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隨著海洋資源開發(fā)和應(yīng)用的興起，在實(shí)驗(yàn)水槽中模擬海上動(dòng)力環(huán)境已逐步成為一門實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)平板式造波機(jī)的設(shè)計(jì)均為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)于薄弱環(huán)節(jié)以及各個(gè)部分的變形情況沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，造波機(jī)的優(yōu)化無從談起，既要保證造波機(jī)的剛度、強(qiáng)度和足夠的時(shí)間響應(yīng)，達(dá)到產(chǎn)生波浪的精度要求，又要求材料最省。根據(jù)目前的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及存在的問題，本文現(xiàn)對(duì)其造波機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析，這對(duì)于造波機(jī)的設(shè)計(jì)以及提供重要數(shù)據(jù)參考具有重要意義。
造波機(jī)是一種能夠在實(shí)驗(yàn)水池中人為造出各種波浪，對(duì)船舶、港工、波浪發(fā)電裝置等進(jìn)行模擬試驗(yàn)的專用設(shè)備，是室內(nèi)模擬海洋環(huán)境中不可缺少的裝置。導(dǎo)軌座是原型水槽造波機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，它的功能是使滑板帶動(dòng)造波板在其上進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，其與基礎(chǔ)相連接，承受造波機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行引起的各種載荷。它需有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證造波系統(tǒng)在各種載荷下能正常運(yùn)行；同時(shí)也需減輕重量，降低成本。
本文采用有限元分析模擬的方法對(duì)造波機(jī)中的導(dǎo)軌座進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到變形、應(yīng)力分布云圖；對(duì)其進(jìn)行固有頻率分析，得出導(dǎo)軌座的各階固有頻率，確定需要避免共振的主要固有頻率。并以減輕重量為設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為造波機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
造波機(jī)的機(jī)械裝置主要包括：造波板、導(dǎo)軌座、滑架、橫梁、齒輪齒條以及異步伺服電機(jī)等。造波機(jī)械裝置采用推板式造波機(jī)，由4臺(tái)大型異步伺服電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)造波推板在直線導(dǎo)軌上進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。其波浪的產(chǎn)生是靠造波板在水中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，波高取決于造波板的行程和速度，波長(zhǎng)則取決于其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率。
原型水槽造波機(jī)總體尺寸為：長(zhǎng)38175mm、寬8800mm、高14200mm，有效行程±5m，最大載荷107t，最大波高3.5m，最大連續(xù)工作直線速度2.25m/s，采用正旋波來簡(jiǎn)化分析，波周期T=0.5s~5s。造波機(jī)整體機(jī)構(gòu)圖示意圖。
導(dǎo)軌座總體尺寸為：長(zhǎng)19080mm，寬520mm，高620mm。整個(gè)導(dǎo)軌座采用帶孔鋼板和20組加強(qiáng)筋焊接而成，在ANSYS中，可認(rèn)為是剛性連接。
由于此導(dǎo)軌座模型較為復(fù)雜，因此采用三維繪圖軟件solidworks對(duì)其進(jìn)行幾何模型的繪制。建立幾何模型后，給其模型賦予材料屬性，設(shè)置單元尺寸，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得出有限元模型。由于此導(dǎo)軌座模型較長(zhǎng)且可分為20個(gè)完全對(duì)稱的小節(jié)，每個(gè)小節(jié)受力完全相同，故鑒于此模型特點(diǎn)，特選取其中兩小節(jié)做有限元仿真模擬。
由于導(dǎo)軌座在實(shí)際工作工程中要承受拉力，壓力以及彎矩，因此選擇SOLID185實(shí)體單元。
異步伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)滑板在導(dǎo)軌座上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而可使造波板在水中做水平方向移動(dòng)，產(chǎn)生波浪。導(dǎo)軌座在豎直方向所受力為：其上部所有零件的重力、兩對(duì)齒輪的徑向力；在水平方向所受力為：兩對(duì)齒輪切向力、水給予造波板的阻力傳遞到此處的壓力。其中，水給予造波板的阻力通過滑架、鉸軸傳遞給導(dǎo)軌座，且水的沖擊力是隨水速變化的。
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