（机械电子工程专业论文）港口工程物模试验用造波系统的参数计算及软件设计.pdf

摘要 造波是港口及海岸工程学科中一项重要的物理模拟实验技术，造波机作为港口物理 模拟试验中的一种重要的科学实验设备，在船舶、港口、海岸工程和海洋工程等领域的 工程实验研究中占有十分重要的地位。造波机的研究及其应用在科学技术飞速发展的现 代经历了一个由简入繁，由粗到细，由单一到综合的发展过程。随着造波机制造技术的 不断发展，造波系统的各参数的算法也在不断地发展变化。国内外很多学者针对不同情 况下的造波系统都有了比较深刻的研究与探索。 本文根据港口工程试验的要求对推板式造波系统进行了简要的分析与讨论，对推板 式造波机的设计参数与性能参数的计算方法做了详细的推导与说明；根据造波机系统参 数计算方法的结果，运用v c + + 进行编程，制作出一个比较完整的造波机系统参数的计算 系统。此系统的主要目的是为了简化造波机用户与设计者的计算过程，提高工作效率。 此类系统在国内还属首创。 系统有以下几个特点，一、功能全面，可以对各种运算的结果和作出的图表进行保 存和打印；二、操作简便，系统没有复杂的操作，只需输入要求的原始数据便可一次性 计算出所有需要的造波机系统参数。三、界面简单干净明了，系统没有复杂的按钮，只 需按照顺序点击界面提示就可得出结果。 关键词：推板式造波机，参数计算，m f c ，软件 a b s t r a c t w a v em a k i n gi sak e yt e c h n o l o g yo fp h y s i c a le m u l a t i o nf o rp o r ta n dc o a s t a le n g i n e e r i n g s of a rw a v em a k e rh a sb e e nh a sb e e na ni m p o r t a n te x p e r i m e n t a ld e v i c ew h i c hh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ef i e l do fs h i p b u i l d i n g , p o r te n g i n e e r i n g , c o a s t a le n g i n e e r i n ga n dm a r i n e e n g i n e e r i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to fw a v e m a k e rg o n et h r o u g has e r i e so f p r o c e s s e sf r o ms i m p l e t oc o m p l e x ，f r o mr o u g ht op r e c i o u sa n d f r o ms i n g l et oc o m p r e h e n s i v e c a l c u l a t i n gt h ek e y p a r a m e t e ro fw a v em a k e rh a su n d e r g o n ea r a p i dd e v e l o p m e n tw i t ht h et e c h n i c a lp r o g r e s so fi t sm a n u f a c t u r i n g v a r i o u sk i n d so fw a v e s y s t e mh a sb e e ns t u d i e da n de x p l o r e df o rd i f f e r e n ts i t u a t i o n sb ym a n ys c h o l a r sa th o m ea n d a b r o a d a c c o r d i n gt o t h et e s t i n gr e q u i r e m e n t so fp o r te n g i n e e r i n g , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n d d i s c u s s e st h ep u s h - b o a r dw a v em a k e rs y s t e m ，a n dg i v e sa l g o r i t h md e r i v a t i o na n di l l u s t r a t ef o r d e s i g na n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc a l c u l a t i o n , a c o m p l e t es y s t e mf o rc a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e ro fw a v em a k e rw a sd e s i g n e db yu s i