CN105784320A - 一种液舱晃荡实验一体化装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，包括控制***、液舱、进水***、出水***、数据采集装置，所述液舱设置于运动平台上方，所述控制***分别连接进水***、出水***、数据采集装置和运动平台；本发明提供结构紧凑、拆装方便、连接可靠、运行平稳、实用性强的实现一体化的液舱晃荡实验装置，不仅通过单片机控制电机***，进水出水***、数据采集***和高速摄像机，而且通过电机***控制液舱三个自由度的运动，通过进水出水***控制液舱不同载液率，通过数据采集***记录多个位置的压力和波高，各个过程协调工作，实现一体化实验，而且进水出水***连接地下水库，实现循环用水，绿色环保。

Description

一种液舱晃荡实验一体化装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种新的流体物理实验装置和方法，即一种液舱晃荡实验一体化装置及方法，具体地说是涉及一种室内模拟液货船液舱晃荡实验的一体化装置及其实现方法。

背景技术

随着LNG船的逐渐大型化发展，与液货运输密切相关的液体晃荡问题吸引了越来越多的关注。近年来，由于剧烈液体晃荡引起的液舱结构破坏和船舶倾覆事件屡见不鲜。通常在船舶航行的过程中，在海浪的作用下液货船舶会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡六个自由度的响应，而这些响应的大小直接影响了船舶航行的航向及航行安全。LNG船承载的是低温液态的天然气，其船舱内的LNG液体在极端海浪的作用下会对液舱内壁产生巨大的冲击压力和晃荡力矩，极易发生液舱破坏或船舶倾覆，一旦发生事故造成液体泄漏，后果十分严重。液体晃荡是非常复杂的流体运动现象，表现出很强的非线性和随机性。液体晃荡一般可以产生驻波、进行波、水跃、破碎波及相应这几种组合的流体运动。不同载液率的船舱，在受到不同的外界激励下，会发生不同的晃荡现象。

由于液体晃荡具有高度的非线性及自由液面的时变性等因素的影响，对该问题的理论分析和数值模拟均有一定的局限性。模型试验可以从物理角度有效地弥补理论分析和数值模拟的一些缺陷。目前主要通过不同尺度及形状液舱的液体晃荡试验，研究不同形式激励下的液体晃荡机理、晃荡冲击载荷时空分布规律及外激激励幅值、频率、装载率等参数对晃荡冲击载荷分布规律的影响。开展实验室模拟液货船液舱晃荡实验的装置主要由运动平台，液舱，压力传感器，浪高仪及相应数据采集***等组成，其中运动平台由平台控制软件操纵，可以按照实验要求生成各种规则或不规则运动，液舱为有机玻璃容器，不同的液舱可以模拟不同结构形式的液货船舱，液舱尺度由真实船舱尺度乘相应缩尺比确定，压力传感器和浪高仪测定晃荡波对液舱不同位置的冲击压力及波高变化，数据采集***用于实时显示压力及波高的时间历程，获得数据用于分析液舱内晃荡波对不同激励形式的响应机制。

现在已公布的关于液舱晃荡实验的专利中，液舱晃荡实验的实现方式大多具有实验步骤复杂，实验仪器繁多，占用空间大，结构不够紧凑和实验过程中过于耗费人力等不足，本实验方案解决了以上问题，提出了一种在室内精确模拟纵摇横摇升沉三个自由度耦合作用下的液舱晃荡实验的自动化实验装置及其实现方法。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种液舱晃荡实验一体化装置，能在室内精确模拟纵摇横摇升沉三个自由度耦合作用下的液舱晃荡实验。

本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、连接可靠、运行平稳、实用性强的实现一体化的液舱晃荡实验装置，不仅通过单片机控制电机***，进水出水***、数据采集***和高速摄像机，而且通过电机***控制液舱三个自由度的运动，通过进水出水***控制液舱不同载液率，通过数据采集***记录多个位置的压力和波高，各个过程协调工作，实现一体化实验，而且进水出水***连接地下水库，实现循环用水，绿色环保。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，包括控制***、液舱、进水***、出水***、数据采集装置，所述液舱设置于运动平台上方，所述控制***分别连接进水***、出水***、数据采集装置和运动平台。

