專利名稱：一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠實現水下結構受高速流體驅動而發(fā)生轉動的試驗裝置，尤其涉及一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，它主要用于驗證各種流固耦合仿真算法的準確性、適用性，并代替復雜昂貴的水下試驗，研究結構動態(tài)響應與流體驅動參數之間的關系，通過試驗數據探索流固耦合機理與尺度律，為水下結構設計提供理論依據，屬于海洋船舶工程和武器工業(yè)工程技術領域。
背景技術：
板是水下結構設計的基本單元。薄板受高速水流沖擊而發(fā)生運動及變形的過程是一個流體-結構相互作用過程。由于板的運動及變形，改變了流體域的邊界；進而改變流域中壓強分布，特別是流體作用在固體表面上的壓強載荷大小及分布；又進一步改變了結構運動規(guī)律及變形，如此交互作用。薄板在水下受流體驅動繞軸轉動問題，是一個具有大位移及彈性變形的瞬態(tài)過程，即典型的流固耦合過程。國內外對這類問題只有少量的理論和仿真分析，基本沒有涉及試驗驗證。但是如果對該問題進行試驗分析，可以更加準確的掌握流固耦合現象，并且可以評估仿真方法的準確程度，更進一步的修正仿真模型，得到更加準確的仿真結果。一般情況下，設計到流體力學的試驗研究包括流固耦合試驗研究，大多應用到水洞試驗裝置。水洞設備作為流體力學試驗研究的通用設備，設備尺寸較大，空間占用較大， 推動水流動的動力系統(tǒng)功率很大，能源消耗和試驗費用很大，如果試驗器件按照1 1制作，制作周期較長，制作成本很高，試驗過程中測量元件的安裝和測試也不夠方便。因此，特別設計一個滿足這一類問題的流固耦合試驗裝置，既滿足試驗要求，又可以減少成本節(jié)省能源，有效的測量數據，快速便捷的完成試驗。

發(fā)明內容
1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 它針對水下高速轉動機構，為仿真方法提供試驗參考值，以此評估仿真方法的準確程度；通過試驗，從系統(tǒng)角度掌握流體驅動力矩、轉動角度位移、轉動葉片上的應力應變之間的相互影響規(guī)律；通過采用不同尺度的試驗裝置，探索如何利用小尺度縮比實驗的結果還原出原型系統(tǒng)的響應特性，為水下大尺度結構設計提供理論指導；研究水下結構運動學控制與限位機構碰撞吸能。2、技術方案見圖1，本發(fā)明一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，它包括水箱、水箱支架、PVC管路、靶式流量計、蝶閥、水槽、轉軸、軸承、軸承座、薄板、應變片、檔桿、 角位移傳感器、抱緊式彈性聯軸器、動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀。它們之間的位置連接關系是
水箱放在水箱支架上，置于裝置最高處，水箱底部與PVC管路一端相連通，PVC管路的另一端與水槽側面進水口相連；靠近水槽進水口處的PVC管路安裝蝶閥，在進水口和蝶閥之間的PVC管路的上端安裝靶式流量計；水槽中臨近進水口處豎直安裝轉軸，轉軸兩端通過軸承和軸承座與水槽上下兩端相連；轉軸中部開有通槽，薄板插入通槽中，用墊片和螺栓固定；薄板和靶式流量計上的應變片引出的導線連接動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀來采集應變變化時間數據；檔桿從水槽上端面豎直插入到水槽下底面的圓形槽座中進行安裝，此位置在薄板從初始位置繞軸轉動40°處；角位移傳感器通過抱緊式彈性聯軸器與轉軸柔性連接，角位移傳感器引出的導線與角位移傳感器的數據采集板連接，采集轉軸轉角變化時間數據。所述水箱是盒式結構的箱體，無上端面，下端面開有圓孔；所述水箱支架是L形角式支架，用于水箱的支撐和固定；所述PVC管路，其與水箱連接部分與地面垂直，與水槽連接部分與地面平行，兩部分用直角彎頭連接；所述靶式流量計，是由靶桿、靶桿套筒和靶桿支座構成，靶桿粘貼固定在靶桿支座上，靶桿外有靶桿套筒包裹，靶桿端部露在靶桿套筒外面；該靶桿為片狀工字結構，正反兩面貼有應變片；該靶桿套筒為圓管結構；該靶桿支座圓柱結構，其中部設置有溝槽。所述蝶閥，與PVC管路用法蘭盤連接，為市購件；所述水槽是盒式結構的箱體，上端面有約2/3為敞開口，側面開有一進水口，另一側面和底面有排水口和放水口；所述轉軸分為三部分，轉軸上半軸、轉軸中間軸和轉軸下半軸；轉軸上半軸和轉軸下半軸以軸承分別與水槽上下面軸向和徑向固定連接；轉軸中間軸中間部分開有通槽，用于插入和固定薄板，轉軸中間軸側面開有4個通孔，用于螺栓固定薄板；轉軸中間軸分別與轉軸上半軸和轉軸下半軸用一對聯軸器相連。