推板式造波机的机械结构设计
圆形水池造波机系统设计及聚焦波研究
43科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/ki.1672-3791.2106-5042-4050圆形水池造波机系统设计及聚焦波研究陈俊 王磊 林俊 徐奕蒙 王天奕 郭泽斌 林柏涵(珠江水利委员会珠江水利科学研究院 广东广州 510611)摘 要：该文介绍了国内首个圆形水池造波机平台，该平台为笔者所在研究院自主研发产品，目前在国内拥有技术领先性和唯一性。
该造波机平台整体结构为圆形，采用推板式造波方式，控制系统采用基于EtherCAT总线的多轴运动控制系统。
该水池除了能模拟常规波浪外，还能在圆形水池内模拟出强非线性波与类似字符的波面，生成各种不同全向波浪，相较于传统的矩形波浪水池，其对方向波浪具有优越的适应性，特别是生成三维全向孤立波、聚焦波方面能力突出。
鉴于此，该文给出了基于聚焦波理论的初步研究结果，其成果证明了圆形水池造波机模拟极端海况的能力，可开展深远海海洋技术装备的可靠性与生存性试验。
关键词：圆形水池 造波机 EtherCAT 聚焦波 极端波浪中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1672-3791(2021)06(c)-0043-05Design of Wave Maker System in Circular Tank andResearch on Focused WaveCHEN Jun WANG Lei LIN Jun XU Yimeng WANG Tianyi GUO Zebin LIN Baihan (Pearl River Water Resources Research Institute, Pearl River Water Resources Commission of WaterResources, Guangzhou, Guangdong Province, 510611 China)Abstract: This paper introduces the f irst circular pool wave maker platform in China. The platform is a product independently developed by the author's Research Institute. At present, it has technology leadership and uniqueness in China. The overall structure of the wave maker platform is circular, the push plate wave making mode is adopted, and the control system adopts the multi axis motion control system based on EtherCAT bus. In addition to simulating conventional waves, the tank can also simulate strong nonlinear waves and wave surfaces with similar characters in a circular tank to generate various omni-directional waves. Compared with the traditional rectangular wave tank, it has superior adaptability to directional waves, especially its ability to generate three-dimensional omni-directional solitary waves and focused waves. In view of this, this paper presents the preliminary research results based on the focused wave theory, which proves the ability of the circular pool wave maker to simulate extreme sea conditions and can carry out the reliability and survivability test of far-reaching marine technical equipment.Key Words: Circular tank; Wave maker; EtherCAT; Focused wave; Extreme wave;作者简介：陈俊（1986—），男，硕士，工程师，研究方向为波浪控制系统、潮汐控制系统等水利测控系统。
机械式造波机的机构设计及其运动性能分析
１ 造波机 的机构设 计
１ １ 机构描 述 ．
图 ｌ为机 械式造波机的机构设计情 况。 ０表示 涡轮 电机 的
输出转盘 ，ｃ为造波机 的摇 板 ， 为连接摇板 和 电机 的连杆 ， Ａ Ａ Ａ 两点 为铰接点。 、 电机转动时 ， 将通 过连杆带 动摇 板以点 Ｃ为 转 动点 ， 绕竖直垂线 Ｃ Ｅ作往复摆动 。
（） １
式 中： ａ 表示第 ｎ个余 弦组成波的振幅 ； ｏ ｔ 表示第 ｎ个余 弦组 成波 的频 率 ； 表示第 ｎ个余 弦组成波 的初位相 ， 是一个 均 它
匀分 布于［ ， ｑ］的随机量 。 ０ ２ｒ 研究 波浪问题 ， 如果 进行 现 场测 验 ， 需 要考 虑 天 气 、 则 设 备、 经费 以及人 力等诸 多 因素 ， 限制 多 、 度大 。因此 ， 实验 难 在