进一步的，所述运动平台由支撑台、主动旋转轴、被动旋转轴、底座和电机***组成，所述电机***固定在底座，所述被动旋转轴通过螺纹与主动旋转轴啮合连接，被动旋转轴和主动旋转轴均为四组，所述液舱与支撑台采用螺栓连接固定在一起，所述被动旋转轴与支撑台铰接，所述电机***固定在底座；所述被动旋转轴通过螺纹与主动旋转轴啮合连接；所述电机***运作带动主动旋转轴旋转，同时被动旋转轴旋转，四组被动旋转轴旋转的不同圈数实现支撑台上升下降和倾斜角度，同时带动液舱运动。

所述电机***由控制***控制，在输入端输入三个自由度的频率和幅值，便可自动计算四组被动旋转轴的旋转角度和速度；所述电机***控制四组被动旋转轴的旋转圈数，通过计算实现液舱纵摇、横摇和升沉三个自由度的耦合。

所述电机***运动的不同速度和位移实现液舱一定范围内的不同频率和幅值的运动组合。

进一步的，所述被动旋转轴设置有位移传感器和速度传感器，所述位移传感器和速度传感器用于检测被动旋转轴的位移和速度。

进一步的，所述数据采集装置包括压力传感器、浪高仪、高速摄像机和多通道数据采集***，所述多通道数据采集***分别连接压力传感器、浪高仪和高速摄像机，所述压力传感器和浪高仪固定在液舱内部，所述压力传感器嵌在液舱侧壁和顶面，所述浪高仪固定在液舱内部，并保证液舱内壁光滑和密闭，所述压力传感器和浪高仪预先根据实验要求布置在可能需要测量的每个点，全部连接数据采集***，实验时可根据要求选择需要开启的数据采集通道，采集压力和波高。

所述高速摄像机设置于液舱外部侧面，所述高速摄像机镜头正对液舱，用于实时记录液舱内流体的运动过程，后期结合图像分析技术，最终可以解析出液舱内流场的演化过程，所述高速摄像机镜头正对液舱即摄像机镜头所在平面的中心点与液舱内自由液面等高，并且镜头所在平面平行于液舱侧壁。

进一步的，所述控制***包括单片机、智能开闭***和同步控制器，所述智能开闭***连接进水***、出水***、所有压力传感器和浪高仪、多通道数据采集***的接口和高速摄像机开关，所述智能开闭***用于控制进水***进水口和出水***出水口的开闭，高速摄像机的开闭以及压力传感器和浪高仪数据采集通道的开闭，所述同步控制器用于保证液舱运动、多通道数据采集***和高速摄像过程同时开始。

所述单片机***控制进水***、出水***、电机***、多通道数据采集***和高速摄像机；所述单片机可以通过控制进水***和出水***的流量，实现液舱不同载液率；所述单片机可以通过控制电机***来控制四组被动旋转轴的旋转角度和速度，实现液舱三个自由度不同频率和幅值的耦合运动；所述单片机可以通过控制不同数据采集通道的开闭，实现测量特定工况需要测量的数据；所述单片机可以通过控制高速摄像机的开关实现记录液舱内流体的运动过程。

进一步的，所述进水***和出水***均设置有流量控制传感器，所述流量控制传感器用于检测通过进水***和出水***的流量，所述出水***通过管道连接地下水库，实现循环用水，所述进水***和出水***通过单片机控制开启和关闭，保证实验时液舱内壁光滑，载液率可控。

进一步的，所述液舱设置有顶盖，所述顶盖与液舱通过螺栓连接，密闭后用于覆盖实验中可能触顶的波浪，保证载液率可控。

进一步的，所述底座为无盖长方体,被动旋转轴长度与底座边壁高度相近，所述支撑台长度大于底座长度，实验结束关闭电机***的同时，被动旋转轴恢复等长，同时支撑台恢复中立位，落下后底座边壁为支撑台提供稳定支撑。