所述軸承是7207B角接觸軸承，為市購件；所述軸承座是與7207B角接觸軸承配套的軸承座；所述薄板，是矩形板料，正反兩面貼有應變片，其初始位置為，薄板正面與進水口端面平行，與水流方向垂直；薄板按照尺度率理論設計有不同比例尺寸，根據試驗要求可以靈活的更換不同尺度的薄板；所述應變片，是矩形薄片；所述檔桿為圓柱體直桿；所述角位移傳感器為市購件，用抱緊式彈性聯軸器與轉軸柔性連接，測量轉軸轉角變化；所述抱緊式彈性聯軸器為市購件，連接角位移傳感器和轉軸，提供柔性和變直徑連接；所述動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀為市購件，用來采集薄板和靶式流量計上的應變片應變變化時間數據；其中，該水箱的外形尺寸為300_X300_X300mm ；其中，該PVC管路的直徑范圍是80-100mm ；其中，該蝶閥的型號是D71X_16 ；
其中，該水槽的外形尺寸為900mmX900mmX500mm ；其中，該薄板和靶式流量計上的應變片的型號規(guī)格是BX120_3CA和BX120-3AA。其中，該檔桿的直徑范圍是8-12mm;其中，該角位移傳感器的型號是WDD35II ；其中，該動態(tài)應變儀的型號是SDY2102 ；其中，該智能信號采集處理分析的型號是INV306G(H)；本發(fā)明工作流程如下試驗前，關閉蝶閥，水槽中注水4/5，PVC管路和水箱中注滿水，安裝試驗要求的尺度的薄板；試驗開始，打開蝶閥，水箱中的水作為動力源，沖擊薄板轉動，如果安裝了檔桿， 薄板將與檔桿發(fā)生碰撞，試驗過程中，動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀采集了薄板和靶式流量計上應變的變化時間數據，角位移傳感器的數據采集板采集了轉軸轉角變化時間數據。3、本發(fā)明一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置的優(yōu)點①該試驗裝置結構簡單、體積小節(jié)省空間，易于拆卸移動，造價低經濟實用；②測量元件安裝聯接方便，易于實施和測量。③可以靈活的更換不同尺度的薄板，為研究流固耦合的尺度率規(guī)律提供了方便性。④相比水洞來說，該試驗裝置節(jié)省水資源，做到了資源的節(jié)約。


圖Ia本發(fā)明驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置結構正視Ib本發(fā)明驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置結構立體示意加靶式流量計的結構爆炸2b靶式流量計的結構示意3轉軸的結構示意中符號說明如下1水箱；2水箱支架；3PVC管路；4靶式流量計；5蝶閥；6水槽；7轉軸；8軸承；9軸承座；10薄板；11應變片；12檔桿；13角位移傳感器；14抱緊式彈性聯軸器；15動態(tài)應變儀；16智能信號采集處理分析儀；17靶桿；18靶桿套筒；19靶桿支座；20聯軸器；21轉軸上半軸；22轉軸中間軸；23轉軸下半軸；
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細描述見附圖見圖1，本發(fā)明一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，它包括水箱1、水箱支架2、PVC管路3、靶式流量計4、蝶閥5、水槽6、轉軸7、軸承8、軸承座9、薄板 10、應變片11、檔桿12、角位移傳感器13、抱緊式彈性聯軸器14、動態(tài)應變儀15和智能信號采集處理分析儀16。它們之間的位置連接關系是水箱1放在水箱支架2上，置于裝置最高處，水箱1底部與PVC管路3 —端相連，PVC管路3的另一端與水槽6側面進水口相連；靠近進水口處的PVC管路3安裝蝶閥5，在進水口和蝶閥5之間的PVC管路3的上端安裝靶式流量計4 ；水槽6中臨近進水口處豎直安裝轉軸7，轉軸7兩端通過軸承8和軸承座9與水槽6上下兩端相連；轉軸7中部開有通槽，薄板10插入通槽中，用墊片和螺栓固定；薄板10上貼有應變片11，薄板10和靶式流量計4上的應變片11引出的導線連接動態(tài)應變儀15和智能信號采集處理分析儀16來采集應變變化時間數據；檔桿12從水槽6上端面豎直插入到水槽6下底面的圓形槽座中進行安裝，此位置在薄板10從初始位置繞軸轉動40°處；角位移傳感器13通過抱緊式彈性聯軸器14與轉軸7柔性連接，角位移傳感器13引出的導線與角位移傳感器13的數據采集板連接，采集轉軸轉角變化時間數據。