻度设在第一支撑横梁202上，指针252与弹射装置205的转轴连接，刻度和指针252同轴心，指针252的方向与试验体206的弹射方向相同。指针252方向与弹射盒251的球形导轨方向一致，且与弹射盒251轴向固定，整体呈现一体状态。
52.参考图6所示，水下特性测量装置3包括第二有机玻璃桶301、第二支撑横梁302、第一转向滑轮303、第二转向滑轮304、零浮力线缆305、液位传感器306、拉线位移传感器307、柔性气囊308、压力计309、拉力计310、第三转向滑轮311、第三滑轮座312、第四转向滑轮313、第四滑轮座314和第二排水阀315。
53.第二支撑横梁302固定在安全爬架101上，第二支撑横梁302位于第二有机玻璃桶301的上方。第二支撑横梁302上设有第一转向滑轮303和第二转向滑轮304作为上方滑轮组件，第二有机玻璃桶301的底部设有第三转向滑轮311和第四转向滑轮313作为下方滑轮组件。
54.零浮力线缆305的一端与卷收器203连接，零浮力线缆305依次绕过第一转向滑轮303、第二转向滑轮304、第三转向滑轮311和第四转向滑轮313后与柔性气囊308连接。第二有机玻璃桶301的底部设有第三滑轮座312和第四滑轮座314，第三转向滑轮311设在第三滑轮座312上，第四转向滑轮313设在第四滑轮座314上。
55.第二支撑横梁302上设有超声波型的液位传感器306、拉线位移传感器307，零浮力线缆305与柔性气囊308之间连接有拉力计310，柔性气囊308的排气口上设有压力计309。
56.参考图7所示，升降滑移的高速摄像装置4包括第一同步轮401、同步带402、固定螺栓403、高速摄像机404和第二同步轮405。高速摄像机404固定在可移动平台406上，可移动平台406上竖向滑动设在主体框架1上，可移动平台406固定螺栓403与同步带402连接，同步带402绕设在第一同步轮401与第二同步轮405之间，第一同步轮401设在主体框架1的底部，第二同步轮405设在主体框架1的顶部。
57.具体的使用方法：如图3所示，通过调整限位固定横架的高度、弹射装置的角度、弹簧的压缩量、指针与导轨的相对位置，使试验体处于初始状态已知的可弹射试验状态。
58.如图6所示，通过调整收放零浮力线缆，使柔性气囊逐渐下潜或上浮，通过压力计、拉线位移传感器、超声液面传感器等测得相应数据，以得到某一深度位置时的柔性气囊特性，不限于单个气囊，也可是组合气囊的特性试验。
59.如图7所示，通过调整同步轮、同步带，使可移动平台带动高速摄像机在高度方向运动，以达到捕获完整试验状态。
60.前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。
61.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。