一种液舱晃荡实验一体化装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：组装与固定，根据实验要求，将所有安装过的压力传感器和浪高仪接入数据处理***，并按顺序标号，液舱顶盖进水口连接进水***，液舱侧壁出水口连接出水***，液舱内壁光滑与密闭；

步骤2：实验准备阶段，根据实验要求输入载液率，开启进水***，控制流量达到相应载液率，关闭进水***，关闭进水口，根据实验要求输入激励形式，包括纵摇、横摇和升沉三个自由度的频率和幅值，根据实验要求开启相应数据采集通道；

步骤3：实验阶段，开启同步控制器，同时开启数据采集***，开启电机***和高速摄像机工作模式，平台按既定模式运动，与此同时记录所需数据和液舱内流体的运动过程；

步骤4：实验停止，根据需要适时停止同步控制器，与此同时停止高速摄像机工作模式，数据采集***和电机***，数据自动存盘，运动机构自动缓冲恢复中立位落下；

步骤5：修改实验工况，第一组试验完成后，根据实验要求，设置载液率，开，开启相应数据采集通道，重复步骤3～步骤5至实验完全结束；

步骤6：实验结束，开启出水***，待水排除后关闭***。

本发明所达到的有益效果：

1、结构紧凑、拆装方便、连接可靠、运行平稳、实用性强的实现一体化的液舱晃荡实验装置，可以一次性控制电机***、进水***、出水***和数据采集***和高速摄像机，避免了实验的繁琐步骤；

2、电机***可以实现液舱纵摇、横摇和升沉三个自由度的耦合，升级了现有运动台单自由度的运动；

3、同时设置进水***和出水***，避免改变试验工况时为了改变载液率而进行的拆卸液舱的工作；

4、进水***和出水***设置流量监控，通过控制流量改变液舱载液率，准确可靠，避免人工量测造成的误差；

5、进水***和出水***连接地下水库，实现循环用水，绿色环保；

6、所有压力传感器和浪高仪预先安装，只需实验室根据需要选择开启的数据采集通道，避免了现有实验中人工挑选数据的麻烦，同时无需根据试验工况反复安装传感器，避免了不必要的损坏；

7、实验自动化程度高，实验环节衔接紧密，实验过程人力消耗少。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的液舱俯视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明控制***的运作流程图；

图5是本发明运动机构的俯视图；

图6是本发明被动旋转轴与支撑台铰接固定的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图6所示，一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，包括控制***、液舱2、进水***、出水***、数据采集装置，所述液舱设置于运动平台上方，所述控制***分别连接进水***5、出水***6、数据采集装置和运动平台，所述控制***包括单片机1、智能开闭***20和同步控制器23，所述运动平台由支撑台8、主动旋转轴9、被动旋转轴10、底座11和电机***12组成，所述电机***12固定在底座11，所述被动旋转轴10通过螺纹与主动旋转轴9啮合连接，被动旋转轴10和主动旋转轴9均为四组，所述液舱2与支撑台8采用螺栓21连接固定在一起，所述被动旋转轴与支撑台铰接，所述被动旋转轴设置有位移传感器17和速度传感器18，所述数据采集装置包括压力传感器3、浪高仪4、高速摄像机22和多通道数据采集***7，所述高速摄像机设置于液舱外部侧面，所述进水***和出水***均设置有流量控制传感器19，所述液舱设置有顶盖14，所述顶盖与液舱通过螺栓连接。

所述液体流量传感器19位于进水***5和出水***6管道；所述位移传感器17和速度传感器18位于被动旋转轴10；所述智能开闭***20连接进水口15、出水口16、多通道数据采集***7的接口和高速摄像机22开关；所述液体流量传感器19用于检测通过进水***5和出水***6的流量；所述位移传感器17和速度传感器18用于检测被动旋转轴10的位移和速度；所述智能开闭***20用于控制进水口15和出水口16的开闭，高速摄像机22以及压力传感器3和浪高仪4数据采集通道的开闭；所述同步控制器23用于保证液舱2运动，数据采集和高速摄像过程同时开始。

