CN111932978B - 一种垂吊式试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船舶与海洋工程水下试验装置技术领域，尤其是涉及一种垂吊式试验平台。该试验平台可以实现救生钟、救生潜器、深潜救生艇与潜艇模拟对接救援及物资转运，也可以实现穿梭潜器与深海空间站对接，实现物资转运模拟，可以开展新型装备研制、测试及试验，同时可以开展各种训练。通过设置升降装置，可以模拟不同的水深环境，且潜水人员能够模拟训练不同海况下的水上及水下操作。基于不规则波叠加理论，采用高弹介电材料的电致动、可调频的特性，对波浪进行精确模拟，无需使用造波机，节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋装备水下潜航装备试验装置技术领域，尤其是涉及一种垂吊式试验平台。
背景技术
目前的援潜救生对接转移演习和训练大都在海上开展，演习和训练受季节、海况等因素影响较大，而且前期准备周期长，试验训练过程中受到外界环境影响较大，应急处置难度较大，并且难以实现高频次的训练和试验，现有技术中缺少相关试验模拟平台供人员水中演习的模拟装置。上海交通大学在CN1491852A中提出了一种船舶运动模拟装置，通过模拟平台上设置液压油缸模拟船舶横摇、纵摇、升沉等运动；天津工大瑞工光电技术研究院有限公司在CN 106781966 A也提出了相似的舰船模拟平台，然而上述结构不能适用于水下潜水器，潜水钟等结构，无法模拟深水作业环境。此外，上述结构依赖于机械结构对自由度模拟，无法准确的模拟真实的海浪情况，现有技术中有研究机构采用造波机模拟真实海浪，然而这种方式试验成本高，试验场地要求较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种垂吊式试验平台，该试验平台可以实现救生钟、救生潜器、深潜救生艇与潜艇模拟对接救援及物资转运，也可以实现穿梭潜器与深海空间站对接，实现物资转运模拟，可以开展新型装备研制、测试及试验，同时可以开展各种训练。通过设置升降装置，可以模拟不同的水深环境，且潜水人员能够模拟训练不同海况下的水上及水下操作。基于不规则波叠加理论，采用高弹介电材料的电致动、可调频的特性，对波浪进行精确模拟，无需使用造波机，节省成本。
本发明涉及的垂吊式试验平台包括模拟对接平台、平台底座，平台调倾装置、升降装置、布放回收装置以及综合控制系统，所述布放回收装置包括绞车、吊杆和吊缆，所述布放回收装置用于起吊和下放被测对象，所述被测对象可以是深潜救生艇、穿梭潜器、潜水钟等水下结构；所述模拟对接平台包括一平台端通用对接口，所述平台端通用对接口用于和被测对象的艇端通用对接口对接；所述平台调倾装置与所述模拟对接平台驱动连接，以驱动模拟对接平台进行六自由度运动，从而将六自由度运动传递给被测对象；所述平台调倾斜装置设置于平台底座上；所述升降装置包括滑轨，直线电机和滑块，所述滑块与平台底座固定连接，所述滑轨设于试验水池的内壁，直线电机驱动滑块在滑轨内上下移动以实现不同深水压力的模拟。
作为优选，所述模拟对接平台与平台端通用对接口通过耦合驱动装置驱动连接，所述耦合驱动装置包括施加旋转自由度的旋转电机，以及进一步增大纵倾或横倾幅度的水平电机。
作为优选，所述试验平台包括照明系统，所述照明系统包括应急照明装置和普通照明装置。
作为优选，所述试验平台包括模拟障碍物、模拟管路和模拟阀门，用于潜水员或ROV开展清障、修复、切割或焊接试验。
