船模水池拖车系统设计分析

郭 欣，李广年，劳展杰

(1.浙江海洋学院 船舶及海洋工程学院，浙江 舟山316000;2.武汉理工大学 交通学院，武汉430063)

拖车系统、轨道系统和造(消)波系统是水池中最为重要的三大设备系统［1-3］。三大系统相互配合，除了可以满足船舶快速性的实验要求以外，还应兼顾耐波性、操纵性的性能实验需要。水池拖车是进行船舶性能试验的基本设备，其作用是拖曳船模或其它模型在试验水池中作匀速运动，以测量速度稳定后的船舶性能相关参数，达到预报船舶或其它水上或水下运动物体航行性能目的［4］。简单理解的拖车应包括总体结构、电机电控系统、轮系和刹车系统以及测量和观测平台;此外，还应该包括测试仪器仪表、数据采集和处理系统。拖车在满足自身结构强度及承载能力要求的同时，应该尽量轻便，减少自重，以便提高运行速度;同时在结构布置上充分考虑开放性及以后的改装升级，便于与其它测试设备连接，方便试验的开展。

1 设计方案

图1 拖车车架

车架总体结构的机械部分包括拖车车架、中央测桥(包括升降装置)、观察平台、工作平台，见图1。拖车车架呈四方形，分别由左右纵梁，前后横梁组成。前后横梁之间布置有可上下升降的中央侧桥系统。中央侧桥上部布置有小轨道，可实现模型前后移动。在中央侧桥右侧，布置有可以沿轨道左右移动的工作平台。工作平台右侧，紧挨着右纵梁布置有供行走的走道，控制柜布置在右纵梁上部。车架右前部布置有控制室，数据采集系统位于控制室以内。控制室右侧、前侧，以及前后横梁均作为观察平台，四周围设置不锈钢栏杆。拖车采用四轮驱动方式，四台直流电机串联运动。车架采用箱形梁结构形式，横、纵梁采用方型箱梁结构，以受弯为主，截面采用矩形截面局部封闭结构。为保证主横梁的抗扭刚度，在梁端部及沿梁全长设置刚性横隔，其间距约为L/10(L为横梁长度)，为保证梁腹板的局部稳定性，在横隔腹板内侧设置单向横向加筋肋，为减小焊缝，采用弯曲槽钢拼接。车架整体拼装采用螺栓连接方式，采用此结构形式具有安装方便、易调整的优点，主横梁和副纵梁连接面应进行机加工，以保证安装精度。由于主横梁结构主要受轻载荷，其强度计算可略，主要计算其刚度即满足设计要求的主横梁自振频率。

拖曳水池轨道与拖车、造波机、测试设备、供水及水处理设备一样，是实验室的关键设备。水池轨道不是一般的车辆轨道，其精度直接影响试验数据的精确性。为了确保实验数据的高精确和稳定，严格控制轨道的水平度、直线度、平行度、静态和动态挠度。轨道长121 m，分为主轨和副轨，根据水池设计长度分段加工后，现场焊接整轨。焊接后的轨道全长为一根无缝钢轨，用以保证拖车平稳运行。两钢轨之间的距离为6 400 mm，其平行度为±0.60 mm，两轨高程差为0.20 mm，见图2。

图2 拖车轨道系统

为保证轨道的水平度和直线度，沿两侧池壁顶部纵向全长铺设加强角铁，地脚螺栓穿过角铁给地脚螺栓定位和加强，并与地脚螺栓一起浇筑在池壁内。角铁顶面允许有±5.00 mm误差。螺栓头留有调整长度。为保证轨道平直，在轨道下分别设置垫梁和轨座，而垫梁与池壁的连接，又要通过加强角铁，使地脚螺栓定位准确。垫梁铺设在加强角铁上，用垫片将垫梁衬平，并用螺母紧固。在垫梁顶面每隔0.7 m焊接垫板一块，垫板上安装用作精密调节轨道水平度和直线度的轨座，轨座间距为0.7 m。在池壁顶面轨座外侧装有高5 cm×8 cm的轨道水准槽。水池两侧壁之水准槽需连通，并布置有注水和放水口。

2 计算与分析

拖车速度是拖曳水池的重要指标之一，拖车车架应该尽可能地减轻自重以保证其运行速度最大化，同时考虑满足结构强度及减小振动以保证试验安全及测试精度。利用大型通用有限元软件MSC.PATRAN对车架结构建立有限元模型，其中板材采用板单元来模拟，骨材则用偏心梁单元来模拟，共有节点13 364个，板单元13 812个和梁单元366个。模型取右手直角坐标系，拖车行进方向为X方向，拖曳水池宽度方向为Y方向，由拖车底部指向甲板为Z方向。整体模型见图3。

图3 有限元模型

根据拖车实际工作情况，对车架与车轮连接处施加约束，具体约束情况见表1。控制室区域各阶振型见图4。

表1 边界条件表

由图4可见，控制室所在区域振动幅度较大，通常情况下数据采集分析系统布置在控制室，如果此部分振动幅度较大会影响数据采集系统的性能。可对这一部分结构适当加强。原方案中控制室板架部分只布置有横向的扶强材，为加强这一部分结构刚度，又在原方案基础上加了纵向扶强材。原方案横向箱型梁中布置有加强筋，出于尽量减轻车架重量的考虑，对箱型梁内部加强筋进行优化布置，具体方案见表2。

图4 控制室区域各阶振型

表2 优化方案

图5为计算结果。控制室底部结构加强以后可以有效降低此部分振动幅度。

图5 三种设计方案控制室振动频率对比

表2中序列3为加强筋布置形式图，计算表明其对车架振动影响不大，但可以降低车架总体质量。

水池轨道被轨座分成若干等长度的轨道梁，其自振频率ωR和共振速度vR为

式中:l——轨座间距;

E——拉伸弹性模量;

I——惯性矩;

P——载荷。

假定轨道的波动按轨道垫座划分，即波长等于轨座间距，当小车按最高速度v前进时，轨座波动的扰动频率f=v/l。为避免共振，设计过程中应使拖车车架固有频率避开轨座波动的扰动频，同时拖车前后轮之间距离值应避开轨道垫座间距的整数倍。

3 结论

1)在保证结构强度的前提下，尽量优化拖车车架结构，促使其重量最轻化;各部分结构应布置合理，紧凑。

2)轨道布置尽量平整，严格控制轨道的水平度、直线度、平行度、静态和动态挠度，尽最大可能减小因轨道平直度不足引起的振动。

3)拖车车架、轨道应该作为一个整体综合考虑布置，尽量避免结构共振。

［1］李百齐，朱德祥，何术龙.中国船舶科学研究中心关于船舶性能新技术的研究进展［J］.中国造船，2006，47(3):1-13.

［2］杨建民，肖龙飞，盛振邦.海洋工程水动力学试验研究［M］.上海:上海交通大学出版社，2008.

［3］朱德祥，沈泓萃，洪方文，等.船模数值水池框架及其研究基础［J］.水动力学研究与进展，2008，23(1):24-32.

［4］刘艳蓉.水池试验拖车的控制系统设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.