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摇板式造波机的设计（含CAD图纸和说明书）,板式,造波机,设计,CAD,图纸,说明书
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本科毕业设计 开题报告题 目 摇板式造波机的设计 院 系专 业学生姓名学 号指导教师 一、选题依据21世纪是海洋世纪，因为海洋蕴藏着丰富的资源，是人类赖以发展的新空间。随着海洋开发的飞速发展，针对波浪的研究显得愈发重要。波浪对船舶、水利、海工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。在船舶领域中,研究船舶的运动性能与波浪的关系;在码头、堤坝等水利工程中,研究其及抗波浪能力;在海上石油开采中,分析海上钻采设备对海浪的抗疲劳性能。另外，在大型的水上娱乐场，人们制造人工波浪，使用有游客享受到更多的乐趣。造波机便是制造波浪的一种装置，它是一种与海浪试验水池配套的基础设施，作用是在试验水池中激起不同波长和波高的波浪，来模拟自然界中的实际波浪，并测定各种数据，为相关设计提供理论依据。二、文献综述 总的说来，对海浪的研究手段大致可分为三种，分别是理论分析，现场勘测和实验室模拟。理论分析是主要通过牛顿力学原理，流体力学等方法来分析波浪的运动，但由于环境的复杂性，只能计算出特定条件下波浪运动情况，这并不具有一般性，用特例来代替一般显然会产生极大地误差。现场勘测则是在实际的波浪情况下进行试验，并统计数据，它的优点是准确无误，但是会受到太多的环境干扰，对试验产生影响，试验人员必须把握好试验时机。另外，现场勘测会耗费大量的人力，物力，财力，与之相比，实验室模拟的花费要少得多，也不会受到环境太多的干扰，但实验室条件有限，得到的结果与实际会产生一些误差。造波机便是一种制造波浪的设备，通过制造不同波长和波高的规则波或者不规则波，来模拟实际海浪，用于测定各种数据，为相关研究提供依据。这对船舶、水利、海工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。迄今为止，造波机的形式多种多样,以机械式为主, 即通过造波机的机械运动对水体施加干扰产生波动，常见的造波机有以下几种：1.摇板式：在实验水池中，用下端铰接，上端能前后摇动的摇板，制造人工波浪的设备。波高的控制由摆动幅度确定,波长和周期则由摆动频率来确定。摇板式造波机一般应用于深水域造波。图1.摇板式造波机示意图2.推板式：又称作活塞式，通过连杆驱动设在水槽中一端的活塞进行往复运动,使池中水产生波动。波高由活塞的冲程决定，波长由往复运动的频率决定。推板式造波机一般应用于浅水域造波。图2.推板式造波机示意图3.气压式：气压式是利用气压的变化来产生水面波动。如负压提升法,也可以是通过鼓风机产生的高压气体作为扰动源,通过改变气压的大小改变波高,气量的大小改变波长。图3.气压式造波机示意图4.冲箱式：冲箱式造波机的运动装置是一断面呈特殊形状的柱体。通过该部件沿垂直水面方向作往复运动达到造波的目的。运动的频率决定了波浪的大小。图4.冲箱式造波机示意图为了模拟出符合自然界的海浪，国内外的学者进行了长期的研究，提出了各种研究方法，制造了各种试验设备。国外很早的开始了造波水池的研究。1932年，世界上第一座工程试验的波浪水槽由美国美国陆军工程兵团海岸工程研究中心的前身海滩侵蚀管委会(The Beach Erosion Board)所建造。1950年法国 Sogreah试验所研制出“蛇形造波器”。建于1956年的荷兰瓦格宁根水池,是世界上最早的一座耐波性水池,该水池长100米,宽24.5米,深2.5米,采用摇板式蛇形造波机,摇板高1.4米, 宽0.6米,摇动绞链位于水下1.15米,产生的波长为1.56米。美国泰勒水池建于1958年,水池为矩形,造波机采用空气式造波机,可对长峰不规则波及短峰波进行模拟。 图5.泰勒水池我国从50年代开始造波方面的研究工作,早期的造波机一般是从国外购置。50年代初,中国第一台规则波造波机研制成功。70年代末大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室利用引进的“CROMEMC”微机作为控制机,研制了国内第一台不规则波造波机调频式造波机,因其机械惯性较大,仅能模拟一些简单的波谱。80年代,大连理工大学在对从美国引进的大型水槽不规则波造波机及多向不规则波造波机等设备消化吸收的基础上,同时综合分析了国内外先进造波技术,和国内几家科研单位共同研制了低惯性电机驱动式不规则波造波机和液伍伺服式不规则波造波机。90年代以后,国内外已完全采用计算机进行造波控制。计算机控制运用到造波机系统，使为造波技术和对波形的控制进入到了一个新的研究领域。目前，国外技术比较先进的大型水池主要有：挪威 MARINTEK 海洋深水试验池，荷兰 MARIN 的海洋工程水池，巴西 LabOceano 海洋工程水池，以及日本国家海事研究所的深水海洋工程水池等；国内的大型造波水池主要有：中国船舶科学研究中心适航性与海洋工程水池，上海交通大学海洋深水试验池等。