作为优选，与所述模拟对接平台相连的平台端通用对接口内部设置有耦合驱动装置，所述耦合驱动装置与艇端通用对接口驱动连接，所述耦合驱动装置包括多个串联布置的驱动单元，所述驱动单元包括介电高弹聚合物、柔性电极、支撑框架以及刚性框架，所述支撑框架、多层介电高弹聚合物及刚性框架从下到上依次铺设，所述柔性电极涂覆于介电高弹聚合物，通过材料的电致变形及振动调频实现小幅扰动波浪的模拟。
作为优选，所述介电高弹聚合物为VHB膜，所述柔性电极为碳纳米管电极。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：通过升降装置，模拟平台可模拟不同水深压力环境，潜水人员在操作模拟时，更贴近实际水下环境。
通过在通用对接口处设置耦合驱动结构，进一步增大了运动幅度，便于模拟大对接角，避免调倾装置行程过大，与此同时，由于耦合驱动结构设置于通用对接口处，更加节约成本。
当耦合驱动结构为介电高弹聚合物时，利用其电致动可调频的特性，模拟小幅扰动，根据线波浪性叠加原理，更加精确的模拟波浪运动。
本发明的有益技术效果：通过设置升降装置，可以模拟不同的水深环境，且潜水人员能够模拟训练不同海况下的水上及水下操作。基于不规则波叠加理论，采用高弹介电材料的电致动、可调频的特性，对波浪进行精确模拟，无需使用造波机，节省成本。
附图说明
图1为本发明总体布置图；
图2为串联的驱动单元结构示意图；
图3为串联后的驱动单元与艇端通用对接口连接示意图。
图中：模拟对接平台1、平台底座2、平台调倾装置3、滑轨4、布放回收装置5、被测对象6、平台端通用对接口7、艇端通用对接口8、支撑框架9、介电高弹聚合物膜10、刚性框架11、串联的驱动单元12、柔性电极13。
具体实施方式
如图1所示，在本实施例中，所述试验平台包括模拟对接平台1、平台底座2、平台调倾装置3、升降装置、布放回收装置5以及综合控制系统，所述布放回收装置5包括绞车、吊杆和吊缆，所述布放回收装置5用于起吊被测对象6；所述模拟对接平台1包括一平台端通用对接口7，所述平台端通用对接口7用于和被测对象6的艇端通用对接口8对接；所述平台调倾装置与所述模拟对接平台驱动连接，以驱动模拟对接平台进行六自由度运动，从而将六自由度运动传递给被测对象6；所述平台调倾装置3设置于平台底座2上；所述升降装置包括滑轨4，直线电机和滑块，所述滑块与平台底座固定连接，所述滑轨4设于试验水池的内壁，直线电机驱动滑块在滑轨内上下移动以实现不同深水压力的模拟。
进一步，在本实施例中，为了模拟大对接角时较大幅度的运动，所述模拟对接平台1与平台端通用对接口7通过耦合驱动装置驱动连接，所述耦合驱动装置包括施加旋转自由度的旋转电机，以及进一步增大纵倾或横倾的水平电机。从而，避免使用大行程的气缸或其他平台调倾装置3，而将耦合驱动设置在通用接口处，在获得大幅度的运动的同时，节约了成本。
本实施例中，根据波浪线性叠加理论对波浪运动进行更精确的模拟。
其原理是基于海浪的叠加原理，海浪可看作一平稳随机过程，可看作由多个不同周期，不同随机初相位的的余弦波叠加而成，根据该理论，采用机械结构的平台调倾装置模拟波浪的大幅运动，而采用介电高弹聚合物模拟频率变化快的小幅波浪扰动，通过模拟对接平台下部机械平台调倾装置和介电高弹聚合物运动的耦合叠加，精确模拟波浪运动。
如图2和图3所示，在其他结构与前一实施例相同的情况下，关于耦合驱动装置的设置为：与所述模拟对接平台相连的平台端通用对接口内部设置有耦合驱动装置，所述耦合驱动装置与艇端通用对接口驱动连接，所述耦合驱动装置包括多个串联布置的驱动单元，所述驱动单元包括介电高弹聚合物膜10、柔性电极13、支撑框架9以及刚性框架11，所述支撑框架9、括介电高弹聚合物膜10以及刚性框架11从下到上依次铺设，所述柔性电极13涂覆于介电高弹聚合物膜10，通过材料的电致变形及振动调频实现小幅扰动波浪的模拟。串联的驱动单元12在平台端通用对接口垂直高度约2/3处，通过最外侧驱动单元的支撑框架9与通用对接口连接。介电高弹聚合物膜10是由多层高弹聚合物复合而成。