２ 造波机摇板运 动规律分析
２ １ 建立等 式 的两 个关 系 ．
２ １ １ Ｘ方 向等 式 ． ．
由 图 １可 知 ：验是研究波浪 的主要方 式 ， 要问题就是 制造 首 出符合条件的波浪 。笔 者 以用于 实验室 波浪 生成 的机械 式造 波机 为例 ， 对其机构设 计及运动性能进行分析 。
维普资讯
第 ５期
叶春生等 ： 机械式造波机 的机构设计及其运动性能分析
・５ ７・
ｚ００ ｒｉ。 ｌｓ ＋０ｎ ＝￣ ＋３ｎ３ ｃ ｓ ／一 ｚ ｆｉ／ ｓ
整 理 得
（） ６
Ａ点与 ０点 的高度应该一致 ， ｒ 为小 量的前提 下 ， 在 ０ 才能保证机 构 的连杆 Ａ Ｂ接近 于水平位 置。 此时摇板将 以射线 为平衡位
关
键
词 ：数值 计算 ；简谐 波浪 ；机构设计 ；机械 式造 波机
推板式造波机的机械结构设计
(3)气压驱动直接使用空气做为工作介质，启动非常快，而且空气介质与大气进行循环非常方便，需要的设备也比较简单。由于空气压缩性比较大，不能保证高精度，也不能承受较大负载，这种驱动只能在较低负载的条件下使用。
1.波浪理论数学模型的选择；
2.现有的造波机通常采用经验设计，设计保守，影响波浪精度，需要进行分析、优化；
3.驱动方式的选择及部件设计；
4.造波系统在水槽中的安装方式选择；
5.各部件之间的连接方式的选择。
1.7
本章通过检索、查阅中外文献，对课题的研究背景进行了初步研究，对于造波机的研究意义、实际价值做了介绍，并且对造波机的发展现状进行了调查。明确了课题研究的主要内容，认识到自己要完成的任务，对任务进行梳理、细化，明确任务的重点、难点，为下一步工作做好铺垫。
(2)推板式造波机：主要原理是通过一定的机械结构使造波板沿着直线导轨进行周期性往复运动，这种周期性往复运动可以推动水体，使水体状态产生变化从而产生波浪。造波板的最大行程和速度决定了波高，造波板的运动频率决定了波浪的周期。
(3)冲箱式造波机：作用部件是具有特殊截面的柱体，工作时造波部件沿着垂直于水面的方向做往复运动从而制造出波浪。造波部件的运动频率决定了波长。
本课题主要就是对造波机的机械结构进行探究，分析当今主流的造波机结构，对重要部件进行设计校核，设计出能够应用在实验室中的造波机。
1.3
为了能更好地研究波浪，国内外的很多专家学者早就开始了对造波机的研究开发工作，目前已经有了多种形式的造波机问世，并被应用于实际中。
推板式造波机的机械结构设计
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·42·2020年第21期文章编号：2095－6835（2020）21－0042－02推板式造波机的机械结构设计张建巧，罗兆伟，孙旋（邢台职业技术学院，河北邢台054000）摘要：推板式造波机的主要原理是，通过一定的机械结构设计，使造波板沿着直线导轨进行周而复始的运动，目的在于推动水体变化，产生波浪。
对推板式造波机的的造波机工作原理、总体机械结构设计、推波板的设计进行了介绍，并进行了推波板的最大行程计算、推波板的最大运动速度计算、造波板承受的最大负载力计算。
对推板式造波机最大功率计算等参数的确认过程展开分析，以供参考。
关键词：推板式造波机；机械结构；推波板最大行程；最大运动速度中图分类号：U676.8文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.21.018造波机作为一种重要的实验室装置，能够根据目标人物生成符合要求的波浪，包含规则波、不规则波、二维波、三维波以及有特殊要求的波，在船舶、港口、海岸及海洋工程等领域占有重要的位置。
1推板式造波机机械机构设计总体方案1.1造波机及推板式造波机生成波浪的原理简述目前，世界范围内对造波机的分类方式拥有多种标准，但业内人士通常根据造波机的驱动方式，将之分为电机驱动、液压驱动、气压驱动共三种类型。
如果按照造波机与水体互相作用的实际情况进行分类，造波机可被分为气压式造波机与机械式造波机两个大类。
一般来说，气压式造波机的工作原理是通过改变空气压力的方式，迫使水体形态发生变化，从而产生波浪。
但此种方式由于空气压缩性变化范围不够稳定，因此生成波浪的精度不足，且无法承受超出一定范围的负载。
因此，只能应用于低负载的实验。
机械式造波机的工作原理为经过系统性、机械性的设计之后，将一部分机械部件设置成“可动”状态之后，通过该类机械部件的运动使水体状态发生变化，进而产生波浪。
推板式造波机的参数计算
推板式造波机的参数计算一、推板式造波机基本参数确定推板式造波机利用电机驱动推波板做活塞运动，进而使水体产生波动。
波高由推波板的行程和速度决定，波长由往复运动的频率决定。
其结构示意图如图示，L为波长，H为波高，h为水深，A为行程的一半。
其中推板式造波机所需提前确定的基础参数有：水池长度：L，最大水深：h，推板的高度：H，推板的宽度：d，推板的厚度：bmax二、推板式造波机参数计算基本流程图中各参数意义：T 为规则波的周期，h 为水深，ｍ为造波机运动结构的质量，ｄ为单元推波板的宽度，L 为波长，k 为波数，Hb 为最大破碎波高，Kn 、Ma 、Da 为中间变量，Smax 为最大行程，Vmax 最大速率，Fmax 为单元最大负载力，Pmax 为单元最大负载功率。
（备注：造波的波周期：考虑到我国沿海海域波浪的平均周期S Ta 0.70.2-=，设模型与原型重力相似，Froude 数相同，取比例因子10=λ，则模型试验拟造波的波周期λTaT =，即取S T 2.2-6.0=）三、推板式造波机参数计算具体步骤（1）、符号的意义h ：水深；T ：波周期；d ：推波板宽；m ：推波板质量；L ：波长；H:行进波的波高S:行推波板运动行程Smax ：推波板最大行程；Vmax ：推波板最大速度；Hmax ：最大波高；k:波数;A:行进波的波高与推波板运动行程s 的比值为A ，其被称为造波机系统的水动力传递函数。
