[发明专利]一种液舱晃荡实验一体化装置及其使用方法

说明书

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系统等组成，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，数据采集系统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系统，进水出水系统、数据采集系统和高速摄像机，而且通过电机系统控制液舱三个自由度的运动，通过进水出水系统控制液舱不同载液率，通过数据采集系统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，而且进水出水系统连接地下水库，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，包括控制系统、液舱、进水系统、出水系统、数据采集装置，所述液舱设置于运动平台上方，所述控制系统分别连接进水系统、出水系统、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、底座和电机系统组成，所述电机系统固定在底座，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，所述电机系统固定在底座；所述被动旋转轴通过螺纹与主动旋转轴啮合连接；所述电机系统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。

所述电机系统由控制系统控制，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；所述电机系统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。

所述电机系统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。