劉 楠，魏仁哲，張 鵬，薛 濤，王收軍

（天津理工大學(xué)a.數(shù)字化制造與流程工業(yè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；b.機(jī)電工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津300384）

造波機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠并帶動(dòng)置于水中的推波板往復(fù)運(yùn)動(dòng)以制造滿足特定需要的波浪，波浪作用于水槽或水池中的海工物理模型以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)際的海面是三維的、復(fù)雜的隨機(jī)過程，其能量不僅分布在一定的頻率范圍內(nèi)，而且分布在相當(dāng)寬的方向范圍內(nèi)[1-2].因此，需要在試驗(yàn)水池中制造出有向波浪以更精確的模擬自然界的海浪，將造波機(jī)大量且連續(xù)的排列成一定形狀，并使各個(gè)造波機(jī)推波板運(yùn)動(dòng)間產(chǎn)生相位差就可生成斜向波和多向波.單排造波機(jī)的推波板在產(chǎn)生斜向波時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出蛇形運(yùn)動(dòng)形態(tài)，因此也可將這種造波機(jī)稱為多向譜造波機(jī)[3].

王收軍等為交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制了33 軸液壓蛇形多向不規(guī)則造波機(jī)[4-5]，但此造波機(jī)造波時(shí)相鄰兩推波板之間存在缺口，且缺口隨相鄰兩推波板前后距離增大而增大，使得產(chǎn)生的波浪不平滑，隨著試驗(yàn)要求不斷提高，已無法滿足需求.針對此問題，提出了一種能生成平滑無缺口波浪的蛇形多向譜造波機(jī)推波板結(jié)構(gòu)，并對推波板的強(qiáng)度和變形量進(jìn)行分析，改進(jìn)了推波板后的支撐結(jié)構(gòu)[6].本文在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了造波機(jī)理論參數(shù)計(jì)算、關(guān)鍵元器件選型和造波能力校核，確保造波機(jī)的能夠滿足設(shè)計(jì)要求，然后采用有限元分析技術(shù)對造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核.

1 參數(shù)計(jì)算

在進(jìn)行造波機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需要先進(jìn)行造波機(jī)理論計(jì)算、關(guān)鍵元器件選型和造波能力校核.

1.1 理論計(jì)算

采用造波機(jī)參數(shù)計(jì)算方法[7-9]，根據(jù)表1 中的造波機(jī)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算造波機(jī)運(yùn)動(dòng)行程、速度、加速、波浪總力、造波功率以及造波需要的最大電機(jī)扭矩.

表1 設(shè)計(jì)要求Tab.1 Design requirements

理論計(jì)算結(jié)果如表2 所示.

表2 理論計(jì)算結(jié)果Tab.2 Theoretical calculation results

1.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

1.2.1 電機(jī)計(jì)算及選型

1）轉(zhuǎn)速的確定.根據(jù)理論計(jì)算的最大速度0.51 m/s，可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速要求如下：

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；vm為最大速度，vm=0.51 m/s；d為為絲杠導(dǎo)程，d=20 mm.

因此，電機(jī)選型時(shí)，應(yīng)選擇電機(jī)最大轉(zhuǎn)速不小于1 530 r/min.

2）扭矩和功率的確定.選擇電機(jī)時(shí)，還需要根據(jù)理論計(jì)算中導(dǎo)程20 mm 時(shí)獲得的最大扭矩為4.17 Nm，以及最大功率465.75 W，綜合確定電機(jī)的型號.

1.2.2 絲杠計(jì)算及選型

1）動(dòng)載荷. 根據(jù)最大波蘭總力F= 946.39 N，且導(dǎo)程需要Ph=20 mm，傳動(dòng)系統(tǒng)壽命Ls=5 000 kg，進(jìn)行絲杠動(dòng)載荷計(jì)算：

式中：fa為精度系數(shù)，取fa= 1；fc為可靠性系數(shù)，取fc=1；fw為負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，取fw=1.2～1.5.

因此，絲杠選型時(shí)，需要選擇載荷大于7 154.26 N.

2）絲杠長度.確定絲杠長度時(shí)，需考慮1.1 理論計(jì)算得到的最大運(yùn)動(dòng)行程、螺母的長度和安全緩沖距離等.

