CN116558761A - 一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，包括塔架、升降装置、弹簧加速模块、导轨、电磁吸盘、配重板和角度调节装置；塔架底端固定于试验水池中，升降装置安装于塔架的顶板上方，弹簧加速模块安装于塔架的顶板下方，导轨上端与塔架的顶板固定连接、下端固定于试验水池中；电磁吸盘上端通过第一牵引绳与升降装置连接、下端可与配重板相连或断开；配重板滑动安装于导轨上，并可在升降装置的驱动下于弹簧加速模块下方沿导轨自由移动，配重板下端通过角度调节装置安装试验模型。本发明利用弹簧的弹性势能对结构进行预加速，然后再次利用重力进行加速，最终实现结构高速入水冲击的要求；同时能够随时改变试验模型入水冲击角度。

Description

一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置

技术领域

本发明涉及结构入水冲击试验技术领域，具体涉及一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置。

背景技术

当船舶在恶劣海况下高速航行时，船体首部结构不可避免地会发生高速入水冲击的情况，然而剧烈的冲击作用甚至会导致船体局部结构的损坏，使得人员生命和财产安全受到严重的威胁。近年来，水上飞机被不断地用于执行海上巡逻，救援以及森林灭火等重要任务，例如“鲲龙-600”就是中国自主设计、研制的大型灭火、水上救援水陆两栖飞机，然而水上飞机的设计难点就包括如何保证飞机安全的实现水上降落和起飞，这同样涉及到了结构高速入水冲击问题。此外，射弹的高速入水或者返回舱的入水冲击问题都得到了诸多学者的广泛关注。针对上述结构高速入水冲击问题，目前试验方法仍然是分析结构入水冲击载荷以及结构动态响应行为的主要研究手段。

为了保证结构入水冲击试验结果的可靠性和稳定性，同时为了保护相关设备，现有的试验装置大多安装在实验室内部。为了使试验模型达到一定的入水冲击速度，目前的试验手段通常将结构抬升至水面上一定的高度，然后依靠重力使结构加速。然而对于高速入水冲击工况，此方法就需要较大的初始入水高度，例如要达到10m/s的入水冲击速度，在不考虑摩擦力的情况下就需要5.1米的入水高度，很显然这在实验室内部是很难实现的，且装置的高度越大，安全性就越差。除了结构入水速度外，结构的入水冲击角度通常也是重要的研究因素，冲击角度的变化对结构载荷以及响应行为的影响非常大。目前现有的结构入水冲击试验装置尚无法同时满足结构高速入水以及冲击角度可调节这两种试验要求，因此，需要一种能够满足上述条件的试验装置，为研究结构高速入水冲击问题奠定试验基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有结构入水冲击试验装置无法同时满足结构高速入水以及冲击角度可调节这两种试验要求，提供一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，该装置能够实现结构高速入水冲击的要求，同时还能不同的入水冲击角度要求。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，包括塔架、升降装置、弹簧加速模块、导轨、电磁吸盘、配重板和角度调节装置；所述塔架底端固定于试验水池中，所述升降装置安装于所述塔架的顶板上方，所述弹簧加速模块安装于所述塔架的顶板下方，所述导轨上端与所述塔架的顶板固定连接、下端固定于试验水池中；所述电磁吸盘上端通过第一牵引绳与所述升降装置连接、下端可与所述配重板相连或断开；所述配重板滑动安装于所述导轨上，并可在所述升降装置的驱动下于所述弹簧加速模块下方沿导轨自由移动，配重板下端通过所述角度调节装置安装试验模型；所述弹簧加速模块包括上盖板、下盖板、强力弹簧、连接杆和限位件，所述上盖板固定安装于所述塔架的顶板下方，所述连接杆下端与所述下盖板固定连接，连接杆上端依次穿过所述上盖板和塔架的顶板后设置所述限位件，所述强力弹簧设置于上盖板与下盖板之间；所述角度调节装置包括调节杆、转轴、转动基座、锁紧帽和紧固件，所述调节杆上端与所述配重板固定连接，调节杆下端开槽并加工转轴孔，所述转轴安装于转轴孔内中，所述转动基座包括底板和调节板，所述底板与试验模型固定连接，所述调节板穿设所述转轴而设置并位于调节杆下端开槽中，调节板可绕所述转轴转动以调节试验模型的入水角度，并通过所述锁紧帽与紧固件的配合实现角度的固定。