n gv c + + t h i ss y s t e mc o u l ds i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o np r o c e s sf o ru s e ra n dd e s i g n e r , w h i c hi m p r o v e w o r k i n ge f f i c i e n c y t h i ss y s t e ms t i l lb e l o n g st oi n i t i a t ea th o m e t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ：1 f u n c t i o nc o m p r e h e n s i v e i n c l u d es a v i n g a n dp r i n t i n gt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sa n dd i a g r a m s 2 e a s yt oo p e r a t e ，n oc o m p l i c a t e d c o n t r o l s ，j u s te n t e rt h er a wd a t ar e q u i r e d ，w ec a no n e - o f fa c q u i r ea l lt h es y s t e mp a r a m e t e r s 3 s i m p l ei n t e r f a c e ，a c c o r d i n gt oah a n d f u lo fp r o m p t s ，t h er e s u l t sc a nb ea c q u i r e dw i t h o u t a b u n d a n tb u t t o n k e yw o r d s ：p u s h b o a r dw a v em a k e r p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n , m f c ，s o f t w a r e 第一章绪论 1 1 造波机的作用 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展，纵观全球，许多国家都把强化科技创新作为国家的发展 战略，把科技投资作为战略性投资，大幅度增加科技投入，并超前部署和发展前沿技术 及战略产业，实施重大科技计划，着力增强国家创新能力和国际竞争力。根据国家中 长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - - 2 0 2 0 年) ，为了缩小我国交通领域核心技术水平 与世界先进水平存在的较大差距，提出“围绕国家重大交通基础设施建设，突破建设和 养护关键技术，提高建设质量，降低全寿命成本”的发展思路，在这些领域提出的优先 主题就是“重点研究开发轨道交通、跨海湾通道、离岸深水港、大型航空港、大型桥梁 和隧道、综合立体交通枢纽、深海油气管线等高难度交通运输基础设施建设和养护关键 技术及装备。一 为了充分利用水资源来优化全人类的生存环境，对江河湖海等自然环境下水体的运 动规律的研究就显得尤为重要，这已经成为各国水工学者与专家们钻研的热门课题，更 已成为全世界所共同追求的目标。船舶、港口和海岸建筑时时刻刻受到海洋中波浪的冲 击力，所以波浪是最普遍的自然现象，而且波浪也是使海洋中泥沙随海水流动的原因之 一。海浪自身对海洋建筑的作用的研究一般情况下可分为以下三种方法：第一种是在水 工现场进行实际的实验测量取得水体运动数据：第二种是建设水工研究实验室，在实验 水槽或水池内建造同比例港口等海洋建筑的模型以进行物理模拟实验；第三种是深入研 究相关波浪理论。由于水工现场的自然环境一般都是比较复杂的，水体的运动形式也会 由自然环境的影响而不断变化，因此水工现场试验要耗费大量的人力和物力，而导致研 究成本过高；现在关于海浪相关的理论研究也受到很多限制，特别是在不规则波的研究， 很多问题仍然要依赖研究它的物理模型。所以，在实验室里利用造波机模拟自然环境下 的波浪，并且获得实验数据，以这种方式来研究波浪的作用，是十分实际有效的方法。 造波技术是一项重要的试验技术，造波机成为一种重要的实验装置，是与港口工程 物模实验相配套的大型试验设备，在港口与海岸的建设以及船舶制造中都有非常重要的 作用，其主要作用是在实验室中建设水槽或模拟港池，在其中进行水体状态变化实验并 对数据进行采集、分析来研究港口、海岸、堤坝以及船舶对波浪的承受能力。除此以外， 此类实验设备还可以对河道、港口、海岸底部物质的运动情况进行实验和研究。所以说 在建设港口、海岸、堤坝和船舶制造之前需要对所有的数据有个初步的了解与掌握，这 对工程的设计和生产都有极为重要的帮助。 第一章绪论 1 2 国内外造波机技术发展历程 早在1 9 5 5 年造波技术已经在国外开始被一些专家学者们进行研究，1 9 5 7 年荷兰瓦 格宁根水池正式投入使用，在造波机研究历史更是在世界上都是最早的一座耐波性水 池。