图6.MARINTEK 海洋深水试验池图7.日本深水海洋工程水池图9. 上海交通大学海洋深水试验池图8. MARIN海洋工程水池造波机是常用的试验设备，它由控制系统、驱动机构、机架和推波板组成,在控制系统的控制下,驱动机构带动推波板按控制规律运动,推波板推动水体,形成各种模拟的水波浪,以供研究水波浪对行船、码头及堤坝等水中建筑物的作用。随着造波技术的发展，模拟波浪与自然波浪愈发的接近。由于自然环境中波浪的形态是复杂多变的，一开始采用规则长峰波来模拟自然波浪，但这显然是不准确的，随着研究的深入，慢慢的造波机可以产生规则波、不规则波等等多种波形，更加精确地模拟自然波浪。 总结国内外造波机技术以及造波机的研究成果，依据造波机驱动方式的不同，将造波机分为三类：电机驱动造波机、气压驱动造波机、液压驱动造波机，每一种性能和适用范围都是不同的。 (1)电机驱动造波机是目前的主流方式，它具有体积小，响应速度快，精度高，控制容易，无污染，等优点。但是负载能力差，针对大型造波机，无法满足使用。 (2)气压驱动造波机采用空气为介质，不但响应速度快，容易得到，而且与液压驱动比较来说，空气介质与大气进行循环方便，所需的设备简单。但由于空气的可压缩性比较大，与液压驱动相比承载能力低，一般在低负载的情况下使用。 (3)液压驱动造波机的承载能力强、精度高、响应快，而且液压油对各个运动部件起润滑作用，使得零件寿命大幅增加。但相比电机驱动和气压驱动，污染严重，要求较高的密封性来防止泄露。 从造波机与水体作用方式来说，最常用的是气压式和机械式。气压式是通过对空气施加不同的压力来改变水体的状态，从而产生波浪；机械式通过驱动使得机械运动部件产生运动来改变水体的状态，从而产生波浪。参考文献1张亚群. 造波机的控制及其实现J. 武汉理工大学. 2007-4-12熊兴. 4m1m平推式不规则波造波机的优化设计J. 天津理工大学. 2013-1-13商雪,李树森. 电动造波机的研究与设计J. 港工技术. 2008-4-154沈小荣. 电液伺服摇板式造波机设计分析J. 舰船科学技术. 1997-12-305张瑞波. 港工波浪模拟设备的研究J. 天津理工大学. 2008-1-16魏明伟. 港口工程物模试验用造波系统的参数计算及软件设计J. 天津理工大学. 2011-11-17陈汉宝,郑宝友. 水槽造波机参数确定及无反射技术研究J. 水道港口. 2002-6-308朱萍，黄晶华，赵丽君. 水槽造波机的参数确定及结构设计J. 现代电力. 2011-8-109张瑞波，王收军，朱国良. 伺服电机驱动式水槽造波机系统设计J. 2007-10-2710席伟光，曹少烈. 摇板式造波机的研究与设计J. 武汉交通科技大学学报. 1998-8-2511刘宏伟. 造波机运动控制技术的研究与实现J. 天津科技大学. 2011-1-112李宏伟. 造波理论与方法研究J. 哈尔滨工业大学. 2013-4-17 三、研究内容总体方案设计：1. 摇板造波理论目前常用的波浪理论是微幅理论和有限振幅斯托克斯波理论。由他们推出的深水波理论、中等水深波理论、浅水波理论则是相关的造波特性研究的理论基础，在这些基础上才能了解各种水深条件下的波浪特性和差异，了解不同水深下的造波难易，以及掌握造波性能的标准尺度。而摇板造波理论则是建立在微幅波理论的基础上，是微幅波理论在实际方面的一个应用。图10.摇板造波参数示意图上图为推导摇板造波理论公式的参数示意图。设水深为h，造波板水面下垂直深度为l，水面处摇幅为E，造波板以振幅A来运动产生波浪，设波浪高度为H;波长为兄,周期为T。波浪传播方向设为正,x轴与水池底部平面重合,y轴与造波板的处在垂直位置时重合,且方向向上。摇板上不同水深处摇板的摇幅e是y的函数，从微幅波理论出发，可推导摇板造波的理论公式：2. 机械结构比较分析a) 六杆机构图11.六杆机构工作原理：电动机通过减速器带动可调曲柄,通过可调连杆,使摇杆作往复摆动,再由摇杆推动大连杆使造波板作往复摆动,从而造出波浪。b) 曲柄摇杆图12. 曲柄摇杆工作原理：点击通过减速器带动曲柄，通过连杆，使摇杆（即造波板）作往复摆动。c) 曲柄滑块图13. 曲柄滑块工作原理：通过滚珠丝杠副，使滑块直线运动，通过连杆使造波板摆动。分析比较：曲柄摇杆结构简单，但有急回特性，正反行程速度不一样，难以控制波浪形状，而六杆机构正反行程的平均速度相同，能够使得造出的波浪接近正弦波。曲柄滑块机构同样具有急回特性，而且滚珠丝杠副易损坏。经比较采用六杆机构。研究内容和步骤：1. 摇板式造波机的系统构成及工作原理。2. 摇板式造波机的机械结构设计及驱动装置的选择。3. 基于UG建立三维模型。4. 对结构进行力学分析并进行强度、刚度校核。5. 在保证强度、刚度的情况下进行材料选择。四、设计进度安排起止时间主要内容预期目标201
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