推板式造波机的机械结构设计开题报告.docx

开题报告

题 目_推板式造波机的机械结构设计
一、选题依据
课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值
海洋占据着地球面积的71%，其中蕴含着丰富的自然资源，但是目前人类对于海洋的认识程度并不够深入，对于海洋资源的开发也只是停留在初级阶段。随着世界上各个国家对海洋资源开发越来越重视，对海洋工程、船舶工程的研究也越来越多。
波浪是海洋中最普遍存在的自然现象，对于船舶设计、海洋资源的开发以及港口建设等有着至关重要的影响，深入了解海洋，必须对海上的波浪进行研究。目前主要有三种对于海上波浪的研究手段：第一种方法是到现场进行实地观测；第二种方法是对波浪进行理论分析研究以及数值模拟；第三种方法是在实验室内用人工水槽进行模拟研究。由于海浪的复杂多变性以及风、潮汐、泥沙等各种自然界中的不稳定因素给人们在实地近距离研究波浪带来了很大困难，可操作性较低。理论研究目前也存在较大的局限性，特别是运用数值分析对不规则波进行分析时，很难实现精确分析[1][2]。这样一来，在室内实验室相对稳定的情况下通过造波机对海上波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋环境的方法。
作为波浪模拟实验中的重要装置，造波机在港口和海岸的建设、船舶的设计与制造等工程建设中都有着非常重要的作用。在实验水池或模拟港池中模拟自然界中各种波形的波浪，得到人们在进行工程建设时所需的相关数据，然后根据这些数据进行深入分析和研究，为将来实施工程建设提供可靠的理论依据。所以说在建设港口、堤坝和船舶制造之前，通过模拟波浪进行试验得到一些重要的参考数据，这样人们就对整个工程有了较深入的了解与掌握，这对工程的设计和建设来说是一件非常有意义的事情。
对于海上的各种各样的不同波浪,怎样才能够最准确的模拟出波浪,提高实验数据的可靠性,是一个非常关键的问题。本课题主要就是对造波机的机械结构进行探究，设计出能够应用在实验室中的造波机,更真实的模拟特定环境下的波浪,获得更精确的模拟数据,为更进一步的研究波浪对船舶和海岸建筑物的作用机理,以及为工程建设提供可靠的数据都是非常重要的