1 9 5 8 年在美国建立了泰勒矩形水池，该水池的造波机使用的是空气式造波机，可以 对长峰不规则波和短峰波进行模拟。1 9 5 7 年英国建立了哈斯拉水池，该水池使用的是冲 箱式造波机，可以对长峰规则波和不规则波进行模拟。美国使用冲箱式造波机技术并针 对长峰规则波与不规则波理论建立了斯帝文森水池。日本三鹰露天水池，使用的是摇板 式造波机。 八十年代中期开始，英国和日本就已有了用电机控制的造波系统，当时使用的是直 流伺服电机。从1 9 9 2 年才开始使用交流伺服电机。2 0 0 0 年荷兰d e l f t 水工试验室和力 士乐公司合作为我国7 0 2 所0 5 水池提供的不规则波造波机系统方案中，采用的是交流 伺服电机。 表1 1 国外港池造波机情况 荧嘲英i 圊澳人捌妲肘崖棚钲人荷：l i 本水产i ： 0 m g - h ra u t o , d i m d h l 2 c m a d i - , d e h _学研究所。 s h w - h m s f o i dm a c i t i m eh ，击_ l i e s u _ i v n i l yh y o l b 恤皿i 。 c e n t i t r e - a , d u c e l l b t 水池状况 4 8 缸2 6 ，7 ，x 2 ，x 0 13 5 x 1 2 x 1 o4 0 x 4 0 x 2 6 x 3 6 x 2 8 4 0 x 4 06 0 x 2 s x 2 it 7 56 3 x 1 4 2 ti t 7 5x j 2 1 5 2 x i ，。 i 2 7 j x l 工，订 4 7 x 3 0 n 8 2 逸渡机馅活塞式液 k洒摩代活缀2 6 佃窆漉佃瞰电 税电动马达电机冁动式； 机 舛蚰o 6 唧 选波板2 9 块推6 4 块推板1 6 块推板。 5 5 x 块椎扳8 0 块推 扳z 岫o 竹l板 岛lm 块 s ，l 推板1 0 3 4 - l 1 径 产生波浪水墁刚渡，妖峰坡不规魁浚，币规划夺规喇渡不规则波 类型鬈囱海罐短蟪波波多向渡 波j 窿周期0 5 - 1 0 1n 6 - - 3 ，10 4 5 - - $ so 4 妇 范嘲 最大逢波 o 矗t ：n 2 啊 t 2 8 mo 细( i j ) 0 3 f ) o 4 。 能力o 6 t o 3 5 m i n 2 ( i 0 3 0 1 ) o 7 h f r j 采用消渡上动潲渡土动消被动消渡土动漶被动消波 彤五 波。o f ，时波 冲榭2 1n 6 口4 o 6 2 第一章绪论 在国内，早期的造波机基本上都是从国外购置。从7 0 年代开始，国内开始造波机 的研制工作，早期的造波机只能分级产生规则波，比较简陋。我国于八十年代引进的第 一台不规则造波机安装在南京水利科学研究院水池n 1 。到了8 0 年代末，就已经有了用于 造波机系统的系统软件和应用软件借助于小型电子计算机对造波机进行控制乜1 。1 9 9 3 年，交通部天津水运工程科学研究所和天津理工大学合作，研制成功我国第一台液压伺 服系统驱动的不规则波造波机此后，造波技术发展十分迅速，9 0 年代以后，国内还是 国外已完全采用计算机进行造波控制。计算机控制运用到造波机系统，使为造波技术和 对波形的控制进入到了一个新的研究领域。运用计算机进行自动控制，不仅能方便地造 出各种规则波，不规则波，而且可以实现对反射波的主动吸收，对造波机所造波的精度 控制也提高到了一个新的高度。2 0 0 5 年天津港湾工程研究所建成了我国第一坐具有吸收 二次反射波功能的造波机实验水槽，并从r 本引进了配套的造波机。该造波机可以模拟 规则波和五种不同谱型的不规则波、双峰波和任意波，可以模拟斯托克斯波、椭圆余波、 孤立波、过渡波等特殊形式的非线性波，可以模拟天然波列和波群，并采用了三点法和 五点法入反射分离技术。2 0 0 6 年，交通部天津水运工程科学研究所和天津理工大学合作， 开发研制成功了吸收式交流伺服电机驱动的不规则波造波机。 表1 2 国内港池造波机情况 水池或水憎 谴搜机泊竣叠 序号簟位名靠 类别主尺度米矧捃椽尺寸米遣渡况泊被矗谤渡效果 o 1 2 0 1 32长边2 s 1 2 叼2 短边长规胜及不规则波两列帐奠被正 i 匍啊就宅并水池薯攮多式水泥斜囊矗好 水滞1o - 2 022 5 1 2 髭o 3变的短峨渡 2加明獭水池t 舢s 晓s冲籍2 锄枷t规臌畦囊钢愣叠斜较舸 3 上簿船研所水池 1 9 2 i l o i i s 譬较g9 睨撕3莨造不规刖竣斜蕞盔 上海船研所水池6 睨冲箱规曼陂稠坡墨良好 s 上海变通大学水池 i i o 嵋1 35冲籍可遗不规则渡垃藿竣抛物线形耕麓量好 t 佗研究所水池 5 缸q l “ 空气式不规曼媛过疆渡艨冲竣联形矗好 华中工学魄水池t 巧培“六分段冲格式6 的9 町可遣不规删捩埴峰竣术墨 i o奠空 睁e 暗所水池5 l 懈铺o空气式6 2 il it圈弧隔叠姘 l l南京水科院水池呻9 0叠授6 i o规嫩 1 2膏京水科雕水池s i t i 笃薹授l t 13 s黼授搜瞢遣不规臌直立同瞎式较好 可摘除9 5 t 以 1 3豪水辩陵水糟位1 