上述方案中，所述塔架的顶板、上盖板、下盖板的中部均开设有用于所述第一牵引绳穿过的通孔，且所述通孔的尺寸大于所述电磁吸盘的尺寸。

上述方案中，所述上盖板的下表面与下盖板的上表面对应开设有弹簧槽，所述强力弹簧安装于所述弹簧槽中。

上述方案中，所述连接杆穿过所述强力弹簧而设置；所述连接杆下端与下盖板的弹簧槽固定连接，连接杆上端穿过上盖板的弹簧槽。

上述方案中，所述调节板两侧加工有第一齿条；所述锁紧帽安装于调节板两侧，所述锁紧帽包括齿条盘和第二轴套，所述齿条盘靠近调节板的一侧加工有第二齿条，第二齿条能够与所述第一齿条啮合以固定转动基座的转动角度，所述第二轴套安装于齿条盘远离调节板的一侧，且从调节杆下端的转轴孔中穿过，所述转轴穿设于第二轴套中；所述紧固件安装于调节杆外侧，用于调节第一齿条与第二齿条的啮合状态。

上述方案中，所述第二轴套表面设有若干限位齿，所述调节杆下端的转轴孔设有与所述限位齿适配的限位槽，限位齿安装于限位槽中使得第二轴套仅能沿转轴的轴向移动。

上述方案中，所述转轴两端加工有螺纹，所述紧固件采用螺帽，通过拧紧螺帽进而推动锁紧帽移动使第二齿条与第一齿条互相啮合，实现转动角度的固定。

上述方案中，所述角度调节装置沿试验模型两侧对称布置多组。

上述方案中，所述试验装置还包括速度标定模块，所述速度标定模块包括第二牵引绳、滑轮、铅锤、指针和刻度标尺；所述第二牵引绳一端固定在所述电磁吸盘上、另一端绕过所述滑轮后连接所述铅锤，并在靠近铅锤一侧安装所述指针；所述滑轮安装于所述塔架的顶板上，用于传递所述第二牵引绳；所述刻度标尺安装在塔架的外侧，用于标识不同高度对应的临界冲击速度，试验中通过读取指针对应的刻度可以确定当前高度对应的入水冲击速度。

上述方案中，所述配重板上对称安装若干第二吊环，所述塔架上安装有与所述第二吊环对应的锁扣，在试验准备阶段或单次入水冲击试验结束后，通过拉绳连接所述第二吊环与锁扣。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的试验装置在台架上方设计了弹簧加速模块，利用弹簧的弹性势能对结构进行预加速，使结构开始下落的时候就拥有了较大的速度，然后再次利用重力进行加速，最终实现结构高速入水冲击的要求；同时能够通过角度调节装置随时改变试验模型入水冲击角度，并通过角度调节装置的结构设计能在试验过程中保持冲击角度的稳定性，能够满足不同的结构入水冲击试验要求。

2、本发明的试验装置在塔架的外侧设计了速度标定模块，结合弹簧参数以及初始下落高度可换算出不同落体高度工况下对应的入水冲击速度，并将其记录在刻度标尺上，试验中通过读取指针对应的刻度可以确定当前高度对应的入水冲击速度，可精准控制入水冲击速度。

3、本发明的试验装置结构简单、试验精度高、运行可靠、安全性高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明试验装置的整体结构示意图；

