船模水池拖車系統設計分析

郭 欣，李廣年，勞展杰

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

拖車系統、軌道系統和造(消)波系統是水池中最為重要的三大設備系統［1-3］。三大系統相互配合，除了可以滿足船舶快速性的實驗要求以外，還應兼顧耐波性、操縱性的性能實驗需要。水池拖車是進行船舶性能試驗的基本設備，其作用是拖曳船模或其它模型在試驗水池中作勻速運動，以測量速度穩定后的船舶性能相關參數，達到預報船舶或其它水上或水下運動物體航行性能目的［4］。簡單理解的拖車應包括總體結構、電機電控系統、輪系和剎車系統以及測量和觀測平臺;此外，還應該包括測試儀器儀表、數據采集和處理系統。拖車在滿足自身結構強度及承載能力要求的同時，應該盡量輕便，減少自重，以便提高運行速度;同時在結構布置上充分考慮開放性及以后的改裝升級，便于與其它測試設備連接，方便試驗的開展。

1 設計方案

圖1 拖車車架

車架總體結構的機械部分包括拖車車架、中央測橋(包括升降裝置)、觀察平臺、工作平臺，見圖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橋系統。中央側橋上部布置有小軌道，可實現模型前后移動。在中央側橋右側，布置有可以沿軌道左右移動的工作平臺。工作平臺右側，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，數據采集系統位于控制室以內。控制室右側、前側，以及前后橫梁均作為觀察平臺，四周圍設置不銹鋼欄桿。拖車采用四輪驅動方式，四臺直流電機串聯運動。車架采用箱形梁結構形式，橫、縱梁采用方型箱梁結構，以受彎為主，截面采用矩形截面局部封閉結構。為保證主橫梁的抗扭剛度，在梁端部及沿梁全長設置剛性橫隔，其間距約為L/10(L為橫梁長度)，為保證梁腹板的局部穩定性，在橫隔腹板內側設置單向橫向加筋肋，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，采用此結構形式具有安裝方便、易調整的優點，主橫梁和副縱梁連接面應進行機加工，以保證安裝精度。由于主橫梁結構主要受輕載荷，其強度計算可略，主要計算其剛度即滿足設計要求的主橫梁自振頻率。

拖曳水池軌道與拖車、造波機、測試設備、供水及水處理設備一樣，是實驗室的關鍵設備。水池軌道不是一般的車輛軌道，其精度直接影響試驗數據的精確性。為了確保實驗數據的高精確和穩定，嚴格控制軌道的水平度、直線度、平行度、靜態和動態撓度。軌道長121 m，分為主軌和副軌，根據水池設計長度分段加工后，現場焊接整軌。焊接后的軌道全長為一根無縫鋼軌，用以保證拖車平穩運行。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，見圖2。

圖2 拖車軌道系統

為保證軌道的水平度和直線度，沿兩側池壁頂部縱向全長鋪設加強角鐵，地腳螺栓穿過角鐵給地腳螺栓定位和加強，并與地腳螺栓一起澆筑在池壁內。角鐵頂面允許有±5.00 mm誤差。螺栓頭留有調整長度。為保證軌道平直，在軌道下分別設置墊梁和軌座，而墊梁與池壁的連接，又要通過加強角鐵，使地腳螺栓定位準確。墊梁鋪設在加強角鐵上，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節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裝有高5 cm×8 cm的軌道水準槽。水池兩側壁之水準槽需連通，并布置有注水和放水口。

2 計算與分析

拖車速度是拖曳水池的重要指標之一，拖車車架應該盡可能地減輕自重以保證其運行速度最大化，同時考慮滿足結構強度及減小振動以保證試驗安全及測試精度。利用大型通用有限元軟件MSC.PATRAN對車架結構建立有限元模型，其中板材采用板單元來模擬，骨材則用偏心梁單元來模擬，共有節點13 364個，板單元13 812個和梁單元366個。模型取右手直角坐標系，拖車行進方向為X方向，拖曳水池寬度方向為Y方向，由拖車底部指向甲板為Z方向。整體模型見圖3。

圖3 有限元模型

根據拖車實際工作情況，對車架與車輪連接處施加約束，具體約束情況見表1。控制室區域各階振型見圖4。

表1 邊界條件表

由圖4可見，控制室所在區域振動幅度較大，通常情況下數據采集分析系統布置在控制室，如果此部分振動幅度較大會影響數據采集系統的性能。可對這一部分結構適當加強。原方案中控制室板架部分只布置有橫向的扶強材，為加強這一部分結構剛度，又在原方案基礎上加了縱向扶強材。原方案橫向箱型梁中布置有加強筋，出于盡量減輕車架重量的考慮，對箱型梁內部加強筋進行優化布置，具體方案見表2。

圖4 控制室區域各階振型

表2 優化方案

圖5為計算結果。控制室底部結構加強以后可以有效降低此部分振動幅度。

圖5 三種設計方案控制室振動頻率對比

表2中序列3為加強筋布置形式圖，計算表明其對車架振動影響不大，但可以降低車架總體質量。

水池軌道被軌座分成若干等長度的軌道梁，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。

假定軌道的波動按軌道墊座劃分，即波長等于軌座間距，當小車按最高速度v前進時，軌座波動的擾動頻率f=v/l。為避免共振，設計過程中應使拖車車架固有頻率避開軌座波動的擾動頻，同時拖車前后輪之間距離值應避開軌道墊座間距的整數倍。

3 結論

1)在保證結構強度的前提下，盡量優化拖車車架結構，促使其重量最輕化;各部分結構應布置合理，緊湊。

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

3)拖車車架、軌道應該作為一個整體綜合考慮布置，盡量避免結構共振。

［1］李百齊，朱德祥，何術龍.中國船舶科學研究中心關于船舶性能新技術的研究進展［J］.中國造船，2006，47(3):1-13.

［2］楊建民，肖龍飛，盛振邦.海洋工程水動力學試驗研究［M］.上海:上海交通大學出版社，2008.

［3］朱德祥，沈泓萃，洪方文，等.船模數值水池框架及其研究基礎［J］.水動力學研究與進展，2008，23(1):24-32.

［4］劉艷蓉.水池試驗拖車的控制系統設計［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.