静1 8话耋1 i 0翻报不臻剐竣爰产生露求和汝水渡曩斜较 上的反射渡 可消除9 5 似 i 膏豪水辩茂水憎o i o 酗3 0叠艇2 氍一i o在巍臌面上吹风，i 成风漫块石稿麓 上的反射搜 量尼式撺洼水 l 弼冉失事水池3 0 n o el i t n a k , 汝撇溃潮台麓竹技斜麓尚可 全麓丑 量吊式彝凌水 t s 海夫事水池 雹- f 翻o 日双檀木t肆石仃撞辩麓较孵 全誊量 最动式露浊水 i t砑海戈掌水槽o i s 1 ，i s $ 1 s舞水浅水嗣k 厦疆碎石仃技斜t较好 全能型 彗板活塞双动 1 6玛淘文掌水悖咖s 柚t sn s $ 1 o褥出蛔寞馘同墟碎石仃技斜箕较蚌 式 双动深援水垒 1 9 w j ：炼l e水糟 伽s l3os 1 3 曩奠腔椿度在l 一冉 肆右竹技斜壤较好 垃 第一章绪论 表1 2 续 悬吊式彝没水 2 0 码海文学水憎 1 6 酗0 3 * 0 t s03 1 o 规划渡穑度臣i m i 内不固定 全话量 颓动螺浅水全 2 1 湾海大掌术糟 1 6 啪枷r 50 1 0 擐赡漩稽脏l 一内不匝定 麓塑 2 2湾海大学水糟e 讲2 l l0悬吊式推授碎石刺驻更好 可达到删 2 3弼l 文学 水池 z 和聃1 d 曼挂摇霆式 = 踟9 嵋调撰筒易不规囊漩，规则波碎石斜敏 上 可达到9 吣以 2 夭i l 大学 水擅 3 啪枷8是挂擂攉式o 蝴8规是敲并可双加疆碎石科壤 上 可达萋怕。似 2 5 天凌大掌水憎 3 0 * l i 3 悬挂箍霆式 i2 10 袈触竣并可敢加疆碎石斜坡 上 2 交通每天津科研所 水池 8 口“l 1 舡12 不固定 2 t 交通每天渔科研所：水p i i1 0 t i 0 1 15霆式10 i5碎石良好 2 8交道骶注科研所水憎t l 蛇s lo薹扳25 13竹帚良好 2 交遁部天泣科研所水糟5 6 lo 1 0攫式10 1 3碎石斜较良好 覆拉竣落及天然搜刊，竣群，= 阶长对前方渡演 3 0一麓局科研所水池4 $ * , 1 2 9 1 0活塞2 t 5 2 5 1 o斜坡 竣无影响 适用于设计 3 1 航局科研所水池 9 12 和i 】l i 8 霆式 1 8 频诺梗担魇塑破列梗擐抛物缓星 标准水位 3 2 一靛局辎研所永暗 3 7 柙5 1 1o 矗援规臌碎石科较良好 3 3航局科研所水糟7 0 12 1s量霆盂规免媛满渡石被莨好 犬连理工大学海洋 3 4 水池 4 0 耐2 4 0 8 鲁艇扳宽叫t 锯块不规冀破碎石谤雠较好 工程研究所 大连理工文字海洋 3 s水池3 t 聃1 0 薹短 8 l3 不撬埘竣 啐石竹椭斜坡辫 工程研究所 大连理工丈掌海洋 筠 水倍 抑1 1 3 曩式1 0 1 0碎石捕钯竣较好 工程研究所 大连理工，学海洋 3 水憎1 5 07 5 10骷式长0 7 2 劫5 直立端莨尼龙同 较芏 工程研宄所 大连理工掌海洋薹霆活塞混台 3 8 水憎 晴口z 102 10 覆拟渡诺还可逋淹般糟石斜骏较好 工程研充所式 哈尔渡船舶工程学 水池 2 澉5 蛇0 活塞长i5规曩敞物垅越饼 院 1 3 我国造波机的设计中存在的问题 我国从7 0 年代开始了造波机的研究和开发，从最初的规则波模拟开始，陆续地出 现了不少的造波水池和水槽。这些水池和水槽的尺度和形式很少雷同，他们都是根据各 自不同要求进行设计和制造的。有些单位从美国、日本和丹麦等国家引进了造波设备和 系统软件，具有比较先进的造波技术，可供我们借鉴。 从目前的情况来看，在发展造波技术方面我国的优势是：一、造波水池和水槽多， 除了上图中所罗列的水池和水槽外，尚有一些正在建设的水池、水槽未包括在内，并且 有些专业实验室也在兴建中，这都是我国发展波浪模拟技术的基础。二、我们有着庞大 专业的团队，分别为造船和港工两个系统的专业人员。我国的造波技术一定会有更快的 发展。三、我国从7 0 年代开始，在造波设备的设计与制造，造波系统的控制，数据采 集和处理等方面，已经积累了比较丰富的经验，这为我国以后更快的发展造波技术奠定 了坚实的基础。 但是，在造波技术方面我们和国外相比仍然存在着一定的差距，这不仅是在设备系 统上，而且也表现在造波原理的研究方面。目前在不规则波模拟原理方面，我们仍掌握 的不很透彻我们主要是依据以前的造波经验和从国外引进的一些先进的造波技术，没 有能够深入的展开研究工作，对造波机的制造与设计都比较盲目，造波系统设计比较单 一，难以适应多种形式、多种参数、多种规格造波机设计和制造的需要同时造波机系 统的检测技术相对落后，难以确保模拟波浪的真实性、稳定性和重复性，从而很难提高 第一章绪论 造波质量。 1 4 本论文的主要研究内容 在造波机系统的研究中，需要了解造波机制造出的波浪的各种相关参数，在已知的 要求和条件下要推起一定高度的波浪需要推波板有多大的行程、多大的推力、多大的速 度、造波机需要多大的输出功率才能推动推波板按控制信号进行运动，这些都是在设计 和制造造波机之前需要了解和掌握的性能参数。这样可以让设计者与制造人员在设计与 施工中有数据可依，大大简化设计前期的工作量和针对性，在产品交与造波机的使用者 时，也可以给出一套造波机的性能参数，使造波机的使用者了解所使用的这台造波机在 什么情况下才能造出理想的波形与波高，并且也可以让使用者清楚这台造波机最大能力 是多大，即造波机能造出的最大波高是多少。