所述高速摄像机22镜头正对液舱2，用于实时记录液舱内流体的运动过程，后期结合图像分析技术，最终可以解析出液舱内流场的演化过程。

所述单片机1控制进水***5、出水***6、电机***12、多通道数据采集***7和高速摄像机22；所述单片机可以通过控制进水***5和出水***6的流量，实现液舱2不同载液率；所述单片机可以通过控制电机***12来控制四组被动旋转轴10的旋转角度和速度，实现液舱2三个自由度不同频率和幅值的耦合运动；所述单片机可以通过控制不同数据采集通道的开闭，实现测量特定工况需要测量的数据；所述单片机可以通过控制高速摄像机22的开关实现记录液舱2内流体的运动过程。

所述压力传感器3和浪高仪4预先根据实验要求布置在可能需要测量的每个点，全部连接多通道数据采集***7，实验时可根据要求选择需要开启的数据采集通道，采集压力和波高。

所述液舱2与支撑台8采用螺栓21连接固定在一起；所述液舱2中心与支撑台8中心在水平面的投影重合；所述被动旋转轴10与支撑台8通过销钉13铰接。

所述电机***12固定在底座11；所述被动旋转轴10通过螺纹与主动旋转轴9啮合连接；所述电机***12运作带动主动旋转轴9旋转，同时被动旋转轴10旋转，四组被动旋转轴10旋转的不同圈数实现支撑台8上升下降和倾斜角度，同时带动液舱2运动。

所述电机***12由单片机1控制，在输入端输入三个自由度的频率和幅值，便可自动计算四支被动旋转轴10的旋转角度和速度；所述电机***12控制四支被动旋转轴10的旋转圈数，通过计算实现液舱2纵摇、横摇和升沉三个自由度的耦合。

所述电机***12运动的不同速度和位移实现液舱2一定范围内的不同频率和幅值的运动组合。

所述出水***6通过管道连接地下水库，实现循环用水；所述进水***5和出水***6通过单片机1控制开启和关闭，保证实验时液舱2内壁光滑，载液率可控。

所述液舱2包括顶盖14；所述顶盖14与液舱2主体通过螺栓21连接，密闭后用于覆盖实验中可能触顶的波浪，保证载液率可控。

所述底座11为无盖长方体箱体；所述被动旋转轴10长度与边壁高度一致；所述支撑台8尺度略大于底座11尺度，实验结束关闭电机***12的同时，被动旋转轴10恢复等长，同时支撑台8恢复中立位，落下后底座11边壁为支撑台8提供稳定支撑。

一种实现液舱晃荡实验一体化的方法，包括以下步骤：

步骤1：组装与固定

所述流量控制传感器位于进水***和出水***管道；所述位移传感器和速度传感器位于被动旋转轴；所述流量控制传感器用于检测通过进水***和出水***的流量；所述位移传感器和速度传感器用于检测被动旋转轴的位移和速度；所述智能开闭***用于控制进水口和出水口的开闭，高速摄像机的开闭以及压力传感器和浪高仪数据采集通道的开闭；所述同步控制器用于保证液舱运动、数据采集和高速摄像机工作模式同时开始。

根据实验要求，在液舱侧壁和顶盖相应位置嵌入压力传感器，在液舱内部相应位置固定浪高仪，保证液舱内壁光滑与密闭，将所有安装过的压力传感器和浪高仪接入数据处理***，并按顺序标号。

液舱顶盖进水口连接进水***，液舱侧壁出水口连接出水***，保证液舱内壁光滑与密闭，出水***连接地下水库。

液舱顶盖与液舱主体通过螺栓连接，液舱固定后将液舱与支撑台通过螺栓连接，液舱中心与支撑台中心在水平面的投影重合。

高速摄像机镜头正对液舱，用于实时记录液舱内流体的运动过程。

至此，整个装置安装完毕。

步骤2：实验准备阶段

开启单片机***，关闭电机***，关闭数据采集***，关闭出水口，关闭出水***，根据实验要求输入载液率，开启进水口，开启进水***，控制流量达到相应载液率，关闭进水***，关闭进水口。