二、文献综述
国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献
为了能够在实验室中尽可能地模拟出自然界中存在的各种特征的波浪，国内外学者们进行了深入地研究，对造波机控制技术的研究方面投入了大量的精力，并且取得了可观的研究成果，研制出了多种形式和多种功能的造波机，并且很多造波机设备应用到实际实验中。
造波机的发展经历了漫长的过程，最初的造波机是利用曲柄连杆来驭动造波的，这种类型的造波机只能造出规则波，无法模拟不规则波。后来又出现了通过液压系统驱动的造波机，既能产生规则波，也能造出不规则波。早在1955年，国外一些专家学者们就己经开始研究造波技术，1957年，荷兰人设计制造的瓦格宁根水池正式投入使用，在造波机研究历史算是在世界上最早的一座耐波性水池。1958年美国建造了泰勒矩形水池，该水池使用的是空气式造波机，可以对长峰不规则波和短峰波进行模拟。1957年英国建造了哈斯拉水池，该水池使用的是冲箱式造波机，可以对长峰规则波和不规则波进行模拟。后来美国使用冲箱式造波机技术并针对长峰规则波与不规则波理论建立了斯帝文森水池。日本三鹰露天水池使用的是摇板式造波机[4]。二十世纪八十年代中期开始，英国和日本开始有了用电机控制的造波系统，当时使用的是直流伺服电机[5]。从1992年才开始使用交流伺服电机。2000年荷兰Delft水工试验室和力士乐公司合作为我国702所05水池提供的不规则波造波机系统方案中，采用的是交流伺服电机。
我国的造波机发展最早开始于二十世纪五十年代，国内早期的造波机基本上都是从造波技术比较先进的国家引进的。从七十年代开始，国内开始造波机的研制工作，早期的造波机只能分级产生规则波，比较简陋。到了八十年代，我国才逐渐开始进行不规则波造波机的自主研发工作。南京水利科学研究院里装备的不规则波造波机是我们拥有的第一台不规则波造波机[6]。七十年代，电压模拟量信号逐渐的被用来控制造波机，到八十年代末，就已经出现了用于造波机系统的系统软件和应用软件，并借助于小型电子计算机对造波机进行控制。1993年，交通部天津水运工程科学研究所和天津理工大学合作，研制成功我国第一台液压伺服系统驱动的不规则波造波机。此后，造波技术发展十分迅速，90 年代以后，无论国内还是国外已经完全采用计算机进行造波控制。计算机控制运用到造波机系统，使为造波技术和对波形的控制进入到了一个新的研究领域。
总结国内外学者对造波技术以及造波机的研究成果，依据造波机驱动方式的不同，可以将造波机分为三类：电机驱动、气压驱动和液压驱动。他们各自的性能不同，所以不同的驱动方式适用范围也有所不同。
(1)电机驱动的造波机主要有以下优点：体积小，启动方便，响应速度快，精度高，易控制，而且没有污染，正是由于电机驱动有以上这么多优点，所以现如今电机驱动已成为造波机驱动的主流方式。电机驱动的缺点是负载能力差，针对大型造波机，电机驱动造波机输出的力矩比较小，无法满足使用，如果采用大功率的电机，那么需要大体积和质量的电机。
(2)气压驱动造波机优点是采用空气为介质，不但响应速度快，容易得到，而且与液压驱动比较来说，空气介质与大气进行循环方便，所需的设备简单。缺点是空气的可压缩性比较大，与液压驱动相比承载能力低，与电机驱动相比定位精度低，该方式只有在低负载的情况下使用，效果比较明显。
(3)液压驱动造波机的优点是承载能力强、精度高、响应快，与气压驱动相比较，液压驱动采用液压油，不但对各个运动部件起润滑作用，而且液压油的循环对整个系统起冷却的作用，这可以增加造波机机械运动部件的使用寿命缺点是采用液压油，有污染，工作环境差，同时对于整个液压系统的密封性能要求比较高，相应的成本也高，如果管子发生破裂，高压油喷出，可能会对工作人员造成很大的伤害[1]][7]。
就与水体相作用的情况来看，目前最为常用的造波方式有两种:气压式和机械式。气压式造波机通过改变空气压力来对水体施加干扰，改变水体状态使之产生波浪。机械式造波机是利用机械运动部件对水的作用来改变水体状态产生波浪。机械式又可以分成摇板式、推板式、冲箱式和转筒式四种。目前在港口物理模拟实验中也以机械式造波机为主，它是现今模拟实验中主要的造波方式。
(1)摇板式造波机：通过机械或者电机驱动使机械运动部件绕固定轴前后摆动，使水体状态产生变化。波高由机械运动部件的摆动幅度来控制，波长和周期由机械运动部件的摆动频率确定。
(2)推板式造波机：通过机械或者电机驱动使丝杠转动，用丝杠螺母副把丝杠的径向运动转化为机械运动部件在导轨上的直线运动，丝杠的转动方向周期性的改变使机械运动部件也以相同的周期往复运动推动水体使水体状态产生变化。波高取决于机械运动部件的冲程和运动速度，周期取决于机械运动部件往复运动的频率。
(3)冲箱式造波机：它的造波部件为一断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂直水面方向做往复运动达到造波的目的。波长由冲箱上下振动的周期决定。
(4)空气式造波机：空气式造波机的造波原理是依靠附加在钟罩所限制的水域上，并随时间的变化使空气压力做周期性变化来使水体状态产生变化。这种造波机备一般配备有鼓风机做气源，通过管道与钟罩相连接。用配气阀门实现对钟罩内部空气压力的周期性变化，因此周期与阀门摇动的周期相等，波长与阀门的工作周期和水深相关。
各种机械造波方式如图 1-1 至图 1-4 表示出来。由于推板式造波机的实际应用最为广泛，因此本文将主要研究推板式造波机的机械结构，所以后面将主要介绍推板式造波机系统。

图2-1 摇板式造波机工作示意图 图2-2推板式造波机工作示意图

图2-3冲箱式造波机工作示意图 图2-4气压式造波机工作示意图
按照波谱方向来分,造波机可以分为单向还有多向的,两种形式的造波机都可以造出不规则波,只不过是传播方向的差异。单向造波机可以造出一个方1?的波浪,所以一般多用于水槽试验中;而多向造波机所造出的波浪不局限于往一个方向传播,而是可以造出带有不同角度和不同方向的波浪,多向造波机一般多用于水池试验中[8]。