1.2.3 導(dǎo)軌計(jì)算及選型1）最大波浪總力F作用于每個(gè)滑塊的等效載荷F1.

式中，h為水深，h= 0.8；l1為滑塊距離池底的高度，l1=1.49；l2為前后滑塊沿造波方向的距離，l2=0.295.

2）運(yùn)動(dòng)部件重力作用于每個(gè)滑塊的等效載荷F2.因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件的重心大概處于前端兩個(gè)滑塊的正下方，因此前端每個(gè)滑塊的等效載荷為：

式中，m為造波機(jī)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，m=200 kg；

3）單個(gè)滑塊最大等效載荷Fe.

因此，選擇導(dǎo)軌滑塊時(shí)，需要?jiǎng)虞d荷大于2.9 kN，并保留一定的安全余量.

4）導(dǎo)軌的長度.確定導(dǎo)軌長度時(shí)，需考慮1.1 理論計(jì)算得到的最大運(yùn)動(dòng)行程、前后滑塊沿造波方向的距離和安全緩沖距離等.

1.3 造波能力校核

造波能力計(jì)算的計(jì)算條件如表3 所示.

表3 造波能力計(jì)算條件Tab.3 Calculation conditions of wave making capability

計(jì)算結(jié)果如圖1 所示，板前可生0.5 m 波高的周期范圍1.2～5 s，板前最大波高（在1.7 s 處）0.528 m，板前最大周期（5 s）時(shí)的波高0.367 m.

因此，經(jīng)校核，造波能力可滿足設(shè)計(jì)要求.

圖1 造波能力曲線Fig.1 Wave making capacity curve

2 運(yùn)動(dòng)單元有限元分析

本部分對運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench，劃分網(wǎng)格，施加支撐和載荷，進(jìn)行有限元分析，以校核其強(qiáng)度和剛度.

2.1 建模及導(dǎo)入

采用PTC CREO 對寬板進(jìn)行建模，運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體設(shè)計(jì)尺寸如圖3 所示.根據(jù)本設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將推波板簡化為以下形式：將與導(dǎo)軌配合的4 個(gè)滑塊簡化為矩形塊，令矩形塊的端面和絲杠螺母的安裝面設(shè)定為固定支撐，如圖4 所示，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表4 所示.

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入Mechanical Modeler 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分設(shè)置如圖5 所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示.

圖2 運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Moving unit structure

圖3 運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)尺寸Fig.3 Moving unit design size

圖4 添加支撐Fig.4 Add support

表4 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.4 Structural material parameters

圖5 網(wǎng)格劃分設(shè)置界面Fig.5 Mesh setting interface

2.3 加載計(jì)算

根據(jù)理論計(jì)算得到的最大波浪總力946.39 N，使用ANSYS Workbench 中Mechanical Modeler 的“Loads”-“Force”功能為結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，結(jié)果如圖7所示.

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.6 Meshing result

圖7 加載Fig.7 Loading

2.4 分析結(jié)果

按照上述方法選定支承、施加載荷，進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到寬板的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖8所示.

由以上分析結(jié)果可看出，最大應(yīng)力為25.727 MPa，最大變形為0.281 86 mm，強(qiáng)度、剛度皆滿足要求.

圖8 分析結(jié)果Fig.8 Analysis results

3 結(jié) 論

本文首先通過造波機(jī)理論參數(shù)計(jì)算，獲得最大運(yùn)動(dòng)行程、最大速度、最大加速度、最大波浪總力、最大造波功率和最大電機(jī)扭矩.根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵元器件計(jì)算和選型建議.再根據(jù)選型情況進(jìn)行了造波能力校核，確保造波機(jī)的能夠滿足設(shè)計(jì)要求.然后基于PTC CREO 建立了簡化后的運(yùn)動(dòng)單元三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench 的Mechanical Modeler模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分及加載，經(jīng)分析計(jì)算可知，運(yùn)動(dòng)單元的最大應(yīng)力為25.727 MPa，最大變形為0.281 86 mm，強(qiáng)度、剛度皆滿足要求.