图2是本发明试验装置的整体结构后侧示意图；

图3是本发明试验装置的弹簧加速模块整体装配示意图；

图4是图3所示弹簧加速模块的下盖板结构示意图；

图5是本发明试验装置的配重板、光滑导轨、角度调节装置与试验模型安装整体示意图；

图6是本发明试验装置的角度调节装置整体结构示意图；

图7是图6所示角度调节装置的调节杆的结构示意图；

图8是图6所示角度调节装置的转动基座的结构示意图；

图9是图6所示角度调节装置的锁紧帽的结构示意图；

图10是本发明试验装置的速度标定模块的结构示意图。

图中：10、塔架；11、顶板；12、加强梁；13、锁扣；20、工作平台；30、升降装置；31、第一牵引绳；40、弹簧加速模块；41、上盖板；42、下盖板；43、强力弹簧；44、连接杆；45、弹簧槽；46、限位件；50、导轨；60、电磁吸盘；61、第一吊环；70、配重板；71、第一轴套；72、第二吊环；80、角度调节装置；81、调节杆；82、转轴；83、转动基座；831、底板；832、调节板；84、锁紧帽；841、齿条盘；842、第二轴套；843、限位齿；85、紧固件；90、速度标定模块；91、第二牵引绳；92、滑轮；93、铅锤；94、指针；95、刻度标尺；200、试验模型。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，为本发明实施例提供的一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，包括塔架10、升降装置30、弹簧加速模块40、导轨50、电磁吸盘60、配重板70和角度调节装置80。塔架10底端固定于试验水池中，升降装置30安装于塔架10的顶板11上方，弹簧加速模块40安装于塔架10的顶板11下方。导轨50布置在弹簧加速模块40外侧，导轨50上端与塔架10的顶板11固定连接、下端固定于试验水池中。电磁吸盘60上端通过第一牵引绳31与升降装置30连接、下端可与配重板70相连或断开。配重板70滑动安装于导轨50上，并可在升降装置30的驱动下于弹簧加速模块40下方沿导轨50自由移动，配重板70下端通过角度调节装置80安装试验模型200，通过角度调节装置80调节并稳定试验模型200的入水速度。电磁吸盘60通电状态下可以牢固的吸附在配重板70上，试验中通过升降装置30牵引电磁吸盘60向上，并带动配重板70及其下方的试验模型200沿着导轨50向上运动至指定的试验高度，并压缩弹簧加速模块40；电磁吸盘60断电状态下，释放配重板70，配重板70在弹簧加速模块40回弹力以及自身重力的作用下沿着导轨50向下运动至试验水池中。

如图3-4所示，弹簧加速模块40包括上盖板41、下盖板42、强力弹簧43、连接杆44和限位件46。上盖板41固定(如焊接或螺栓连接等)安装于塔架10的顶板11下方，连接杆44下端与下盖板42固定连接，连接杆44上端依次穿过上盖板41和塔架10的顶板11后设置限位件46，强力弹簧43设置于上盖板41与下盖板42之间。塔架10的顶板11、上盖板41、下盖板42的中部均加工有尺寸相同的通孔，且通孔的尺寸大于电磁吸盘60的尺寸，第一牵引绳31从三个通孔中依次穿过。上盖板41与下盖板42的通孔四周加工多个弹簧槽45，用于安装强力弹簧43。对于下盖板42，每个弹簧槽45内加工螺纹孔；对于上盖板41，每个弹簧槽45内加工通孔，同时在顶板11与上盖板41对应位置处开设通孔，确保连接杆44可以顺利穿过顶板11。优选的，连接杆44采用螺杆，限位件46采用螺帽，螺杆的两端攻螺纹，下端安装在下盖板42的螺纹孔内，上端依次穿过强力弹簧43、上盖板41、和顶板11、后装配螺帽，不需要紧配。

当下盖板42受到配重板70向上的推力时，将压缩强力弹簧43，同时带动连接杆44向上运动，当强力弹簧43压缩至指定位置时，即满足冲击速度要求时，断开电磁吸盘60，试验模型200将在强力弹簧43和重力的推动下加速冲击入水；当强力弹簧43作用结束后，连接杆44上端的限位件46可以限制下盖板42在初始位置处停止，并使弹簧加速模块40恢复至初始状态。

如图5所示，在弹簧加速模块40的外侧安装有四根光滑导轨50，配重板70通过四个第一轴套71与四根光滑导轨50进行连接，且轴套与导轨50都进行润滑处理，降低摩擦力对试验速度的影响。配重板70下方通过四个角度调节装置80与试验模型200相连接，使用四个角度调节装置80可以保证试验过程中冲击角度的稳定性。