（2）、计算公式给定h 和T1) 计算波长L:L =gT 22π×tanh (kℎ) (1) 式中：k =2πL (2)式中双曲正切函数：tanh (x )=sinh (x)cosh (x)=e x −e −xe x +e −x式中:−1≤tanh (x )≤1 (3)2)计算最大波高Hmax 和水动力函数A:计算由波的破碎决定的最大波高Hmax ：H max =0.142Ltanℎ(kℎ) (4) 计算水动力函数A ：Sinℎ(x )=e x −e −x A =H =4Sinℎ2(kℎ)() (5)3)计算最大行程Smax ：S max =H max A(6)4）计算最大运动速度Vmax ：ω=2πTV max =ωS max 2(7)5）计算单元最大负载力Fmax造波机工作时，推板做来回往复直线运动，其位移、速度、加速度公式如下:位移：x =12S max Sinωt速度：v =12ωS max Cosωt加速度：a =−12ω2S max Sinωt利用势函数理论计算负载力F (t )=(m +2Ma ×d )a +2Da ×d ×v +R f=−12ω2S max Sinωt (m +2Ma ×d )+Da ×d ×ωS max Cosωt +R f =Fa (t )+Fi (t )+Fp (t )+R f（备注：式中m 为造波机运动结构的质量，Ma 、Da 为中间参数，d 为单元推波板的宽度，ω等于2ΠT ，S max 为最大行程，R f 为造波机的摩擦阻力，由于采用伺服电机驱动滚珠丝杠带动推波板的往复直线运动，该摩擦阻力可近似为零。
推板推出机构原理
推板推出机构原理
推板推出机构是一种常见的机械结构，其原理是通过推动推板实现物体的推出。
该机构主要由推板、导向轨道、传动机构和固定支架等部分组成。
在使用时，推板被推动后，通过导向轨道的引导，物体被推出。
推板可以由手动或电动方式驱动，传动机构可以是齿轮、链条等，根据不同的使用场景和要求，可以采用不同的传动方式。
同时，为了保证推板推出的稳定性和精度，固定支架的选择和设计也非常重要。
固定支架应满足机构的负载要求，并且保证机构的固定和稳定性。
推板推出机构广泛应用于各种机械和设备中，如自动售货机、工业生产线等。
其结构简单，操作方便，可以实现高效的物体推出，成为现代化生产中不可缺少的重要机械结构之一。
- 1 -。
一种推板式规则波和不规则波简易造波机[实用新型专利]
![一种推板式规则波和不规则波简易造波机[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f4a1e943d1f34693dbef3e3d.png)
专利名称：一种推板式规则波和不规则波简易造波机
专利类型：实用新型专利
发明人：钟荣华,鲍玉海,贺秀斌,吕发友,李峪,高进长,王铭烽申请号：CN201420850443.5
申请日：20141229
公开号：CN204373881U
公开日：
20150603
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种推板式规则波和不规则波简易造波机，包括造波板，所述造波板是推板式结构，其位置可调的固定于推杆上，可调节造波板的入水深度，所述推杆与滑轮连接，通过滑轮在轨道上的滑动带动造波板做平推运动来造波，所述滑轮通过连杆连接到转轮上，所述转轮与电动机连接，所述电动机上连接有调节其频率的变频器和调节速度的减速器。
本实用新型的有益效果：结构简单、成本低廉、操作简便，可产生规则波和不规则波，适用于各种野外或室内水工试验。
申请人：中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所
地址：610041 四川省成都市武侯区人民南路四段九号
国籍：CN
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推板式造波机的机械结构设计外文翻译
滚珠丝杠进给驱动的建模斯摘要：滚珠丝杠进给驱动是为高速机床提供线性运动最常用的机构，这种驱动系统的位置精度和可实现的闭环带宽通常受限于机械部件的结构振动模式。
更高的订单工厂模型能够更好地了解系统动力学,改进进给驱动的设计过程并且对于先进的控制策略的发展至关重要。
这项工作提出了明确的安排和通用的模型,能够表达滚珠丝杠进给驱动的相关动态。
关键词：机床∙仿真∙滚珠丝杠∙可塑性IntroductionDynamical feed drives commonly used in machine tools and production units represent complex mechanical structures with multiple degrees of freedom (DOF) and various eigenmodes. Numerous scientific works have dealt with the simulation of such drive systems, using Finite-Element-Methods (FEM) and complex modeling techniques in order represent the dynamical behavior as detailed as possible[1-3] . In contrary the approach presented in this paper aims at finding an intuitive and easy to use model, capable of expressing the most relevant characteristics of a ball screw feed drive with respect to their application in machine