模拟时，控制器根据给定的海况，以及多向不规则波浪生成的数值算法，分解为大幅波浪运动与小幅波浪扰动，并通过运动轨迹反求法分别求解出瞬时位移和加速度，并分别施加给各驱动结构。
在上述具体实施例中，可选择的，均可包括以下结构：
视频监控系统，主要由水下耐压高清摄像机组和水面高清摄像机组组成，可实现试验过程的视频监控及影像记录。
照明系统主要由水下耐压LED照明灯组和水面LED照明灯组组成，可为试验平台提供水下和水上照明。并由照明装置和应急照明装置组成，在普通照明装置失效时，应急照明装置可以继续提供照明。
模拟障碍物、模拟管路、模拟阀门，主要由用于潜水操作员或者ROV开展水下清障、修复、切割、焊接等试验。
平台升降机构的行程为30米，承载能力为50吨，移动速度不小于1米/秒。
所述模拟对接平台包括耐压模拟舱段、潜艇对接平台、深海空间站对接平台等，用于救生钟、救生艇、穿梭潜器开展对接、转移等试验。
所述平台调倾装置采用平台调倾装置采用六自由度Steward平台。
平台调倾装置还可以为：包括六个液压驱动的作动筒以及上、下各六只万向铰链组成也可以是现有技术中的各种驱动形式。
Claims (5)
1.一种垂吊式试验平台，其特征在于：所述试验平台包括模拟对接平台、平台底座，平台调倾装置、升降装置、布放回收装置以及综合控制系统，所述布放回收装置包括绞车、吊杆和吊缆，所述布放回收装置用于起吊被试验水下结构；所述模拟对接平台包括一平台端通用对接口，所述平台端通用对接口用于和被试验水下结构的艇端通用对接口对接；所述平台调倾装置与所述模拟对接平台驱动连接，以驱动模拟对接平台进行六自由度运动，从而将六自由度运动传递给被试验水下结构；所述平台调倾斜装置设置于平台底座上；所述升降装置包括滑轨，直线电机和滑块，所述滑块与平台底座固定连接，所述滑轨设于试验水池的内壁，直线电机驱动滑块在滑轨内上下移动以实现不同深水压力的模拟，所述平台调倾装置采用六自由度Steward平台；与所述模拟对接平台相连的平台端通用对接口内部设置有耦合驱动装置，所述耦合驱动装置与艇端通用对接口驱动连接，所述耦合驱动装置包括多个串联布置的驱动单元，所述驱动单元包括介电高弹聚合物、柔性电极、支撑框架以及刚性框架，所述支撑框架、多层介电高弹聚合物及刚性框架从下到上依次铺设，所述柔性电极涂覆于介电高弹聚合物，通过材料的电致变形及振动调频实现小幅扰动波浪的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种垂吊式试验平台，其特征在于：所述模拟对接平台与平台端通用对接口通过耦合驱动装置驱动连接，所述耦合驱动装置包括施加旋转自由度的旋转电机，以及进一步增大纵倾或横倾的水平电机。
3.根据权利要求2所述的垂吊式试验平台，其特征在于：所述试验平台包括照明系统，所述照明系统包括应急照明装置和普通照明装置。
4.根据权利要求3所述的一种垂吊式试验平台，其特征在于：所述试验平台包括模拟障碍物、模拟管路和模拟阀门，用于潜水员或ROV开展清障、修复、切割或焊接试验。
5.根据权利要求1所述的一种垂吊式试验平台，其特征在于：所述介电高弹聚合物为VHB膜，所述柔性电极为碳纳米管电极。
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