拖曳水池拖车结构设计与分析_王收军.pdf
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1、第 39 卷第 1 期2023 年 2 月天 津理工大学学报JOUNAL OF TIANJIN UNIVESITY OF TECHNOLOGYVol.39 No.1Feb 2023收稿日期:20210915;修订日期:20211228基金项目:天津市科技服务业科技重大专项(16ZXFWGX00050)DOI:10.3969/j.issn.1673095X.2023.01.002拖曳水池拖车结构设计与分析王收军1,2,白宪进1,2,刘楠1,2*(1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;2.天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心,天津300384)摘要
2、:拖曳水池试验是研究船舶性能的基本方法,为满足船舶试验的需要,设计了一种适用于试验领域拖曳水池的拖车结构,简述了拖曳水池拖车的基本组成,建立了基于参数设计的完整拖车三维实体模型,并对拖车抗倾覆稳定性进行校核计算,采用有限元软件建立简化后 3 种强度和刚度提升方案的拖车模型,采用有限元分析方法分别对其进行强度与刚度分析计算,通过对比不同方案的计算结果,得到相对最优方案的模型参数。经分析计算可知,优化后的模型强度和刚度均能够满足实际需求。关键词:拖曳水池;拖车;有限元分析;强度;刚度中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1673095X(2023)01000907Structural de
3、sign and analysis of towing tank trailerWANG Shoujun1,2,BAI Xianjin1,2,LIU Nan1,2*(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical
4、Engineering Education,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)Abstract:The towing tank test is the basic method to study the performance of the ship To meet needs of a ship test,atrailer structure suitable for large towing tanks is designed The basic composition of the trailer structur
5、e is briefly described,and acomplete three-dimensional entity of the trailer based on the parameter design is established The model and its anti-overturningstability are checked and calculated The finite element software is used to establish a simplified trailer model of three strength andstiffness
6、improvement schemes,and the finite element method is used to analyze the strength and stiffness respectively Theanalysis results of different schemes obtain the model parameters of the optimal scheme and provide corresponding theoretical basisfor its actual productionKey words:towing tank;trailer;fi
7、nite element analysis;strength;stiffness我国既是陆地大国,也是海洋大国,拥有广泛的海洋战略利益,为此发展海洋工程刻不容缓,海洋平台的立管系统与海洋能源发电装置在进行试海前,需要在实验室中进行大量的试验研究,保证装置在真实海洋工况下的安全稳定性,船舶工程作为海洋工程最重要的一部分,对船舶性能的研究显得尤为重要12。目前,理论与试验相结合是研究二者性能的主要方法,而水池拖曳试验是研究二者性能的基本方法34。数值模拟技术的飞速发展,为船舶性能的研究提供了新的研究方法。适合应用的天津理工大学学报第 39 卷第 1 期优良船型大多是以船模试验为基础实现的56,船模
8、阻力试验是研究船体设计的重要参考依据之一,其用于研究船舶型线设计对于水动力性能的影响,由于造流设备价格高昂且流场均匀性较差,所以船模阻力试验经常在拖曳水池中进行,因此,对拖曳水池的研究具有重大意义。拖曳水池是进行船模性能试验的基本设备,重在解决船舶系统的多参数测量系统与模拟问题。陈玉龙等78 通过 Abaqus 对拖车的中央测试平台升降杆进行有限元分析,并通过分析计算,验证拖车主要零部件的强度满足要求;郭欣等9 对箱型梁内部加强筋进行优化设置,满足强度与刚度的同时达到轻量化的需求,保证试验安全性和测试精度。陈伟10 以某拖车为研究 对 象,设 计 了 拖 车 的 总 布 置,通 过 ANSYS
