船模水池拖車系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

郭 欣，李廣年，勞展杰

(1.浙江海洋學(xué)院 船舶及海洋工程學(xué)院，浙江 舟山316000;2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063)

拖車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)和造(消)波系統(tǒng)是水池中最為重要的三大設(shè)備系統(tǒng)［1-3］。三大系統(tǒng)相互配合，除了可以滿足船舶快速性的實(shí)驗(yàn)要求以外，還應(yīng)兼顧耐波性、操縱性的性能實(shí)驗(yàn)需要。水池拖車是進(jìn)行船舶性能試驗(yàn)的基本設(shè)備，其作用是拖曳船?；蚱渌Ｐ驮谠囼?yàn)水池中作勻速運(yùn)動(dòng)，以測(cè)量速度穩(wěn)定后的船舶性能相關(guān)參數(shù)，達(dá)到預(yù)報(bào)船舶或其它水上或水下運(yùn)動(dòng)物體航行性能目的［4］。簡(jiǎn)單理解的拖車應(yīng)包括總體結(jié)構(gòu)、電機(jī)電控系統(tǒng)、輪系和剎車系統(tǒng)以及測(cè)量和觀測(cè)平臺(tái);此外，還應(yīng)該包括測(cè)試儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。拖車在滿足自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及承載能力要求的同時(shí)，應(yīng)該盡量輕便，減少自重，以便提高運(yùn)行速度;同時(shí)在結(jié)構(gòu)布置上充分考慮開放性及以后的改裝升級(jí)，便于與其它測(cè)試設(shè)備連接，方便試驗(yàn)的開展。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1 拖車車架

車架總體結(jié)構(gòu)的機(jī)械部分包括拖車車架、中央測(cè)橋(包括升降裝置)、觀察平臺(tái)、工作平臺(tái)，見(jiàn)圖1。拖車車架呈四方形，分別由左右縱梁，前后橫梁組成。前后橫梁之間布置有可上下升降的中央側(cè)橋系統(tǒng)。中央側(cè)橋上部布置有小軌道，可實(shí)現(xiàn)模型前后移動(dòng)。在中央側(cè)橋右側(cè)，布置有可以沿軌道左右移動(dòng)的工作平臺(tái)。工作平臺(tái)右側(cè)，緊挨著右縱梁布置有供行走的走道，控制柜布置在右縱梁上部。車架右前部布置有控制室，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于控制室以內(nèi)?？刂剖矣覀?cè)、前側(cè)，以及前后橫梁均作為觀察平臺(tái)，四周圍設(shè)置不銹鋼欄桿。拖車采用四輪驅(qū)動(dòng)方式，四臺(tái)直流電機(jī)串聯(lián)運(yùn)動(dòng)。車架采用箱形梁結(jié)構(gòu)形式，橫、縱梁采用方型箱梁結(jié)構(gòu)，以受彎為主，截面采用矩形截面局部封閉結(jié)構(gòu)。為保證主橫梁的抗扭剛度，在梁端部及沿梁全長(zhǎng)設(shè)置剛性橫隔，其間距約為L(zhǎng)/10(L為橫梁長(zhǎng)度)，為保證梁腹板的局部穩(wěn)定性，在橫隔腹板內(nèi)側(cè)設(shè)置單向橫向加筋肋，為減小焊縫，采用彎曲槽鋼拼接。車架整體拼裝采用螺栓連接方式，采用此結(jié)構(gòu)形式具有安裝方便、易調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，主橫梁和副縱梁連接面應(yīng)進(jìn)行機(jī)加工，以保證安裝精度。由于主橫梁結(jié)構(gòu)主要受輕載荷，其強(qiáng)度計(jì)算可略，主要計(jì)算其剛度即滿足設(shè)計(jì)要求的主橫梁自振頻率。

拖曳水池軌道與拖車、造波機(jī)、測(cè)試設(shè)備、供水及水處理設(shè)備一樣，是實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵設(shè)備。水池軌道不是一般的車輛軌道，其精度直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高精確和穩(wěn)定，嚴(yán)格控制軌道的水平度、直線度、平行度、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)撓度。軌道長(zhǎng)121 m，分為主軌和副軌，根據(jù)水池設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分段加工后，現(xiàn)場(chǎng)焊接整軌。焊接后的軌道全長(zhǎng)為一根無(wú)縫鋼軌，用以保證拖車平穩(wěn)運(yùn)行。兩鋼軌之間的距離為6 400 mm，其平行度為±0.60 mm，兩軌高程差為0.20 mm，見(jiàn)圖2。

圖2 拖車軌道系統(tǒng)