让造波机的使用者对于造波机的造波性能 一目了然，更使造波机设计者与制造厂商在同行业中具有更强的竞争力。 因此，很有必要设计一套用于造波机参数的计算系统，以方便设计者和制造厂商。 该系统主要依靠于各性能参数的计算方法，算法越简单，系统的计算速度就会越快；数 据算法越完整，系统也就可以得出更详细、更精确、且能满足各种不同条件下的数据结 果。所以在系统的设计中，各个参数的计算方法尤为重要。 因此，本文主要研究包括： 1 ) 造波机性能和设计参数的计算方法研究； 2 ) 造波机性能和设计参数计算的软件设计 第二章造波机简述 第二章造波机简述 在自然环境下波浪的状态是复杂多变的，通过国内外学者的潜心研究，造波机在模 拟天然波浪的技术在不断地改进和提高。起初，波浪模拟技术是用规则长峰波来表示波 浪，后来，不规则波造波理论的研究和应用使波浪模拟技术进入了新的阶段。 2 1 造波机的分类 在现今国内外学者对造波技术以及造波机的研究成果中最常使用三种造波驱动方 式：电机驱动、气压驱动和液压驱动。因为他们各自的性能不同，所以各种不同的驱动 方式适用范围不同。 ( 1 ) 电机驱动：体积小，易启动，易控制，响应速度快并且无污染，这是此类造波 机的优点：缺点是带动负载能力差且输出力矩小，如果要满足输出的要求想得到较大的 输出功率，电动机则需要有很大的体积与质量。电机驱动和其它形式相比，主要是在高 速度、高精度、体积小、节能等方面满足要求，所以在负载较小的情况下，国内外多选 用电机驱动。目前随着交流伺服技术的发展，采用电机驱动已成为主流。 ( 2 ) 气压驱动：是以空气为介质，其优点是响应速度快，而且空气比较容易获得， 并可与大气进行气体循环，对设备进行了一定的简化，与液压驱动相比，气动系统结构 简单、价格便宜。但因为系统带动负载能力较差，所以承受能力较低，定位精度也低。 在低负载的情况下，气压驱动系统比较有效。 ( 3 ) 液压驱动：系统输出力矩大，有能带动较大负载的能力，并且系统的精度高， 响应速度快。液压驱动系统的油液能对运动部件起到润滑的作用，并通过油液对系统进 行冷却，可以延长设备元件和系统的使用寿命。采用液压驱动可以使系统在不同的速度 下进行运动，由其在运动速度较低时其运动特性要比电动机驱动好。同时利用液压系统 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。但是液压系统容易产 生污染，并且系统效率较低，这大大影响了其应用。 就与水体相作用的情况看，目前我们最为常用的造波方式有两种：气压式和机械式。 气压式造波机是通过改变空气压力来对水体施加干扰，改变水体状态使之产生波浪。机 械式造波机是利用机械运动部件对水的作用来改变水体状态产生波浪。机械式又可以分 成摇板式、推板式、冲箱式和转筒式四种。目前在港口物理模拟实验中也以机械式造波 机为主，它是现今模拟实验中主要的造波方式陆儿们口1 。 ( 1 ) 摇板式造波机：通过机械或者电机驱动使机械运动部件绕固定轴前后摆动，使 水体状态产生变化。波高由机械运动部件的摆动幅度来控制，波长和周期由机械运动部 件的摆动频率确定 ( 2 ) 推板式造波机：通过机械或者电机驱动使丝杠转动，用丝杠螺母副把丝杠的径 第二章造波机简述 向运动转化为机械运动部件在导轨上的直线运动，丝杠的转动方向周期性的改变使机械 运动部件也以相同的周期往复运动推动水体使水体状态产生变化。波高取决于机械运动 部件的冲程和运动速度，周期取决于机械运动部件往复运动的频率。 ( 3 ) 冲箱式造波机：它的造波部件为一断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂直 水面方向做往复运动达到造波的目的。波长由冲箱上下振动的周期决定。 ( 4 ) 空气式造波机：空气式造波机的造波原理是依靠附加在钟罩所限制的水域上， 并随时间的变化使空气压力做周期性变化来使水体状态产生变化。这种造波机备一般配 备有鼓风机做气源，通过管道与钟罩相连接。用配气阀门实现对钟罩内部空气压力的周 期性变化，因此周期与阀门摇动的周期相等，波长与阀门的工作周期和水深相关。 各种机械造波方式如图2 - 1 至图2 - 4 表示出来。由于推板式造波机的实际应用最为 广泛，因此本文将主要介绍推板式造波机的计算系统，所以后面将主要介绍推板式造波 机系统。 l 一 l l 一一i 1 l i l l 1 图2 1 摇板式造波机示工作意图图2 2 推板式造波机工作示意图 图2 3 冲箱式造波机工作示意图图2 4 气压式造波机工作示意图 2 2 推板式造波机系统构成和工作原理 造波机系统主要由三部分组成：机械装置、驱动装置和控制系统 第二章造波机简述 图2 5 推板式造波机机械结构示意图 机械装置主要是由推波板及其框架、推波板连接架、机体、支撑横梁、防尘盖等， 这些都是造波机系统的金属结构件组成的。其框架结构、尺寸大小和材料的选择都是依 靠波浪理论和要实现波浪的技术指标来设计的。波浪的产生主要是靠推波板往复运动来 实现，波长和波高的大小都是由于水深和推波板前后运动的频率决定的。