参考文献
〔1〕 魏明伟. 港口工程物模试验用造波系统的参数计算及软件设计.天津理工大学，2011，9-10.
〔2〕 张瑞波. 港工波浪模拟设备的研究.天津理工大学，2011，8-9.
〔3〕 杨志国.船模水池造波系统开发与造波技术研究. 哈尔滨工程大学,2002,13-14.
〔4〕 杨森华.国外耐波性水池简介.海洋工程实验设备论文集,1996年.
〔5〕 杨志国, 国内外水池造波设备与造波技术的发展现状[J],科院论坛.
〔6〕 左其华,杨正己.实验室波浪模拟的若干问题.南京水利科学研究院水利水运科学研究.1993,NO.l.
〔7〕 熊兴.4m_1m平推式不规则波造波机的优化设计.天津理工大学，2013
〔8〕 金乃高.液压伺服多向不规则波造波机控制系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2002.
〔9〕 张瑞波, 王收军, 朱国良. 伺服电机驱动式水槽造波机系统设计[J] , 机械设计, 2007.
〔10〕 王宇晗, 钟胜波, 胡俊. 电动造波机控制系统的研究[J] , 上海交通大学学报, 2005.

三、研究内容
1． 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）
早在1929年,Havelock对造波机的水动力学原理作了理论分析,这一成果为后来的所有研究者所使用。1951一1954年,法国Dauphinois水力学实验室Blesel和Suquet发表多篇文章,根据微幅波理论建立造波板运动行程与波高之间的关系(波高摇幅比),被认为是关于造波机原理最详细最完整的论述。1957年,日本鹤田千里阐述了造波机的设计理论,1959年,Ursell在美国麻省理工学院制造了推板式造波机,与上述理论做了实验对比;1971年Gibert给出了表示为波浪周期函数的波高摇幅比,1976年,美国航水杂志发表两篇文章,对摇板式和冲箱式造波机应用上述理论做了数值计算。
在国内,1979年,杨森华整理了鹤田千里和Blesel的造波理论,1987年，刘子琪做了类似的事情。他们两人的工作,成为后来国内造波机设计的主要参考依据。
设计要求：1.工作环境：实验室，水槽的基本尺寸为：水槽宽度5m, 水槽高度1.5m, 造波机工作最大水深1.2m；2.试验拟造波：最大波高0.4m，周期0.6～2.2s。要求完成机械结构设计、零件受力分析及设计计算，绘制不少于2张零号幅面的整套图纸。
根据课题要求，本论文的主要研究内容有：
1. 推板式造波机系统的总体结构的设计研究及各部分零部件的设计。
2. 造波机的机械结构设计（主要包括推波板及其框架、推波板连接架、机体、支撑架等）、零件受力分析及设计计算。
3. 绘制不少于2张零号幅面的整套图纸。

针对以上研究内容，该课题所面对的难点是:
1. 造波理论数学模型的选择；
2. 对于推板式波造波机的结构设计，国内很多单位采用经验设计，往往对造波机的刚度，强度设计比较保守，采用的安全系数很大，这会影响造波机产生波浪的精度，需要分析和计算并且进行优化
3. 驱动方式的选择及部件设计；
4. 造波机在水槽上的安装方式选择；
5. 各部件之间的连接方式，具体会涉及到螺栓连接、铰接、焊接等。例如螺栓连接需要计算连接强度，设计连接方案，焊接需要考虑焊接点问题。
2． 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析
①文献法。了解造波技术以及造波机国内外的研究应用现状，搜集造波机的有关文献资料 
②实地调研法。去工程学院海工实验室现场观看造波实验，询问实验人员造波机相关知识，并拍摄照片、视频等资料。
③经验总结法。根据自身积累的技术经验结合相关理论研究对研究对象进行分析，并从大量的研究信息中总结规律，形成假设。并通过研究成果对假设进行验证和提升。
本文主要研究的是推板式造波机的机械结构设计。
推板式造波机原理：伺服电机通过联轴器将旋转运动传递给丝杠，丝杠通过丝杠螺母副与螺母座相连，将丝杠的旋转运动转化为造波板的直线运动。造波板沿导轨方向在导轨上前后运动来产生波浪，水深以及造波板的运动频率决定产生波浪的波形。

