造波机-毕业设计开题报告

摇板式造波机液压驱动控制系统设计
开题报告
一、课题来源、目的、意义、国内外基本研究概况
1.1课题来源：
课题为实验室的改造项目，目的是通过本次设计工作，获得必要的理论依据，为以后的工作奠定基础。

1.2 课题目的、意义
在实验水池中实现海上环境的模拟是随着海洋开发工程而兴起的一门试验研究技术，除风、流的模拟之外，波浪的模拟是极为重要的。

波浪对船舶、水利、海工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。

在船舶设计领域，研究船舶在波浪中的航行及运动性能;在码头、堤坝等水利工程中，研究其测试及抗波浪能力;在海上石油开采中，分析海上钻采设备对海浪的抗疲劳性能，以及在休闲娱乐业供游客参与波浪戏水游乐活动等，都需要进行波浪相关的试验。

造波机是一种与船舶试验水池配套的基础设施，它的作用是在船池中激起不同波长和波高的波浪，模拟实际波浪对船舶的影响，以测定各种技术数据，为船舶设计提供依据。

近年来大型水上娱乐场也大量使用造波机造出人工海浪，使内地人们也享受到在大海中游泳的乐趣，因此这又开拓了造波机的新用途。

国内船舶研究单位拥有几十座各种造波装置，海岸工程研究单位拥有一百多座大小不同的造波装置。

为了提高造波精度和模拟不规则波，其中大部分造波机面临改造的任务。

新的研究项目使新的大型造波项目不断出现，其中不乏重金从国外引进。

国内对造波机做过许多的研究，已有相当的水平，积累了相当的经验，但在新技术日新月异的今天，与国外造波水平仍有明显的差距，这种差距主要表现在对造波机的系统控制上。

造波是一门综合科学技术。

它涉及到波浪理论、自动控制理论、海洋学、机械原理、电力电子技术、传感器技术等多种学科。

现在，高新技术的快速发展，为造波技术的进一步提高提供可能。

因此，本文的研究具有十分现实的意义。

1.3国内外研究进展情况
国外很早就以经开始了造波机及造波技术的研究工作。

建于1956年，1957年正式投产的荷兰瓦格宁根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，该水池长100米，宽24.5米，深2.5米。

采用摇板式蛇形造波机，摇板高1.4米，宽0.6米，摇动铰链位于水下1.15米，共有158块摇板，摇板每分钟摆30--60次，产生的波长为1.5-6米。

美国泰勒水池建于1958年，水池为矩形，主尺度为110×73×6米。

造波机采用空气式造波机，其功率指数在最大负荷时为2500马力，造波范围波长为0.92-12.2米，波高为0.01～0.06米，可对长峰不规则波及短峰波进行模拟。

英国哈斯拉水池，建于1957年，1962年正式投产，安装有冲箱式造波机，可造长峰波规则波和不规则波。

美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可造长峰规则波和不规则波。

日本三鹰露天水池，装有摇板式造波机，可造波长为0.7米，最大波高0.4米。

我国从上世纪50年代开始造波水池方面的研究工作，最初是从规则波(正弦波)开始研究。

50年代初，中国第一台规则波造波机研制成功。

70年代，我国造波系统逐渐采用模拟信号装置来控制。

70年代末大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室利用引进的“CROMEMC”微机作为控制机，研制了国内第一台不规则波造波机—调频式造波机，因其机械惯性较大，仅能模拟一些简单的波谱。

80年代初期，我国第一台不规则波造波机安装在南京水利科学研究院水池。

90年代以后，逐渐开始采用计算机控制进行造波研究。

20世纪80年代以后，国际上建造的造波机都向具有生成规则波、二维不规则波和三维不规则波的造波能力方向发展。

二、预计达到的目标、关键理论和技术指标、完成课题的方案及主要措施
2.1.预期目标：
通过认真学习造波理论和造波机的工作原理，在选择其驱动方式为液压驱动的情况下，完成对摇板式造波机控制系统的设计。

理论设计完成后，为得到控制系统的最优化，最大化的提高造波精度，采用工程系统仿真高级建模平台AMESim进行仿真，以便能模拟出在试验中所要求和实际情况最接近的海面波浪。