為保證軌道的水平度和直線度，沿兩側(cè)池壁頂部縱向全長(zhǎng)鋪設(shè)加強(qiáng)角鐵，地腳螺栓穿過(guò)角鐵給地腳螺栓定位和加強(qiáng)，并與地腳螺栓一起澆筑在池壁內(nèi)。角鐵頂面允許有±5.00 mm誤差。螺栓頭留有調(diào)整長(zhǎng)度。為保證軌道平直，在軌道下分別設(shè)置墊梁和軌座，而墊梁與池壁的連接，又要通過(guò)加強(qiáng)角鐵，使地腳螺栓定位準(zhǔn)確。墊梁鋪設(shè)在加強(qiáng)角鐵上，用墊片將墊梁襯平，并用螺母緊固。在墊梁頂面每隔0.7 m焊接墊板一塊，墊板上安裝用作精密調(diào)節(jié)軌道水平度和直線度的軌座，軌座間距為0.7 m。在池壁頂面軌座外側(cè)裝有高5 cm×8 cm的軌道水準(zhǔn)槽。水池兩側(cè)壁之水準(zhǔn)槽需連通，并布置有注水和放水口。

2 計(jì)算與分析

拖車速度是拖曳水池的重要指標(biāo)之一，拖車車架應(yīng)該盡可能地減輕自重以保證其運(yùn)行速度最大化，同時(shí)考慮滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及減小振動(dòng)以保證試驗(yàn)安全及測(cè)試精度。利用大型通用有限元軟件MSC.PATRAN對(duì)車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，其中板材采用板單元來(lái)模擬，骨材則用偏心梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，共有節(jié)點(diǎn)13 364個(gè)，板單元13 812個(gè)和梁?jiǎn)卧?66個(gè)。模型取右手直角坐標(biāo)系，拖車行進(jìn)方向?yàn)閄方向，拖曳水池寬度方向?yàn)閅方向，由拖車底部指向甲板為Z方向。整體模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型

根據(jù)拖車實(shí)際工作情況，對(duì)車架與車輪連接處施加約束，具體約束情況見(jiàn)表1?？刂剖覅^(qū)域各階振型見(jiàn)圖4。

表1 邊界條件表

由圖4可見(jiàn)，控制室所在區(qū)域振動(dòng)幅度較大，通常情況下數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)布置在控制室，如果此部分振動(dòng)幅度較大會(huì)影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能?？蓪?duì)這一部分結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強(qiáng)。原方案中控制室板架部分只布置有橫向的扶強(qiáng)材，為加強(qiáng)這一部分結(jié)構(gòu)剛度，又在原方案基礎(chǔ)上加了縱向扶強(qiáng)材。原方案橫向箱型梁中布置有加強(qiáng)筋，出于盡量減輕車架重量的考慮，對(duì)箱型梁內(nèi)部加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化布置，具體方案見(jiàn)表2。

圖4 控制室區(qū)域各階振型

表2 優(yōu)化方案

圖5為計(jì)算結(jié)果?？刂剖业撞拷Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)以后可以有效降低此部分振動(dòng)幅度。

圖5 三種設(shè)計(jì)方案控制室振動(dòng)頻率對(duì)比

表2中序列3為加強(qiáng)筋布置形式圖，計(jì)算表明其對(duì)車架振動(dòng)影響不大，但可以降低車架總體質(zhì)量。

水池軌道被軌座分成若干等長(zhǎng)度的軌道梁，其自振頻率ωR和共振速度vR為

式中:l——軌座間距;

E——拉伸彈性模量;

I——慣性矩;

P——載荷。

假定軌道的波動(dòng)按軌道墊座劃分，即波長(zhǎng)等于軌座間距，當(dāng)小車按最高速度v前進(jìn)時(shí)，軌座波動(dòng)的擾動(dòng)頻率f=v/l。為避免共振，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)使拖車車架固有頻率避開軌座波動(dòng)的擾動(dòng)頻，同時(shí)拖車前后輪之間距離值應(yīng)避開軌道墊座間距的整數(shù)倍。

3 結(jié)論

1)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量?jī)?yōu)化拖車車架結(jié)構(gòu)，促使其重量最輕化;各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)布置合理，緊湊。

2)軌道布置盡量平整，嚴(yán)格控制軌道的水平度、直線度、平行度、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)撓度，盡最大可能減小因軌道平直度不足引起的振動(dòng)。

3)拖車車架、軌道應(yīng)該作為一個(gè)整體綜合考慮布置，盡量避免結(jié)構(gòu)共振。

［1］李百齊，朱德祥，何術(shù)龍.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心關(guān)于船舶性能新技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)造船，2006，47(3):1-13.

［2］楊建民，肖龍飛，盛振邦.海洋工程水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.

［3］朱德祥，沈泓萃，洪方文，等.船模數(shù)值水池框架及其研究基礎(chǔ)［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2008，23(1):24-32.

［4］劉艷蓉.水池試驗(yàn)拖車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.