tools. Generally spoken a ball screw drive can be characterized as a system with three different types of eigenmodes: axial, rotational and flexural modes . Typically the first axial and rotational mode of the ball screw show a dominant influence on the overall dynamics while the relevance of higher order modes for most technical applications is rather small. The excitation of the flexural modes[4] and their effect on the feed motion greatly depend on fabrication and mounting tolerances as well as on the operating conditions of the drive system. Presuming proper mounting and operating conditions, the excitation of the flexural modes are considerably small and therefore will be neglected in the course of this paper. The two dominant vibrational degrees of freedom, namely the axial and rotational mode, are primarily influenced by the geometrical dimensions and the pitch of the ball screw shaft. Depending on the transmission ratio as well as on the operating conditions the system can behave qualitatively and quantitatively very different. In most cases however, the configuration of a feed drive allows for a simple approximation of the systems characteristics. In the following a practical and application-oriented modeling technique for ball screw feed drives will be derived and verified by measurement results.Ball screw feed drives for Machine ToolsFigure 1 shows a typical ball screw assembly with its relevant components. In this case servomotor and bearings are fixed to the machine base and the torque of the servomotor is transmitted through an elastic 介绍在机床和生产单位中常用动力进给驱动代表具有多个自由度（DOF）和各种本征模式的复杂机械结构。
摇板式造波机的研究与设计
摇板式造波机的研究与设计
席伟光;曹少烈
【期刊名称】《武汉交通科技大学学报》
【年(卷),期】1998(022)004
【摘要】论述了摇板式造波机的方案拟定、计算分析及结构设计，为设计实用可靠、价格低廉、性能较高的船舶试验机械提供了经验，亦可供其他用途的造波机参考。
【总页数】3页(P423-425)
【作者】席伟光;曹少烈
【作者单位】武汉交通科技大学基础课部;武汉交通科技大学基础课部
【正文语种】中文
【中图分类】U661.71
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平推式造波板运动的数值模拟
平推式造波板运动的数值模拟
谷汉斌; 陈汉宝; 栾英妮; 刘海源; D.M.Causon
【期刊名称】《《水道港口》》
【年(卷),期】2011(032)004
【摘要】平推式推板造波机是近岸及海洋工程波浪物理模型试验中非常重要的试验设备。
文章通过垂向二维数学模型,利用线性造波理论来模拟造波板运动,分析了造波板前后水体动力过程,以及当造波板后不设消波设施时,造波板至后墙距离对水体动力过程的影响。
该数学模型以包含水气二相流系统的Navier-Stokes方程为基本控制方程,应用粒子Level-Set法追踪自由水面,并应用部分单元法,结合局部相对静止法来模拟造波板的运动。
研究表明借助垂向二维数学模型研究造波机的运动特性是可行的。
【总页数】8页(P244-251)
【作者】谷汉斌; 陈汉宝; 栾英妮; 刘海源; D.M.Causon
【作者单位】曼彻斯特城市大学计算数学与数字技术学院曼彻斯特M15GD 英国; 交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室天津300456
【正文语种】中文
【中图分类】TV139.16; O242.1
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1
1.1