9、Workbench 软件进行强度分析,通过结构方案设计,增加拖车整体的稳定性。康昊等11 使用 ANSYS 有限元分析软件对拖车关键部位进行强度和模态分析,并对其进行结构优化设计。文中以研究某大型拖曳水池的拖曳系统为研究对象,对拖车结构进行方案设计计算和数值模拟分析,进而分析拖车强度特性、刚度特性及其稳定性,并提出改良措施,对其实际生产提供了相应的理论依据,同时也提供了一种便于操作人员进行试验对象的安装与装卸的回转提升拖曳机构,期望为该领域的研究人员提供参考帮助。1拖车方案设计1.1基本组成拖曳系统主要由机械结构、电控部分和软件部分等组成。其中,机械结构部分包括拖车主体、车轮、动力传动机构、拖
10、曳机构、工作安装状态转换机构、位置锁紧机构、安全保护机构和造波机等;拖曳系统电控部分包括伺服电机和电缆、伺服驱动器、运动控制器、驱动柜、控制器柜、动力柜、操作台、拖曳系统运动控制程序和其他功能机构的控制程序;拖曳系统软件部分包括拖曳系统人机交互界面、试验控制功能、升降控制功能、工作安装状态转换控制功能和位置锁定功能等。1.2建模采用 Creo7.0 软件建立拖曳水池拖车的三维模型,其水槽内宽为 5 m,水槽深为 8 m,水槽壁顶宽为 0.5 m,桁架车体宽为 6 m,车体长为 7.3 m,轨道长为 10 m,回转机构回转臂长为 4 m,拖曳系统主要包括拖车车体、高精度轨道系统、移动供电系统和控
11、制系统、伺服电机、回转提升机构、车轮组和导向轮等。其中,回转提升机构由驱动轴座、回转座、伺服电机、回转轴和回转臂组成,回转机构通过伺服电机驱动工作,为了降低车体的自身质量,文中主要采用桁架结构,相比传统的板梁式结构,桁架结构在满足强度与刚度需求的同时,可大幅度降低车体结构的自身质量。经过结构优化分析结果对比,文中车体主要采用 200 mm200 mm8 mm 的方管焊接而成。拖车桁架第 1 层和第 2 层的钢结构相同,横截面尺寸相同,车体上表面敷设花纹钢板,用以安装相关的试验设备并为相关的试验人员行走和交流提供便捷。车体上表面四周设置不锈钢栏杆,在使用中起到分割和保护的作用,这种材料能保证拖车
12、在拖曳水池湿度较高的环境下不发生氧化生锈。拖曳水池的轨道系统相比传统的车辆轨道系统精度更高,轨道系统的精度直接影响船舶试验数据的精准度。为确保拖车试验数据的准确性,需要严格保证轨道的水平度、垂直度和平行度。轨道通过楔块、钢轨压板和钢轨支撑等零件进行固定,保证两边拖曳轨道精度可达到 0.1 mm 以内,两侧轨道水平同步误差小于 0.1 mm/s,拖车下方固连一套回转提升机构,便于实现试验对象的安装与拆卸,并始终使试验对象与水面保持平行状态,保证试验结果的准确性。基于参数化设计的拖曳水池结构示意如图 1所示。其试验设备安装状态示意如图 2 所示。1 水槽;2 轨道垫铁;3 桁架车体;4 操控室;5
13、 车轮组;6 电机柜;7 导向轮组;8 回转机构图 1拖曳水池结构示意图Fig.1Schematic diagram of towing pool structure012023 年 2 月王收军,等:拖曳水池拖车结构设计与分析图 2试验设备安装状态示意图Fig.2Schematic diagram of test equipmentinstallation status2水池拖车抗倾覆稳定性计算水池拖车抗倾覆稳定性计算是指拖车在自身质量、试验设备和试验对象的综合作用下抗倾翻的能力,是影响拖车安全和综合性能的重要指标,因此,对拖车倾覆稳定性的计算具有重大意义。文献 12中提到,目前,国内研究抗
14、倾覆稳定性校核计算的主要方法有:力矩法、稳定系数法和按临界倾覆载荷标定法。文中主要采用力矩法进行拖车抗倾覆稳定性的计算。被拖曳试验对象最大水阻力 F 为 12 000 N,水阻力产生的倾覆力矩的力臂 L 为 4 m(水阻力产生的倾覆力矩支点为拖车前轮与钢轨表面的接触点),水阻力对拖车产生的向前的倾覆力矩为:M1=FL=4.8 104(Nm)(1)车体自身质量与车体装载试验设备的总质量 m为 16 000 kg(不含拖曳对象质量),车体的重心近似为拖车三维体几何中心位置,被拖曳物体的质量m1=1 000 kg(由于拖曳物体距离水面的距离较短,浮力影响较小,因此,不考虑浮力对物体的影响,且在加速阶
15、段,浮力是抵抗车体倾覆的作用力),车轮受到轨道面的前轮支持力为 F1,后轮支持力为F2,倾覆力矩的支点距拖车重心的距离 h=0.87 m,前后轮间的距离 L2=5.25 m,支点距被拖曳物体的重心的距离 H=4 m。考虑车体在临界状态下的倾覆情况,即拖车启动加速与减速时,假设拖车和被拖曳物体的共同加速度为 amax=1 m/s2,则车体自身和装载试验设备(由于惯性力)产生的向后的倾覆力矩为:M2=mamaxh=1.392 104(Nm)(2)被拖曳物体(由于惯性力)产生的向后的倾覆力矩为:M3=m1amaxL=4 103(Nm)(3)拖车总倾覆力矩为:(m+m1)g L22+M2+M3=F2L
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