2.2关键理论与技术指标：
2.2.1造波机的形式
造波机的造波形式多种多样，迄今为止有如下几种:
1.摇板式。

通过机械驱动使摇板绕固定轴摆动，使池中水产生波动。

摇板的摆动幅度控制波高，波长和周期则由摆动频率来确定。

2.活塞式。

活塞式又称为推板式。

通过连杆驱动设在水槽中一端的活塞进行往复运动，使池中水产生波动。

波高取决于活塞的冲程，波长则取决于往复的频率。

3.冲箱式。

造波部件为断面呈特殊形状的箱体。

通过该部件沿垂直水面方向作往复运动达到造波的目的。

4.转筒式。

转筒式则是通过设置在水面的圆柱体绕偏心轴旋转使水产生波动。

5.气压式。

气压式是利用气压的变化来产生水面波动。

如负压提升法，也可以是通过鼓风机产生的高压气体作为扰动源，通过改变气压的大小改变波高，气量的大小改变波长。

目前摇板式造波机和推板式造波机为应用最为广泛，因为这两者具有结构简单、控制方便、便于维护的特点。

摇板式造波机一般应用于深水域造波，而推板式造波机一般运用于浅水域造波。

造波机的种类繁多，但由于摇板式造波系统具有质量小，结构简单，便于实时控制等优点，特别适合在深水中造波。

因此，此系统中，我们就采用结构简单、能产生各种浪谱、性能优越的摇板式造波
2.2.2摇板造波理论：
目前常用的波浪理论是微幅理论和有限振幅斯托克斯波理论，由它们推出的深水波理论、中等水深波理论、浅水波理论则是相关的造波特性研究的理论基础，在这些基础上才能了解各种水深条件下的波浪特性和差异，了解不同水深条件下的波浪特性和差异，了解不同水深情况下造波的难易，以及掌握造波性能标准的尺度。

而摇板造波理论则是建立在微幅波理论的基础上，是微幅波理论在实际方面的一个应用。

图1.摇板式造波机及其参数示意图
图1为摇板造波的参数示意图。

设水深为h ；造波板水面下垂直深度为l;水面处摇幅为E;造波板以振幅A 来运动产生波浪;设波浪高度为h ；波长为λ，周期为T 。

波浪传播方向设为正，x 轴与水池底部平面重合，y 轴与造波板的处在垂直位置时重合，且方向向上。

摇板上不同水深处摇板的摇幅e ，是y 的函数。

从微幅波理论出发，可推导摇板造波的理论公式：
0000000002()[()()(())],[()()]
sh k h k lsh k h ch k h ch k h l A M E M k l k h sh k h ch k h -+-=•=+这就是波高和冲程的关系。

2.2.3造波机驱动方式
一般造波机的驱动方式有三种:电机驱动、气压驱动和液压驱动。

它们各有优缺点，且适用范围不同。

☆电机驱动。

其优点是:体积小，电机启动容易，控制性能好，快速响应能力强且无污染;其缺点是:力矩输出较小，负载能力较弱，如果要过得很大得输出功率，电机得质量和体积都会很大。

电机驱动和其它形式相比，在高速、高精度、小型节能方面更能满足要求，因而在轻载情况下，国内外采用电机驱动的系统比较多。

☆气压驱动。

气动系统以空气为介质，相应速度快，且空气可直接从大气中获得，又可排放到大气中，不需要回流系统，与液压系统相比，气动系统构成简单、价格便宜，但工作压力低，因而承受能力低，定位刚度也低。

工作载荷在几百牛顿时，启动系统比较有效。

液压驱动。

液压传动虽然油液易泄漏，但输出力矩大，负载能力强，一个体积与能搬送14～23kg载荷低气动或电动系统相当低液压系统，就可搬送130～140kg的负载，而且还有电动系统相当低精度和响应速度。

另一方面，液压系统的油液能起到对运动部件润滑的作用，并通过油液低流动把热量带走，实现系统低自冷却，以延长元件和系统的使用寿命。

采用液压驱动机构还可以得到很大的速度范围，其低速特性比电动机要好，当液压执行器泄漏较小时，液压弹簧刚度大，因而闭环系统的定位刚度较大，位置误差比较小。

另外，利用液压系统的集成回路可以把液压系统设计得相当紧凑，减少系统所占空间。

国内使用的造波机，其动力是电动机，由于电动机有启动过程，产生一个消波器很难消除的波长，叠加在要求试验的波浪中，为改善规则波质量，采用零点启动装置是一个办法。

其他如使曲柄连杆机构之比大于8，可保证其动点接近正弦运动，但是最终解决办法还是采用液压驱动装置比较理想。

2.2.4 设计内容
三、课题研究进展计划
四、主要参考文献。