在造波机工作 中会出现三种不同的力，它们分别是标准波压力、局部扰动惯性波压力和造波机推板自 身的惯性力，其中造波机推板自身的惯性力对造波系统起的作用是负面的，也就是对造 波系统有害，所以应在工程应用允许的情况下尽量减少造波机推板自身的惯性力。由于 水深和造波机运动参数由试验项目决定，所以只有降低运动部件的质量和转动惯量才能 尽可能的减少推板自身的惯性力协m 9 1 。 驱动装置主要由伺服电机、滚珠丝杠副和直线运动单元组成。滚珠丝杠副的特点可 用传动效率高、运动平稳、精度高、耐用性高、同步性能好、可靠性高来描述。直线运 动单元由推臂、直线滚动导轨、滑板、支撑轴承等构成。直线运动单元的直线往复运动 是由伺服电机直接驱动滚珠丝杠旋转，经丝杠的转动带动丝杠螺母副左右运动来实现 直线运动，丝杠螺母副连接滑块，带动滑块连接的推波板前后运动。直线运动单元的运 动速度完全是由电机决定的，而直线运动单元的运动幅度决定了丝杠尺寸或直线导轨尺 寸川。 图2 6 造波机驱动装置示意图 对造波机运动的控制，实际上是通过对伺服电机的控制来实现的。采用工控机作为 主控机，根据所设置的造波机的时间序列控制信号，通过d a 转换模块将数字控制信号转 第二章造波机简述 换成模拟电压信号输出给伺服电动机，控制伺服电机的转速和转向，实现造波机推波板 的运动。造波控制过程中，其它辅助控制电路的反馈信号经控制采集卡将信号返回到主 控机中，以实现对造波机所造出波浪信息的反馈。通过目标数据和反馈信号的对比对造 波机输出信号进行修正，从而达到对造波机的智能化控制n 图2 7 造波机控制系统流程图 图2 7 为整个造波机的控制系统，首先由工控机把所设置的造波信号通过d 转换 器输入到伺服驱动器中，电压通过变压器、空气开关、电抗器、滤波器给伺服驱动器提 供能量，由伺服驱动器驱动伺服电机使滚珠丝杠副转动，从而驱动直线运动单元带动推 波板进行往复运动，推动有水区域生成波形。伺服驱动器中所发出的信号通过编码器会 反馈到控制采集卡中。同时，在直线运动单元或推波板上设置了位移传感器在水池中 也会有波高传感器，通过反馈的形式使人能了解到造波机的工作状态并能及时修正造波 机的运动状态，使之能在安全运行的情况下造出理想的波形n 州1 3 ，。 第二章造波机简述 2 3 本章小结 本章简单介绍了各种类型的造波机和造波方式，针对推板式造波机的工作原理、控 制系统、驱动系统、机械结构、运动和反馈过程进行了比较详细的说明。 第三章造波机系统参数的计算方法 第三章造波机系统参数的计算方法 从目前有关港口工程方面的实验情况看，现在所使用的造波机造波能力的计算公 式，应是基于深水情况下的线性造波理论，只适用于规则波。也就是说，使用港v 1 2 1 2 程 试验用造波机系统所造波形应属于线性规则波形，不过，不规则波的模拟，实际上采用 的是用不同周期下不同的规则波组合而成的，因此线性造波理论也适用于不规则波。 对造波机的系统参数计算可按如下流程图进行。 图3 1 造波机系统设计参数计算流程图 第三章造波机系统参数的计算方法 图3 1 中，各变量所代表的意义如下： h ：水深； t ：波周期； d ：推波板宽； m ：推波板质量； l ：波长； s m a x ：推波板最大行程； v m a x ：推波板最大速度； h m a x ：最大波高； k n 、m a 、d a ：中间变量； f l ：推波板前水体局部扰动力； f i ：推波板惯性力； f p ：标准波压力； f m a x ：推波板最大推力； p m a x ：最大功率。 造波机的参数包括设计参数和性能参数。造波机设计参数是在设计、制造造波机之 前，由使用者提供的水深、周期、板宽等参数计算出造波机最大行程、最大功率、最大 推力、最大功率等一系列参数。而造波机的性能参数则是造波机在给定的水深下根据给 定造波机系统的最大行程、最大速度和最大功率计算出造波机能造出的波高范围，再加 上实际中最大允许波高，根据四个波高绘制四条造波性能曲线，四条线形成造波机性能 包络线，以此来给使用者提供造波机的造波能力，然后再根据使用者所提出的要求对给 定的值进行修正，最终满足使用者要求的造波能力。 设计一台造波机首先要知道这台造波机的运行环境，例如水深、周期、推波板运动 部件的质量和宽度等，这些都是对造波波形和造波质量起着决定性作用的参数。通常情 况下，在设计前期需要了解的参数有：水深h 、波周期t 、推波板运动部件的质量i l l ( 初 设、估算) 和推波板的宽度d 。 造波机参数的计算步骤如下： 1 ) 根据给定的h 和t 计算波长l ； 2 ) 根据给定的h 和t 计算中间变量k n ； 3 ) 根据给定的h 和波长计算实际中最大允许波高h 掀和水动力函数a ： 4 ) 根据实际中最大允许波高胃一和水动力函数a 计算最大行程s 嘲； 5 ) 根据最大行程s 一和周期t 计算； 6 ) 根据k n 和给定的h 计算：根据波长l 和水深计算d a t 7 ) 根据根据推波板宽d 、行程s 、t 和d a 计算标准波压力e ； 8 ) 根据推波板运动部件质量n l 、行程s 和t 计算推波板惯性力e ； 9 ) 根据推波板宽d 、行程s 、t 和m a 计算推波板前水体局部扰动力e ； 1 0 ) 根据标准波压力e 、推波板惯性力e 和推波板前水体局部扰动力e 计算推波板 第三章造波机系统参数的计算方法 的最大推力； 1 1 ) 根据推波板的最大推力计算造波机所需的最大功率。 