如图6-9所示，角度调节装置80包括调节杆81、转轴82、转动基座83、锁紧帽84和紧固件85。调节杆81上端与配重板70固定连接(如螺纹加螺帽等方式)，调节杆81下端开槽并加工转轴孔，开槽用于安装转动基座83和锁紧帽84，转轴孔用于安装转轴82。转动基座83包括底板831和调节板832，底板831与试验模型200固定连接，调节板832安装于转轴82中间并位于调节杆81下端开槽中，调节板832可绕转轴82转动以调节试验模型200的入水角度，调节板832两侧加工有第一齿条。锁紧帽84安装于调节板832两侧，锁紧帽84包括齿条盘841和第二轴套842；齿条盘841靠近调节板832的一侧加工有第二齿条，第二齿条能够与第一齿条啮合以固定转动基座83的转动角度；第二轴套842安装于齿条盘841远离调节板832的一侧，且从调节杆81下端的转轴孔中穿过，转轴82穿设于第二轴套842中；第二轴套842表面设有若干限位齿843，调节杆81下端的转轴孔设有与限位齿843适配的限位槽，限位齿843安装于限位槽中使得第二轴套842仅能沿转轴82的轴向移动。紧固件85安装于调节杆81外侧，用于调节第一齿条与第二齿条的啮合状态，优选的，转轴82两端加工有螺纹，紧固件85采用螺帽，通过拧紧螺帽进而推动锁紧帽84移动使第二齿条与第一齿条互相啮合，实现转动角度的固定。

如图10所示，为了能够实时获得不同高度所对应的临界入水冲击速度，在塔架10的外侧设计了速度标定模块90。速度标定模块90包括第二牵引绳91、滑轮92、铅锤93、指针94和刻度标尺95；第二牵引绳91一端固定在电磁吸盘60上、另一端绕过滑轮92后连接铅锤93，并在靠近铅锤93一侧安装指针94；滑轮92安装于塔架10的顶板11上，用于传递第二牵引绳91；刻度标尺95安装在塔架10的外侧，用于标识不同高度对应的临界冲击速度。当电磁吸盘60上升时，另一端铅锤93将拉动第二牵引绳91向下，指针94也向下移动，对比刻度标尺95可得不同高度对应的冲击速度。试验中通过读取指针94对应的刻度可以确定当前高度对应的入水冲击速度。

本装置除了利用试验模型200下落的重力势能外，还设计了弹簧加速模块40，所以按照落体高度进行速度换算是不合理的。根据能量守恒，可得重力势能和弹性势能最终都转化为结构的动能，因此结合弹簧参数以及初始下落高度可换算出不同落体高度工况下对应的入水冲击速度，并将其记录在刻度标尺95上。试验开始之前可以通过角度调节装置80来改变试验模型200的入水冲击角度；试验过程中，通过操控两台同步卷扬机拉动电磁吸盘60并带动配重板70和试验模型200沿光滑导轨50向上运动，由于弹簧加速模块40中间的圆孔尺寸大于电磁吸盘60的尺寸，所以电磁吸盘60可以正常穿过，并带动配重板70压缩弹簧加速模块40，同时通过读取指针94在刻度标尺95上对应的速度参数，当达到指定速度时，断开电磁吸盘60，在弹簧和重力的作用下试验模型200将加速冲击水面。

进一步优化，本实施例中，塔架10通过底部的强力螺栓固定在水池底部，塔架10上焊接有水平和斜向加强梁12，确保塔架10的结构强度满足试验要求。塔架10的侧面安装有工作平台20，是试验过程中操作人员的站立区域，工作平台20下方焊接有斜向支撑梁，用于保证强度要求。

进一步优化，本实施例中，升降装置30包括对称安装于塔架10顶板11通孔两侧的两台同步工作的卷扬机。

进一步优化，本实施例中，电磁吸盘60上表面焊接有第一吊环61，两台同步工作的卷扬机通过第一牵引绳31与下方的第一吊环61相连接，

进一步优化，本实施例中，配重板70上对称焊接有若干第二吊环72，塔架10上焊接有与第二吊环72对应的锁扣13。在试验准备阶段，通过拉绳连接第二吊环72与锁扣13，用于固定配重板70，防止突然断电时电磁吸盘60的失效导致配重板70下落而产生的安全隐患，也可以用于单次入水冲击试验结束后及时固定住配重板70及下方试验模型200。

