浮体潜体

潜体浮体设计研究报告课程名称：流体力学

院（系）：机电学院

专业：机械工程

班级： 130105

学号： ********/********/******学生姓名：程明/常斌/王浥尘

指导教师：***

2015 年 10 月 26 日

一.设计要求相关

1.在静止平衡的流体中，底部固定一个均质材料构成的箱体。当释放固定装置时，箱体上浮。

设计要求一：上浮到自己指定的位置停止（潜体）；

设计要求二：上浮到静止平衡流体的上表面，形成浮体。

2.设计的附加要求：

不论是潜体，还是浮体，在指定位置，必须指定一个箱体姿态，同时要求，前提姿态不能和固定状态的姿态一样。浮体的姿态必须是稳定的姿态。这个要求要有理论证明（因为没有做出实体，所以采用理论证明你能够达到）

3.箱体内部可以增加内容，增加的内容没有限制，只要求最简单即可；箱体只规定形状，尺寸、壁厚、材料、质量均由设计者设计完成。质量根据选用的材料，查工程手册得到密度即可算出。

4.所选形状：矩形+单边圆弧形

二．具体形状尺寸确定和材料选择

1.选用矩形加半圆弧为底面，拉伸一定长度构成箱体外形(如下图)。

2.确定箱体材料和各项尺寸

取g=10m/s²

尺寸：a=20cm，b=30cm，c=20cm，r=10cm，箱体壁厚均匀厚度t=1cm； (如下图)

3.确定箱体和填充物材料及密度

(1)根据最大浮力F和材料强度确定箱

体的材料为聚丙烯(ρ1=0.9g/cm3);

(2)根据箱体的重力G1=ρ1gV=24.90N

和最大浮力F=151.42N确定填充物的

大致范围；最终选定填充厚度为10cm，

填充材料为：石膏（ρ2 =2.2g/cm3)；

(3)石膏的填充位置（如右图）石膏重

力G2=18×18×10×2.2/100=71.28N.

三．潜体数据

成为潜体时箱体总重力与最大浮力相等即：G1+G2+G3=F=151.42N；

成为潜体时应该注入的水的体积为V=(F-G1-G2) ×1000=5524cm3

即注水深度h=5524/18²=17.1cm≈17cm

（距离填充物上表面）

分布情况如右图

四．确定浮心和重心

1.浮心的确定

(1)因为一物体潜于水中，且假设水为均质，

则浮心位置等于其排开的水的重心位置，求该物体浮心即求同形态体积的水的重心。水的重心一定在下图正视图的中心线l1上，也一定在左视图中心线l2上。

半圆形心和下方矩形形心位置如图所示，A半圆=πr^2/2 A矩形=ac

整体正视图形心 z0=[（πr2/2）×（4r/3π+b）+ab²/2]/ [（πr²/2）+ab]

(2)将a ，b ，c ，r 的值代入后得z 0=18.99cm ≈19cm ；

所以其浮心空间坐标为（10,10,19）。

2.重心的确定

设长方体三维空间长度沿坐标轴数值分别为20,30x y cm z cm ===，壳体厚度

为1t cm =，填充物石膏高度为10d cm =，注水高度为17h cm =，壳体密度为

130.9/g cm ρ=，填充物石膏密度为23

2.2/g cm ρ=，水的密度331.0/g cm ρ=。

(1)空壳体质心计算：

①圆柱体：

外圆柱体质心：

20,,z 10,10,3022

x y y ππ⎛⎫⎛⎫+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 外圆柱体质量：

2

1190022y x g πρπ⎛⎫= ⎪⎝⎭ 内圆柱体质心：

218,,z 10,10,3022

x y y t ππ-⎛⎫⎛⎫+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 内圆柱体质量：

()2

1122656.122y t x t g πρπ-⎛⎫-= ⎪⎝⎭ ②外长方体： 质心：(),,10,10,15222x y z ⎛⎫= ⎪⎝⎭

质量：110800xyz g ρ=

③内长方体： 质心：(),,10,10,15.5222x y z t +⎛⎫= ⎪⎝⎭

质量：()()()1228164.8x t y t z t g ρ---=

④结构重心（质心）：

()()()()()()()()221111*********

102

11222222222221122222222c c c x x cm y y cm y y y t y t z z t x z x t z xyz x t y t z t z y y t x x t xyz x t y t z t πρπρρρπππρπρρρ====--+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫+--++---- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭==-⎛⎫⎛⎫--+---- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

()()

,,10,10,23.96c c c x y z =(2) 加填充物未注水质心计算： ①填充物质心：(),,10,10,6222x y d t ⎛⎫+= ⎪⎝⎭

填充物质量：()()2227128x t y t d g ρ--=

②新的结构质心：

()()()()()(()()()()()221111*********

102

1122222222222211222222222c c c x x cm y y cm y y y t y t z z t x z x t z xyz x t y t z t x t z y y t x x t xyz x t y t z t x t y πρπρρρπππρπρρρ====--+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫+--++----+- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭=-⎛⎫⎛⎫--+----+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

()()()

2215190.276530.611.80243.99763.2

,,10,10,11.80c c c t d cm x y z ρππ-+==+=(3)加填充物注水质心计算： ①水静止时质心：(),,10,10,19.5222x y h t d ⎛⎫++= ⎪⎝⎭

②水的质量：()()3225508x t y t h g ρ--=

③新的结构质心：

()()()()()()()22111122211102

102

11222222222222211222222c c c x x cm y y cm y y y t y t z z t x z x t z xyz x t y t z t x t y t d z y y t x x t x πρπρρρρπππρπρ====--+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛+--++----+-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝=-⎛⎫⎛⎫--+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

()()()()()(()()

112222215190.2183936.614.44243.915271.2

,,10,10,14.44c c c yz x t y t z t x t y t d x cm x y z ρρρππ----+--+-+==+=3.计算结论