图3.1 推板式造波机原理

造波机系统主要由三部分组成：机械装置、驱动装置和控制系统。本课题主要研究的是推板式造波机的机械结构的设计。机械结构主要是由推波板及其框架、推波板连接架、机体、支撑横梁、防尘盖等组成。这些都是造波机系统的金属结构件组成的。其框架结构、尺寸大小和材料的选择都是依靠波浪理论和要实现波浪的技术指标来设计的。波浪的产生主要是靠推波板往复运动来实现，波长和波高的大小都是由于水深和推波板前后运动的频率决定的。
在造波机工作中会出现三种不同的力，它们分别是标准波压力、局部扰动惯性波压力和造波机推板自身的惯性力，其中造波机推板自身的惯性力对造波系统起的作用是负面的，也就是对造波系统有害，所以应在工程应用允许的情况下尽量减少造波机推板自身的惯性力。由于水深和造波机运动参数由试验项目决定,所以只有降低运动部件的质量和转动惯量才能尽可能的减少推板自身的惯性力[9][10]。

图3.2 推板式造波机机械结构示意图
几种造波机驱动方式的比较
波浪模拟技术的发展伴随着先进科学技术的发展。第一代造波机采用变频电动机带动曲柄连杆机构运动 , 通过机械机构的转换实现推波板的运动 , 这种控制驱动方式只能使推波板实现规则(正弦)的平动或摆动 ,不能实现不规则波(连续变频、变幅值)的模拟。第二代造波机采用液压伺服驱动 ,响应速度高,输出功率大,但维护麻烦 ,污染环境。随着交流伺服电机技术的发展,液压伺服驱动方式有逐渐被取代的趋势。第三代造波机采用伺服电机驱动,响应速度高 ,控制精度高 ,维护简单 ,输出功率较小 ,相对于液压伺服驱动更适合于多单元组合式的港池多方向谱不 规则造波机和水槽断面 造波机 , 该种方式代表了目前国际上波浪模拟技术发展的主流。伺服电机式造波机一般采 用交流伺服电机驱动 ,并通过滚珠丝杠将电机的转动转化为推波板的直线运动。滚珠丝杠与滑动丝杠相比,丝杠轴与 螺母之间的滚珠做滚动运动,摩擦阻力很小，具有较高的运动效率。另外 , 其具有精度高、可保证微进给、无侧隙 、高刚性 ,以及高速进给等优点 。
驱动装置主要由造波板、伺服电机和滚珠丝杠副组成。
图3.3驱动装置
直线运动单元的直线往复运动是由交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠旋转, 经丝杠螺母转化为直线运动来实现。
滚珠丝杠副具有传动效率高、 运动平稳、 高精度、 高耐用 性、 同步性好、高可靠性等优点。 直线运动单元由 推臂、 直线滚动导轨、滑板、支撑轴承等构成。 丝杠采取两端固定的支撑形式, 支撑刚性最高,且固定端采用 双列轴承, 适应高速重载工况。 导轨和滑块分别固定在刚性好的槽钢和 H 型钢上, 受力变形小, 经祛除应力时效处理, 尺寸和形状稳定。

四、论文（设计）进度安排
起止时间
主要内容
预期目标
2015 年 3 月

2015 年 4月

2015年5月
2015年3月8号~3月底，查找资料（包括文字资料、现场参观拍摄照片视频等），撰写文献综述，通过资料分析以及几种不同方式的比较确定最终方案，并找出最终方案的重难点并加以解决，为之后的设计做好铺垫。完成开题报告，通过开题答辩。

2015年4月初~4月中旬，在开题阶段的基础上开始设计造波机的各部分零件，对零件进行受力分析及设计计算，绘制零件的二维和三维图纸，如果有可能的话，做出机构的仿真。4月中旬~4月底，绘制总体结构的装配图，按照格式认真写图纸的标注。

2015年5月20号前，修改图纸，把前期的成果汇总起来认真分析总结，开始撰写毕业论文，答辩PPT等，准备好参加结题答辩。
了解课题知识背景，了解课题现状，复习相关知识，初步确定方案完成开题报告

结合开题报告确定最终方案，完成总体方案以及各部分零件的设计，对零件进行受力分析和校核

完成论文、通过论文答辩

五、审核意见
导师意见

导师签字:

年 月 日
审核小组意见

审核小组成员签字：

年 月 日
注：1、表格不够可加附页。
2、审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。