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。世界上很多国家投入越来越多的人力物力对海洋中的资源进行开发，对于海洋工程、船舶工程的研究也越来越多。
1.2
作为产生人工波浪的重要装置，造波机在船舶的设计制造、海洋平台的设计等领域扮演着重要角色。在实验水池制造出各种波形的波浪，对其进行研究得到相关数据，然后根据这些数据深入分析，这样，以后进行工程建设时，就有了可以依靠的理论依据。在建设海港、设计船舶之前，在实验室内进行模拟，得到可靠的实验数据，等实际实施项目时便可以保证工程质量。
关键词：造波机；推板式；滚珠丝杠
Abstract
The 21st century is the century of ocean, many country pay more and more attention to the development of marine resources, as well as the study of marine engineering, marine engineeringallover the world. Usethe wave-making machine to simulate wave experimentin thelaboratory relatively stableconditionis the most effective way to study the marine environment.Analog nature of various waveforms in a laboratory wave pool, and then conduct in-depth analysis of these data and research, can provide a reliable theoretical basis for the construction through. Among the wave simulation device, push-typewave machine is the most mainstream of a current, it plays a very important role in many of the marine engineering laboratory. This paper compares several transmission modes, selected as a ball screw drives, ball screw as gearing, smooth operation, high reliability, is well suited for push plate wave machine. According to design a whole wave-making machine structure, the main components of the check and finite element analysis, the final design of a complete push plate wave machine.
本课题主要就是对造波机的机械结构进行探究，分析当今主流的造波机结构，对重要部件进行设计校核，设计出能够应用在实验室中的造波机。
1.3
为了能更好地研究波浪，国内外的很多专家学者早就开始了对造波机的研究开发工作，目前已经有了多种形式的造波机问世，并被应用于实际中。
最早出现的的造波机使用了曲柄连杆结构，这种造波机结构简单，成本低廉，功能也相对简单，只能造出普通的规则波。随着液压技术的发展，人们开始将液压系统应用于造波机，这样一来，能产生不规则波的造波机出现了。1957年，荷兰瓦格宁根大学设计制造的世界上第一座耐波性水池（图1-1）正式投入使用[3]。美国人在1958年建造的泰勒矩形水池使用了空气式造波机（图1-2），此水池可以对不规则长峰波进行模拟[4]。1957年，英国人设计了使用冲箱式造波机的实验室，能够模拟长峰规则波和不规则波。20世纪80年代开始，用直流伺服电机进行控制的造波系统开始被使用[5]。到了90年代，造波系统中广泛使用交流伺服电机。
图1-1 荷兰瓦格根宁水池
图1-2 空气式造波机图1-3推板式造波机
波浪，是一种非常普遍的自然现象，对航海有着重要的影响，不管是建设海港、制造船舶，或者是进行海洋资源的开发，都要去研究波浪。对于海上波浪的研究，目前主要有三种手段：1.到现场进行实地检测；2.通过理论对波浪研究或者数值模拟；3.在实验室内用人工水槽研究模拟波浪。由于海浪的复杂多变性以及自然界中各种各样的不稳定因素，在实地研究波浪成本非常高，几乎不能实现。运用理论研究对非正弦波进行数值分析时很难实现精确分析[1][2]。综合分析看来，在室内实验室没有干扰的情况下通过造波机产生人工波浪并进行分析是成本最低而且能行得通的研究波浪的方法。
推板式造波机的机械结构设计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ摘要
二十一世纪是海洋的世纪，世界上各个国家越来越重视对海洋资源的开发，对船舶工程、海洋工程的研究也越来越多。在实验室相对稳定的情况下通过造波机对波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋波浪的方法。通过在实验室的水池中模拟自然界中各种波形的波浪，然后对这些数据进行深入分析和研究，可以为工程建设提供可靠的理论依据。在众多的波浪模拟设备中，推板式造波机是当前最主流的一种，在很多的海洋工程实验室中发挥着非常重要的作用。本文通过对几种传动方式的比较，选定了滚珠丝杠作为传动装置，滚珠丝杠作为传动装置，运行平稳，可靠性高，非常适合用于推板式造波机。根据造波要求设计出整体的机械结构，对主要部件进行了校核及有限元分析，最终设计出完整的推板式造波机。