根据实验要求输入激励形式，包括纵摇、横摇和升沉三个自由度的频率和幅值。

根据实验要求开启相应数据采集通道。

打开高速摄像机开关。

步骤3：实验阶段

开启同步控制器，与此同时开启数据采集***，开启电机***和高速摄像机工作模式。平台按既定模式运动，与此同时记录所需数据和液舱内流体的运动过程。

步骤4：实验停止

根据需要适时停止同步控制器，与此同时停止高速摄像机工作模式，数据采集***和电机***，数据自动存盘，运动机构自动缓冲恢复中立位落下。

步骤5：修改实验工况

第一组试验完成后，开启出水***，开启出水口，待水排干后关闭出水***，关闭出水口，根据实验要求，设置载液率，开启进水口，开启进水***，控制流量达到相应载液率，关闭进水***，关闭进水口。

根据实验要求输入激励形式，包括纵摇、横摇和升沉三个自由度的频率和幅值。

根据实验要求开启相应数据采集通道。

重复步骤3～5至实验完全结束。

步骤6：实验结束

开启出水***，开启出水口，待水排除后关闭出水***，关闭出水口，关闭电机***，关闭高速摄像机，关闭数据采集***，关闭单片机***。

所述液体流量传感器用于监控通过进水***和出水***的流量，当流量达到相应载液率要求时，自动关闭进水***或者出水***。

所述位移传感器和速度传感器用于监控被动旋转轴的位移和运动速度，当输入激励形式时，单片机自动计算每支被动旋转轴的运动方程，位移传感器和速度传感器的值反馈给电机***，调整电机***的运转，最终达到相应激励形式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，包括控制***、液舱、进水***、出水***、数据采集装置，所述液舱设置于运动平台上方，所述控制***分别连接进水***、出水***、数据采集装置和运动平台。

2.根据权利要求1所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述运动平台由支撑台、主动旋转轴、被动旋转轴、底座和电机***组成，所述电机***固定在底座，所述被动旋转轴通过螺纹与主动旋转轴啮合连接。

3.根据权利要求2所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述被动旋转轴设置有位移传感器和速度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述数据采集装置包括压力传感器、浪高仪、高速摄像机和多通道数据采集***，所述多通道数据采集***分别连接压力传感器、浪高仪和高速摄像机，所述压力传感器和浪高仪固定在液舱内部，所述高速摄像机设置于液舱外部侧面。

5.根据权利要求1所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述控制***包括单片机、智能开闭***和同步控制器。

6.根据权利要求1所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述进水***和出水***均设置有流量控制传感器，所述出水***通过管道连接地下水库。

7.根据权利要求1所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述液舱设置有顶盖，所述顶盖与液舱通过螺栓连接。

8.根据权利要求2所述的一种液舱晃荡实验一体化装置，其特征是，所述底座为无盖长方体,被动旋转轴长度与底座边壁高度相近，所述支撑台长度大于底座长度。

9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的一种液舱晃荡实验一体化装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：组装与固定，根据实验要求，将所有安装过的压力传感器和浪高仪接入数据处理***，并按顺序标号，液舱顶盖进水口连接进水***，液舱侧壁出水口连接出水***，液舱内壁光滑与密闭；

步骤2：实验准备阶段，根据实验要求输入载液率，开启进水***，控制流量达到相应载液率，关闭进水***，关闭进水口，根据实验要求输入激励形式，包括纵摇、横摇和升沉三个自由度的频率和幅值，根据实验要求开启相应数据采集通道；

步骤3：实验阶段，开启同步控制器，同时开启数据采集***，开启电机***和高速摄像机工作模式，平台按既定模式运动，与此同时记录所需数据和液舱内流体的运动过程；

步骤4：实验停止，根据需要适时停止同步控制器，与此同时停止高速摄像机工作模式，数据采集***和电机***，数据自动存盘，运动机构自动缓冲恢复中立位落下；

步骤5：修改实验工况，第一组试验完成后，根据实验要求，设置载液率，开，开启相应数据采集通道，重复步骤3～步骤5至实验完全结束；

步骤6：实验结束，开启出水***，待水排除后关闭***。