下面将一一介绍各参数的计算过程及方法n 4 1 3 1 波长l 的计算 在设计造波机系统时，设计人员只根据所需要的水深h 和波的周期t 来确定造波机 系统的一系列参数，其中的波长是造波机系统参数计算的基础，对波长的计算根据所给 出的水深h 和波的周期t 利用迭代法进行计算。 3 1 1 波长l 的计算方法 波长计算公式为：l = l o t h ( k h ) 式中：( 任意水深) 波长，单位：m h 水深，单位：m 七：丝 厶深水波长l o = ，单位：m t 波周期，单位：s r 重力加速度 g = 9 8 0 6 6 5 m s 2 ( 非两极和非赤道的海平面处) g 9 8 0 6 6 5 1 5 6 0 7 7 7 2 r 2 3 1 4 1 5 9 2 6 因一般陆地上的大多数地方都高于海平面，所以g 要比海平面小，可取9 8m s 2 ， 一g = 黑1 5 5 9 7 ，无论哪种算法，旦取1 5 6 都是合适的 2 l 2 3 1 4 1 5 92 n 。 由此可得出： 厶= 1 5 6 t 2 ( 3 一1 ) 该波长称为深水波长，即当为深水区域时，波长是不受水深影响的，也就是说，当 波长小到一定程度，或者说水深大到一定程度时，波长不变换句话说，在浅水区时， 波长是受水深的影响的，水深不同，波长不同。 由此得出波长的计算公式为： 一 。q t h ( 掣) ( 3 - 2 ) 由此公式很难直接解出波长l ，可以用迭代法来进行计算。 3 1 2 迭代法计算波长l 迭代是数值分析中通过从一个初始估计出发寻找一系列近似解来解决问题的过程。 与迭代法相对应的是直接法或者称为一次解法，即只用一次计算就能直接且快速的解决 第三章造波机系统参数的计算方法 问题得出方程的根。在一般的实际工程计算中直接解法总是首要的选择，但是如果遇到 比较复杂问题时，例如非线性方程或者在方程中有多个变量，我们都是无法直接求得方 程的根，这时候可以通过迭代法寻求方程( 组) 的近似解n 们。 利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作： ( 1 ) 确定迭代变量：在可以使用迭代算法解决的方程中，至少存在一个可直接或间接 地由前一个值经过迭代公式计算得出新值的变量，这个变量就是迭代变量。( 2 ) 建立迭代 公式：所谓迭代公式，是指利用变量的前一个值计算出变量新值的公式。在使用迭代法 进行方程求解时，建立正确的迭代公式是解决问题的关键步骤，一般采取顺推或倒推的 方法来实现。( 3 ) 对迭代过程的控制：迭代过程在什么情况下结束? 这是用迭代法进行计 算和编写迭代程序时必须考虑的一个问题。迭代过程不能永无止境的进行下去。控制迭 代过程可分为两种情况：一种是确定一个迭代次数，这个确定值可以由在工程计算中经 验得出；另一种是所需的迭代次数无法确定。对于第一种情况，可以在循环中设定循环 次数来实现对迭代过程的控制；对于第二种情况，则需要进一步对公式和变量进行分析 得出所需要的结束迭代过程的条件n 7 儿】【l 8 】【l 9 】啪】。 图( 3 2 ) 和图( 3 3 ) 给出了迭代法的计算过程。从图中可以发现迭代法突出的特 点是它的计算逻辑很简单。 y o xx2 x i x o x 图3 2 迭代法的几何意义 = g ( 工) 第三章造波机系统参数的计算方法 首先证明波长l - 7 以使用迭代法进行计算： 定理： 坛【a ，b 】( 任意给定一个定义域内的x ) ，有a f ( x ) b ； 北，o t l ( 存在一个小于1 的正数t ) ，v x e 口，6 】，有i 7 ( 功| f 。 则迭代过程t = f ( x k ) 对于初值陋，6 】均收敛于方程工= ( 力的根工，且误 差估计为：i x l t - - x * ls j i 一l 。 ：厶珐( 孕) 设：，( 三) ：厶咖( 掣) 八驴蕊l 0 2 n h i $ 1 为c o s h 2 ( 警) 一蛐2 ( 孕 所以洲t 2 z d l 纠i i 鬲 l 时是收敛的，水深越大，周期越小，m a 越大。当n 大于l o 以后，m a 增加的速度是很小的，n = 5 和n = 3 0 的m a 仅差0 0 3 3 ，n = l o 和n - - - 3 0 的m a 仅差0 0 0 3 3 ，所以n 取到1 0 就可以了。 在式( 3 1 8 ) 中，令： o a = 砚4 面o g p 丽s h 2 i ( k h 碉) ( 3 - 1 9 ) 式中：缈角频率，置z 了, i l g 七；堑 工 p 水密度，p = 1 0 0 0 k g m 第三章造波机系统参数的计算方法 3 2 4 最大推力的计算 公式f ( f ) = - 三1c 0 2 s ( 所+ 2 m 1 ) s i n c o t + 缈肋l c o s o t + r 二 其中见为摩擦阻力，在此忽略不计。 