張建巧，羅兆偉，孫 旋

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái)054000）

造波機(jī)作為一種重要的實(shí)驗(yàn)室裝置，能夠根據(jù)目標(biāo)人物生成符合要求的波浪，包含規(guī)則波、不規(guī)則波、二維波、三維波以及有特殊要求的波，在船舶、港口、海岸及海洋工程等領(lǐng)域占有重要的位置。

1 推板式造波機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案

1.1 造波機(jī)及推板式造波機(jī)生成波浪的原理簡(jiǎn)述

目前，世界范圍內(nèi)對(duì)造波機(jī)的分類方式擁有多種標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)內(nèi)人士通常根據(jù)造波機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，將之分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)共三種類型。如果按照造波機(jī)與水體互相作用的實(shí)際情況進(jìn)行分類，造波機(jī)可被分為氣壓式造波機(jī)與機(jī)械式造波機(jī)兩個(gè)大類。一般來(lái)說(shuō)，氣壓式造波機(jī)的工作原理是通過(guò)改變空氣壓力的方式，迫使水體形態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生波浪。但此種方式由于空氣壓縮性變化范圍不夠穩(wěn)定，因此生成波浪的精度不足，且無(wú)法承受超出一定范圍的負(fù)載。因此，只能應(yīng)用于低負(fù)載的實(shí)驗(yàn)。機(jī)械式造波機(jī)的工作原理為經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性、機(jī)械性的設(shè)計(jì)之后，將一部分機(jī)械部件設(shè)置成“可動(dòng)”狀態(tài)之后，通過(guò)該類機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)使水體狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生波浪。屬于機(jī)械式造波機(jī)的主流類別為搖擺式造波機(jī)、推板式造波機(jī)、沖箱式造波機(jī)、轉(zhuǎn)筒式造波機(jī)。其中，推板式造波機(jī)的工作原理為引入造波板，將之放置在特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)及直線導(dǎo)軌中，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)端智能控制，當(dāng)機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，造波板也會(huì)沿著直線導(dǎo)軌進(jìn)行周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)，從而周期性地形成波浪。在此過(guò)程中，造波板在每個(gè)周期中能夠行進(jìn)的最大距離和運(yùn)行的速度，是決定波浪最大高度的主要因素，而造波板完整行進(jìn)一個(gè)周期的時(shí)間（即造波板的運(yùn)動(dòng)頻率），從根本上決定波浪的生成時(shí)間。

1.2 推板式造波機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水槽推板式造波機(jī)是推板式造波機(jī)中的一種常見(jiàn)類型。一般情況下，水槽推板式造波機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)該滿足如下條件：①完整的機(jī)械系統(tǒng)。包含機(jī)械結(jié)構(gòu)（使造/推波板有序行進(jìn)的系機(jī)械系統(tǒng)，包含導(dǎo)軌及其他材料、設(shè)備）、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（使推板式造波機(jī)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，可外接）、控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)總控端，設(shè)計(jì)人員將有關(guān)參數(shù)確認(rèn)完畢之后，將之編寫(xiě)成智能控制程序，之后根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)或其他任務(wù)的特定需求，對(duì)推波板的形成、速度等進(jìn)行設(shè)定）。上述三項(xiàng)內(nèi)容為水槽推波板式造波機(jī)的核心架構(gòu)，少了任何一項(xiàng)，造波機(jī)都不可能正常開(kāi)展工作。②推波板造波機(jī)必須依賴推波板進(jìn)行往復(fù)式的直線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生波浪，因此推波板造波機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)中必須含有交流伺服電機(jī)軸。此種裝置的存在目的是，能夠在自身轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在絲杠螺母的作用下，使推波板維持反復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)SolidWorks 軟件進(jìn)行建模分析后發(fā)現(xiàn)，完整的推波板造波機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含如下裝置：地板、交流伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、支撐座裝置、滾珠絲杠、U 形梁、螺母、滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、滑臺(tái)支架、推波板、推波板支承系統(tǒng)（如果是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，只需設(shè)置簡(jiǎn)易的支架即可）[1]。

2 推板式造波機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算確認(rèn)

上文所述的內(nèi)容可以被劃分為“硬件部分”，若要使其正常開(kāi)展工作，還需要對(duì)“軟件部分”——有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)算。筆者對(duì)推板式造波機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，按照以下參數(shù)進(jìn)行：水槽的總長(zhǎng)度達(dá)到3 m，寬度和高度分別為0.7 m 和1.4 m；造波機(jī)所有系統(tǒng)的整體工作最大水深為0.6 m。實(shí)驗(yàn)要求在推板式造波機(jī)的作用下，形成波浪的最大波高應(yīng)該圍0.4 m，最小波浪周期為0.6 s，最大周期為2.2 s。本文選用了0Crl8不銹鋼材料制成的推波板，其寬度為0.5 m，因此可以將單元板寬l取值為0.5 m；經(jīng)過(guò)稱量，造波機(jī)機(jī)械新系統(tǒng)中進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量m為250 kg。因此，可供計(jì)算的參數(shù)如下：作業(yè)深度h可以從0.2 m 開(kāi)始逐漸深入（每次增加0.1 m），最大深度為0.6 m；運(yùn)動(dòng)周期T從0.6 s 開(kāi)始逐漸增加（每次增加0.2 s），最大周期為2.2 s，l=0.5 m，m=250 kg。