进一步优化，本实施例中，导轨50的顶端加工螺纹，通过装配螺帽与顶板11固定，导轨50的底端与水池底部的预埋螺帽进行装配固定。

进一步优化，本实施例中，转动基座83的底板831上加工有四个通孔，与试验模型200通过螺栓进行固定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，包括塔架、升降装置、弹簧加速模块、导轨、电磁吸盘、配重板和角度调节装置；

所述塔架底端固定于试验水池中，所述升降装置安装于所述塔架的顶板上方，所述弹簧加速模块安装于所述塔架的顶板下方，所述导轨上端与所述塔架的顶板固定连接、下端固定于试验水池中；所述电磁吸盘上端通过第一牵引绳与所述升降装置连接、下端可与所述配重板相连或断开；所述配重板滑动安装于所述导轨上，并可在所述升降装置的驱动下于所述弹簧加速模块下方沿导轨自由移动，配重板下端通过所述角度调节装置安装试验模型；

所述弹簧加速模块包括上盖板、下盖板、强力弹簧、连接杆和限位件，所述上盖板固定安装于所述塔架的顶板下方，所述连接杆下端与所述下盖板固定连接，连接杆上端依次穿过所述上盖板和塔架的顶板后设置所述限位件，所述强力弹簧设置于上盖板与下盖板之间；

所述角度调节装置包括调节杆、转轴、转动基座、锁紧帽和紧固件，所述调节杆上端与所述配重板固定连接，调节杆下端开槽并加工转轴孔，所述转轴安装于转轴孔内中，所述转动基座包括底板和调节板，所述底板与试验模型固定连接，所述调节板穿设所述转轴而设置并位于调节杆下端开槽中，调节板可绕所述转轴转动以调节试验模型的入水角度，并通过所述锁紧帽与紧固件的配合实现角度的固定。

2.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述塔架的顶板、上盖板、下盖板的中部均开设有用于所述第一牵引绳穿过的通孔，且所述通孔的尺寸大于所述电磁吸盘的尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述上盖板的下表面与下盖板的上表面对应开设有弹簧槽，所述强力弹簧安装于所述弹簧槽中。

4.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述连接杆穿过所述强力弹簧而设置；所述连接杆下端与下盖板的弹簧槽固定连接，连接杆上端穿过上盖板的弹簧槽。

5.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述调节板两侧加工有第一齿条；所述锁紧帽安装于调节板两侧，所述锁紧帽包括齿条盘和第二轴套，所述齿条盘靠近调节板的一侧加工有第二齿条，第二齿条能够与所述第一齿条啮合以固定转动基座的转动角度，所述第二轴套安装于齿条盘远离调节板的一侧，且从调节杆下端的转轴孔中穿过，所述转轴穿设于第二轴套中；所述紧固件安装于调节杆外侧，用于调节第一齿条与第二齿条的啮合状态。

6.根据权利要求5所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述第二轴套表面设有若干限位齿，所述调节杆下端的转轴孔设有与所述限位齿适配的限位槽，限位齿安装于限位槽中使得第二轴套仅能沿转轴的轴向移动。

7.根据权利要求5所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述转轴两端加工有螺纹，所述紧固件采用螺帽，通过拧紧螺帽进而推动锁紧帽移动使第二齿条与第一齿条互相啮合，实现转动角度的固定。

8.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述角度调节装置沿试验模型两侧对称布置多组。

9.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括速度标定模块，所述速度标定模块包括第二牵引绳、滑轮、铅锤、指针和刻度标尺；所述第二牵引绳一端固定在所述电磁吸盘上、另一端绕过所述滑轮后连接所述铅锤，并在靠近铅锤一侧安装所述指针；所述滑轮安装于所述塔架的顶板上，用于传递所述第二牵引绳；所述刻度标尺安装在塔架的外侧，用于标识不同高度对应的临界冲击速度，试验中通过读取指针对应的刻度可以确定当前高度对应的入水冲击速度。

10.根据权利要求1所述的基于弹簧加速的结构高速入水冲击试验装置，其特征在于，所述配重板上对称安装若干第二吊环，所述塔架上安装有与所述第二吊环对应的锁扣，在试验准备阶段或单次入水冲击试验结束后，通过拉绳连接所述第二吊环与锁扣。