推波板的推力为： ，o ) = ( 肌+ 2 m ，) x o ) + 2 d l x ( t ) 目前，在波浪模拟时，推波板的运动形式多是采用正弦规律叠加的形式， 计造波机时可按正弦运动来考虑。 ( - 设：x ( t ) = s i n m t ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 因此在设 ( 3 - 2 2 ) 所以速度为：v ( f ) ：二( f ) ：掣c o s 缈f ( 3 2 3 ) z 加速度为：口( f ) ：( f ) ：一芝s i n o t = - w x ( f ) ( 3 - 2 4 ) z 其中：卜在一定水深和周期下推波板的最大行程，z ( f ) 为推波板的位移 将( 3 2 2 ) 式、( 3 2 3 ) 式和( 3 2 4 ) 式带入f ( t ) 可得： ，( f ) = ( 肌+ 2 m ，) x ( f ) + 2 d i x ( t ) = r e x ( t ) 一2 m _ tw x ( t ) + 2 d lx ( t ) ( 3 2 5 ) = 正( f ) 4 - e ( f ) + t ( f ) ( 3 2 6 ) 其中第二项和第三项的系数“2 ”说明了板前板后都有水的情况，如果板后无水，其 系数为“1 ”。 在( 3 2 6 ) 式中 e ( f ) = 一互呲s i i lw f 推波板惯性力 ( 3 - 2 7 ) 最大值： e 一= m w v ( 3 2 8 ) e ( ，) = 一e 哪s i i lw f 推波板前水体局部扰动力 ( 3 - 2 9 ) 最大值： e 一= m _ ，w 2 s = 2 m t w w ，s = 2 m 。1 w v ( 3 3 0 ) ( f ) = 懈s i i l w f 标准波压力 ( 3 3 1 ) 最大值： 一= 2 d t ，矿 ( 3 3 2 ) 由于标准波压力与推波板前水体局部扰动力为正向力，而推波板惯性力为反向力， 所以可以将( 3 - 2 6 ) 式可以改写成为： ，( f ) = 吾国2 s ( m + 2 m o e o s ( c o f 一寻) 4 - 珊肋 l e o s 彩f ( 3 3 3 ) 这是作用在推波板上的力，必须要有一个大于该力的驱动力，才能使推波板运动。 ( 3 3 3 ) 式中前后两项相位相差9 0 ，所以根据( 3 3 3 ) 式 第三章造波机系统参数的计算方法 设：彳= 一寺国2 s ( m + 2 m 彳，) = 一( f 一十e 一) 、b = c os d j | ，= 乃嗽为两个直角边，其斜边 为、= f i 矿则有：s i n 0 ：，竺、c o s 口：1 尘 彳2 + 召2彳2 + b 2 f ( t ) = a s i n c o t + b e o s c o t ：厶矿s i n ( c o t + 0 ) 所以 用行程表达的力：k = s 等 l 弧= s m 其中： m ：丝 z 用速度表达的力： 民。= ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) = 矿如w + 2 m 爿，w ) 2 + ( 2 d 一，) 2 ( 3 3 6 ) 式中的行程s 、速度v ，并不是造波机设计的最大值，而是在满足某个水深和周期下 的最大波高所需要的行程和速度。 用最大波高和水动力函数表达的力的公式： u 因为：日= s 彳一一s = 竺 彳 所以： = h 2 n 丁 ( 3 - 3 7 ) 3 2 5 最大功率的计算 因为推力： f ( f ) = 一吾缈2 s ( m + 2 册_ ) s i n 彩f + 功s d a i c o s 缈f 所以功率：p ( t ) = ，( f ) h f ) = 爿7 i2 s c m + 2 m a d c o s o o t + c o s d 加2 国f = 一字譬( 朋砌一，) 咖讣咖e o t + v o s d ，譬甜彩t ( 3 3 8 ) 第三章造波机系统参数的计算方法 与推波板最大推力相同，最大功率的计算方法为： 令： 么= 一字譬( m + 2 r a f t ) 其中s 为推波板全行程 = 一 w 3 s 2 ( 聊+ 2 m 一，) = 一一y + e 一矿j 口= 华w 地m ) ( 孚) = 耳一y p ( f ) = a s i n c ot c o s r o t + b c o s z 国t c 。s2 f = 2 c 。s 2 缈f 一1 一一c o s 2w t = c o s l 2 c o t + 1 2 s i nc o t c o so j t = s i n 2 w t p ( t ) = as i nw t c o s c o t + b c o s 2 功t ：兰2 s i n 功f c o s 缈f + b _ c o s 2 0 9 t + 1 ：as i n 2 c o t + 旦c o s 2 c o t + 拿 r a 设直角三角形的两个直角边为：a 和b ，其斜边为么2 + b 2 令：s i n o ：产竺，则c o s 8 ：妻 0a i + b 1_ a i + b 2 以，) = - - a