所述水箱1是盒式結構的箱體，鋼質材料，無上端面，下端面開有圓孔；該水箱的外形尺寸為:300mmX 300mmX 300mm ；所述水箱支架2為鋼結構支架；所述PVC管3路為市購件，與水箱連接部分與地面垂直，與水槽連接部分與地面平行，兩部分用直角彎頭連接。其外徑為90mm。所述靶式流量計4為自制件，是由靶桿17、靶桿套筒18和靶桿支座19構成，見圖 2a、圖2b，靶桿17粘貼固定在靶桿支座19上，靶桿外有靶桿套筒18包裹，靶桿17端部露在靶桿套筒18外面；靶桿17為45#鋼材料、片狀工字結構，正反兩面貼有應變片11，靶桿套筒18為PVC圓管，保護靶桿17 ；靶桿支座19為圓柱結構鋁合金材料制成。所述蝶閥5為市購件，與PVC管路用法蘭盤連接；該蝶閥的型號是D71X_16。所述水槽6是盒式結構的箱體，鋼質材料，上端面有約2/3為開口，側面開有一進水口，另一側面和底面有排水口和放水口 ；該水槽的外形尺寸為900mmX900mmX500mm。所述轉軸7為45#鋼材料，見圖3，它分為三部分，轉軸上半軸21、轉軸中間軸22 和轉軸下半軸23 ；轉軸上半軸21和轉軸下半軸23以軸承8分別與水槽6上下面軸向和徑向固定連接；轉軸中間軸22中間部分開有通槽，用于插入和固定薄板10，轉軸中間軸22側面開有4個通孔，用于螺栓固定薄板10 ；轉軸中間軸22分別與轉軸上半軸21和轉軸下半軸23用一對聯軸器20相連。所述軸承8是7207B角接觸軸承；所述軸承座9是與7207B角接觸軸承配套的軸承座；所述薄板10是45#鋼矩形板料，正反兩面貼有應變片11，薄板10的初始位置為 薄板10正面與進水口端面平行，與水流方向垂直；薄板10按照尺度率理論設計有不同比例尺寸，根據試驗要求可以靈活的更換不同尺度的薄板；所述應變片11，是矩形薄片，為市購件，型號規(guī)格是BX120-3CA和BX120-3AA，柵長X柵寬3讓X2讓，電阻120. 3 士 0. 3Ω和119. 9 士 0. 1 Ω，靈敏度2. 08 士 1%，它粘貼在薄板和靶式流量計的靶桿上，用于測量薄板和靶桿應變變化；所述檔桿12是45#鋼材料，圓柱體直桿，其外徑為10mm，如果需要研究限位機構碰撞吸能，檔桿12從水槽6上端面豎直插入到水槽6下底面的圓形槽座中進行安裝，此位置在薄板10從初始位置繞軸轉動40°處；所述角位移傳感器13為市購件，用抱緊式彈性聯軸器與轉軸柔性連接，測量轉軸轉角變化，型號為WDD35II ；
所述抱緊式彈性聯軸器14為市購件，連接角位移傳感器和轉軸，提供柔性和變直徑連接；所述動態(tài)應變儀15和智能信號采集處理分析儀16用于采集應變片的應變變化時間數據，它們的型號規(guī)格分別是SDY2102和INV306G(H)；所述角位移傳感器數據采集板為自制采集板，其形狀為矩形，用于采集轉軸轉角變化時間數據。
權利要求
1.一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，其特征在于它包括水箱、水箱支架、PVC管路、靶式流量計、蝶閥、水槽、轉軸、軸承、軸承座、薄板、應變片、檔桿、角位移傳感器、抱緊式彈性聯軸器、動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀；水箱放在水箱支架上，置于裝置最高處，水箱底部與PVC管路一端相連通，PVC管路的另一端與水槽側面進水口相連；靠近水槽進水口處的PVC管路安裝蝶閥，在進水口和蝶閥之間的PVC管路的上端安裝靶式流量計；水槽中臨近進水口處豎直安裝轉軸，轉軸兩端通過軸承和軸承座與水槽上下兩端相連；轉軸中部開有通槽，薄板插入通槽中，用墊片和螺栓固定；薄板和靶式流量計上的應變片引出的導線連接動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀來采集應變變化時間數據；檔桿從水槽上端面豎直插入到水槽下底面的圓形槽座中進行安裝，此位置在薄板從初始位置繞軸轉動40°處；角位移傳感器通過抱緊式彈性聯軸器與轉軸柔性連接，角位移傳感器引出的導線與角位移傳感器的數據采集板連接，采集轉軸轉角變化時間數據；所述水箱是盒式結構的箱體，無上端面，下端面開有圓孔； 