2.1 推波板最大行程的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述

在推波板作用下形成的波浪，其最大波高Bmax與作業(yè)深度h的關(guān)系滿足Bmax=kh的關(guān)系。其中k為波數(shù)，具體數(shù)值可以通過(guò)2π/λ進(jìn)行計(jì)算。其中λ表示波長(zhǎng)，與重力加速度g、周期、作業(yè)深度的關(guān)系為：

經(jīng)過(guò)代入轉(zhuǎn)化計(jì)算之后，能夠得出最大波高Bmax=0.142λtanh，代入實(shí)際數(shù)值，得出Bmax≈45 cm，符合實(shí)驗(yàn)要求。波高B與推波板行程S之間的關(guān)系為：

代入計(jì)算后可知：當(dāng)周期T為0.6 s、作業(yè)水深為0.2 m時(shí)，最大行程為4.3 m；保持周期不變，作業(yè)深度提升至0.6 m 時(shí)，最大行程為3.99 m。當(dāng)周期T為2.2 s，作業(yè)水深為0.2 m 時(shí)，最大行程為40.22 m；當(dāng)作業(yè)水深為0.4 m 時(shí)，最大行程為52.24 m；作業(yè)水深達(dá)到0.6 m 時(shí)，最大行程可達(dá)58.72 m[2]。

2.2 推波板最大運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述

推波板最大運(yùn)動(dòng)速度Vmax與波浪的圓頻率ω之間的關(guān)系為Vmax=ωS/2，將ω=2π/T代入計(jì)算之后，得出推波板的最大移動(dòng)速度如下：當(dāng)周期T為0.6 s、作業(yè)深度為0.2 m 時(shí)，推波板最大移動(dòng)速度Vmax=0.225 3 m/s；相同周期下，作業(yè)深度達(dá)到0.6 m 時(shí)，最大移動(dòng)速度Vmax=0.208 8 m/s；當(dāng)周期T為2.2 s、作業(yè)深度為0.6 m 時(shí)，推波板最大運(yùn)動(dòng)速度Vmax=0.574 1 m/s；保持周期不變，加深作業(yè)深度至0.6 m，推波板最大移動(dòng)速度Vmax可達(dá)0.838 1 m/s。

2.3 造波板承受的最大負(fù)載力計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述

推板式造波機(jī)在工作過(guò)程中，位移X、速度X1、加速度A分別滿足如下規(guī)律：X=Ssinωt/2，X1=ωScosωt/2，A=ω2Ssinωt/2。如前文所述，由于交流伺服電機(jī)軸的存在，通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的方式為推波板提供動(dòng)力。在此種模式下，摩擦阻力可以忽略不計(jì)。根據(jù)勢(shì)函數(shù)理論可以得出，造波板承受的負(fù)載力與其他參數(shù)之間的關(guān)系為：

變換計(jì)算后可以得出：

公式（3）中的DA、mA可視為中間變量，代入作業(yè)環(huán)境下水的密度進(jìn)行計(jì)算后可以得出：當(dāng)周期T為0.6 s、作業(yè)深度為0.2 m 時(shí)，造波板承受的最大負(fù)載力為536.2 N；保持周期不變，將深度提升至0.4 m 時(shí)，造波板承受的最大負(fù)載力為569.3 N；深度提升至0.6 m 時(shí)，造波板承受的最大負(fù)載力上升至進(jìn)600 N。當(dāng)周期T為1.6 s、作業(yè)水深為0.2 m時(shí)，最大負(fù)載力為542.4 N；保持周期不變，作業(yè)深度為0.4 m 時(shí)，最大負(fù)載力為1 047.5 N；作業(yè)水深為0.6 m，最大負(fù)載力為2 684.8 N。當(dāng)周期增加至最大值，達(dá)到2.2 s 且作業(yè)深度達(dá)到0.6 m 時(shí)，最大負(fù)載力達(dá)到2 785.6 N。

2.4 推板式造波機(jī)最大功率計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述

推板式造波機(jī)的最大功率P（t）=F（t）·v（t），代入上文提到的公式（4），經(jīng)過(guò)變換后得出：

經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到：周期為0.6 s、作業(yè)深度為0.2 m，造波機(jī)最大功率為96.2 W；保持周期不變，提升作業(yè)深度至0.4 m，最大功率為115.3 W；提升作業(yè)深度至0.6 m，最大功率可達(dá)134.5 W。將周期提升至1.6 s，作業(yè)深度保持在0.2 m，最大功率可達(dá)251.3 W；保持周期不變，深度提升至0.4 m，最大功率可達(dá)1 076.5 W；深度提升至0.6 m，最大功率可達(dá)1 743.6 W。將周期提升至2.2 s，作業(yè)深度保持在0.2 m，最大功率可達(dá)356.6 W；保持周期不變，深度提升至0.4 m，最大功率可達(dá)1 437.2 W；深度提升至0.6 m，最大功率可達(dá)27 85.6 W。

3 結(jié)語(yǔ)

自20 世紀(jì)90 年代之后，造波機(jī)已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了完全的計(jì)算機(jī)控制。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，只需圍繞推波板的最大行程、推波板的最大運(yùn)行速度、推板式造波機(jī)的最大功率、造波板承受的最大負(fù)載力等參數(shù)等進(jìn)行精確計(jì)算，并將精確參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制程序中，推板式造波機(jī)核心機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行框架即可被視為成功搭建，之后將其他材料設(shè)備按部就班地完成安裝，方可投入使用。