多向譜造波機參數(shù)計算及運動機構(gòu)設(shè)計

劉 楠，魏仁哲，張 鵬，薛 濤，王收軍

（天津理工大學(xué)a.數(shù)字化制造與流程工業(yè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心；b.機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津300384）

造波機通過電機驅(qū)動絲杠并帶動置于水中的推波板往復(fù)運動以制造滿足特定需要的波浪，波浪作用于水槽或水池中的海工物理模型以進行試驗驗證.實際的海面是三維的、復(fù)雜的隨機過程，其能量不僅分布在一定的頻率范圍內(nèi)，而且分布在相當(dāng)寬的方向范圍內(nèi)[1-2].因此，需要在試驗水池中制造出有向波浪以更精確的模擬自然界的海浪，將造波機大量且連續(xù)的排列成一定形狀，并使各個造波機推波板運動間產(chǎn)生相位差就可生成斜向波和多向波.單排造波機的推波板在產(chǎn)生斜向波時，會呈現(xiàn)出蛇形運動形態(tài)，因此也可將這種造波機稱為多向譜造波機[3].

王收軍等為交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所研制了33 軸液壓蛇形多向不規(guī)則造波機[4-5]，但此造波機造波時相鄰兩推波板之間存在缺口，且缺口隨相鄰兩推波板前后距離增大而增大，使得產(chǎn)生的波浪不平滑，隨著試驗要求不斷提高，已無法滿足需求.針對此問題，提出了一種能生成平滑無缺口波浪的蛇形多向譜造波機推波板結(jié)構(gòu)，并對推波板的強度和變形量進行分析，改進了推波板后的支撐結(jié)構(gòu)[6].本文在此基礎(chǔ)上，詳細介紹了造波機理論參數(shù)計算、關(guān)鍵元器件選型和造波能力校核，確保造波機的能夠滿足設(shè)計要求，然后采用有限元分析技術(shù)對造波機的運動單元進行了強度和剛度校核.

1 參數(shù)計算

在進行造波機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需要先進行造波機理論計算、關(guān)鍵元器件選型和造波能力校核.

1.1 理論計算

采用造波機參數(shù)計算方法[7-9]，根據(jù)表1 中的造波機設(shè)計要求，計算造波機運動行程、速度、加速、波浪總力、造波功率以及造波需要的最大電機扭矩.

表1 設(shè)計要求Tab.1 Design requirements

理論計算結(jié)果如表2 所示.

表2 理論計算結(jié)果Tab.2 Theoretical calculation results

1.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

1.2.1 電機計算及選型

1）轉(zhuǎn)速的確定.根據(jù)理論計算的最大速度0.51 m/s，可計算出電機轉(zhuǎn)速要求如下：

式中：n為電機轉(zhuǎn)速；vm為最大速度，vm=0.51 m/s；d為為絲杠導(dǎo)程，d=20 mm.

因此，電機選型時，應(yīng)選擇電機最大轉(zhuǎn)速不小于1 530 r/min.

2）扭矩和功率的確定.選擇電機時，還需要根據(jù)理論計算中導(dǎo)程20 mm 時獲得的最大扭矩為4.17 Nm，以及最大功率465.75 W，綜合確定電機的型號.

1.2.2 絲杠計算及選型

1）動載荷. 根據(jù)最大波蘭總力F= 946.39 N，且導(dǎo)程需要Ph=20 mm，傳動系統(tǒng)壽命Ls=5 000 kg，進行絲杠動載荷計算：

式中：fa為精度系數(shù)，取fa= 1；fc為可靠性系數(shù)，取fc=1；fw為負載性質(zhì)系數(shù)，取fw=1.2～1.5.

因此，絲杠選型時，需要選擇載荷大于7 154.26 N.

2）絲杠長度.確定絲杠長度時，需考慮1.1 理論計算得到的最大運動行程、螺母的長度和安全緩沖距離等.

1.2.3 導(dǎo)軌計算及選型1）最大波浪總力F作用于每個滑塊的等效載荷F1.

式中，h為水深，h= 0.8；l1為滑塊距離池底的高度，l1=1.49；l2為前后滑塊沿造波方向的距離，l2=0.295.

2）運動部件重力作用于每個滑塊的等效載荷F2.因為運動部件的重心大概處于前端兩個滑塊的正下方，因此前端每個滑塊的等效載荷為：

式中，m為造波機運動部件質(zhì)量，m=200 kg；

3）單個滑塊最大等效載荷Fe.

因此，選擇導(dǎo)軌滑塊時，需要動載荷大于2.9 kN，并保留一定的安全余量.

4）導(dǎo)軌的長度.確定導(dǎo)軌長度時，需考慮1.1 理論計算得到的最大運動行程、前后滑塊沿造波方向的距離和安全緩沖距離等.

1.3 造波能力校核

造波能力計算的計算條件如表3 所示.

表3 造波能力計算條件Tab.3 Calculation conditions of wave making capability

計算結(jié)果如圖1 所示，板前可生0.5 m 波高的周期范圍1.2～5 s，板前最大波高（在1.7 s 處）0.528 m，板前最大周期（5 s）時的波高0.367 m.

因此，經(jīng)校核，造波能力可滿足設(shè)計要求.

圖1 造波能力曲線Fig.1 Wave making capacity curve

2 運動單元有限元分析

本部分對運動單元進行結(jié)構(gòu)建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench，劃分網(wǎng)格，施加支撐和載荷，進行有限元分析，以校核其強度和剛度.

2.1 建模及導(dǎo)入

采用PTC CREO 對寬板進行建模，運動單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體設(shè)計尺寸如圖3 所示.根據(jù)本設(shè)計中運動單元的運動狀態(tài)，將推波板簡化為以下形式：將與導(dǎo)軌配合的4 個滑塊簡化為矩形塊，令矩形塊的端面和絲杠螺母的安裝面設(shè)定為固定支撐，如圖4 所示，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表4 所示.

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入Mechanical Modeler 進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分設(shè)置如圖5 所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示.

圖2 運動單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Moving unit structure

圖3 運動單元設(shè)計尺寸Fig.3 Moving unit design size

圖4 添加支撐Fig.4 Add support

表4 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.4 Structural material parameters

圖5 網(wǎng)格劃分設(shè)置界面Fig.5 Mesh setting interface

2.3 加載計算

根據(jù)理論計算得到的最大波浪總力946.39 N，使用ANSYS Workbench 中Mechanical Modeler 的“Loads”-“Force”功能為結(jié)構(gòu)進行加載，結(jié)果如圖7所示.

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.6 Meshing result

圖7 加載Fig.7 Loading

2.4 分析結(jié)果

按照上述方法選定支承、施加載荷，進行靜力學(xué)分析，得到寬板的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖8所示.

由以上分析結(jié)果可看出，最大應(yīng)力為25.727 MPa，最大變形為0.281 86 mm，強度、剛度皆滿足要求.

圖8 分析結(jié)果Fig.8 Analysis results

3 結(jié) 論

本文首先通過造波機理論參數(shù)計算，獲得最大運動行程、最大速度、最大加速度、最大波浪總力、最大造波功率和最大電機扭矩.根據(jù)這些參數(shù)進行了關(guān)鍵元器件計算和選型建議.再根據(jù)選型情況進行了造波能力校核，確保造波機的能夠滿足設(shè)計要求.然后基于PTC CREO 建立了簡化后的運動單元三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench 的Mechanical Modeler模塊進行網(wǎng)格劃分及加載，經(jīng)分析計算可知，運動單元的最大應(yīng)力為25.727 MPa，最大變形為0.281 86 mm，強度、剛度皆滿足要求.