所述水箱支架是L形角式支架，用于水箱的支撐和固定；所述PVC管路，其與水箱連接部分與地面垂直，與水槽連接部分與地面平行，兩部分用直角彎頭連接；所述靶式流量計，是由靶桿、靶桿套筒和靶桿支座構成，靶桿粘貼固定在靶桿支座上， 靶桿外有靶桿套筒包裹，靶桿端部露在靶桿套筒外面；該靶桿為片狀工字結構，正反兩面貼有應變片；該靶桿套筒為圓管結構；該靶桿支座圓柱結構，其中部設置有溝槽； 所述蝶閥，與PVC管路用法蘭盤連接；所述水槽是盒式結構的箱體，上端面有約2/3為敞開口，側面開有一進水口，另一側面和底面有排水口和放水口；所述轉軸分為轉軸上半軸、轉軸中間軸和轉軸下半軸三部分；轉軸上半軸和轉軸下半軸以軸承分別與水槽上下面軸向和徑向固定連接；轉軸中間軸中間部分開有通槽，用于插入和固定薄板，轉軸中間軸側面開有4個通孔，用于螺栓固定薄板；轉軸中間軸分別與轉軸上半軸和轉軸下半軸用一對聯軸器相連； 所述軸承是7207B角接觸軸承； 所述軸承座是與7207B角接觸軸承配套的軸承座；所述薄板，是矩形板料，正反兩面貼有應變片，其初始位置為薄板正面與進水口端面平行，與水流方向垂直；薄板按照尺度率理論設置有不同比例尺寸，根據試驗要求更換不同尺度的薄板；所述應變片，是矩形薄片； 所述檔桿為圓柱體直桿；所述角位移傳感器用抱緊式彈性聯軸器與轉軸柔性連接，測量轉軸轉角變化； 所述抱緊式彈性聯軸器連接角位移傳感器和轉軸，提供柔性和變直徑連接； 所述動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀用來采集薄板和靶式流量計上的應變片應變變化時間數據。
2.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該水箱的外形尺寸為300mmX 300mmX 300mm。
3.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該PVC管路的直徑范圍是80-100mm。
4.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該蝶閥的型號是D71X-16。
5.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該水槽的外形尺寸為900mmX 900mmX 500mm。
6.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該薄板和靶式流量計上的應變片的型號規(guī)格是BX120-3CA和BX120-3AA。
7.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該檔桿的直徑范圍是8-12mm。
8.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該角位移傳感器的型號是WDD35II。
9.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置， 其特征在于該動態(tài)應變儀的型號是SDY2102。
10.根據權利要求1所述的一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，其特征在于該智能信號采集處理分析儀的型號是INV306G(H)。
全文摘要
一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，包括水箱、水箱支架、PVC管路、靶式流量計、蝶閥、水槽、轉軸、軸承、軸承座、薄板、應變片、檔桿、角位移傳感器、抱緊式彈性聯軸器、動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀；水箱放在水箱支架上，PVC管路的一端與水箱底部相通，另一端與水槽側面進水口相連；靠近水槽進水口處的PVC管路安裝蝶閥，在進水口和蝶閥之間的PVC管路上端安裝靶式流量計；水槽中臨近進水口處豎直安裝轉軸，薄板插入轉軸中部通槽，薄板和靶式流量計上的應變片引出的導線連接動態(tài)應變儀和智能信號采集處理分析儀采集應變變化時間數據；角位移傳感器引出的導線與角位移傳感器的數據采集板連接，采集轉軸轉角變化時間數據。
文檔編號G01M10/00GK102359863SQ20111023160
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權日2011年8月12日
發(fā)明者于人杰, 姚京寧, 孫凌玉, 李偉 申請人:北京航空航天大學