本發(fā)明涉及一種工程研究和試驗領域的裝置，具體是一種慣量和剛度系統(tǒng)模擬裝置。廣泛應用于科學研究和工程實踐中的模型試驗。

背景技術：

在科學研究和工程實踐中，模型試驗是一種十分重要的手段。例如在海洋工程領域，在海洋平臺設計階段，需要開展平臺加系泊系統(tǒng)的測試，包括風載荷與流載荷的校核等。在校核載荷的過程中，傳統(tǒng)的方法是將實物模型置于試驗水池中，通過實際海洋平臺與實物模型之間的質量差異進行模擬計算后，進而開展試驗。

但是這種做法的缺點是長時間占用試驗資源，極大影響整體試驗進度。原則上，為了解決此問題也可以在岸上開展試驗，按照水中平臺的水平慣量(質量)、系泊系統(tǒng)的線性剛度制作相同的裝置。但是，這樣一來整個裝置的重量將十分可觀，并且不利于調節(jié)。除海洋工程領域的試驗外，對于其他學科的試驗，此類問題同樣存在。

技術實現要素：

本發(fā)明需要解決的技術問題是：現有的慣量和剛度系統(tǒng)模擬裝置，長時間占用試驗資源，極大影響整體試驗進度；而且整個裝置的重量十分可觀，并且不利于調節(jié)。

本發(fā)明采取以下技術方案：

一種慣量和剛度系統(tǒng)模擬試驗裝置，其特征在于：包括支座1、中心軸2、標準慣量砝碼3、微調桿4、微調砝碼5、線纜盤6、彈簧盤7、彈簧8；所述支座1對中心軸2進行支撐，中心軸2可相對支座自由轉動；中心軸2中間設置線纜盤6，線纜盤兩側可拆卸的等距設置至少一對標準慣量砝碼3、至少一對彈簧盤7、至少一對微調桿4；所述彈簧盤7上的繞線與彈簧8一端連接，彈簧8另一端與支座1連接；所述微調桿4與中心軸2垂直，且兩端與中心軸的距離相等；所述線纜盤6與彈簧盤7轉動方向相反，線纜與遠端提供固定拉力的拉力機構連接，線纜上設置張緊力傳感器；所述微調砝碼5與中心軸2的距離可調節(jié)，進而微調轉動慣量。

進一步的，所述微調桿4是螺紋桿，微調砝碼5與微調桿4螺紋連接，便于微調節(jié)轉動慣量。

進一步的，所述彈簧盤7、標準慣量砝碼3、微調桿4距離線纜盤6的距離依次由近到遠。

進一步的，所述標準慣量砝碼3、微調砝碼5均具有多個可選規(guī)格。

進一步的，所述彈簧盤7的繞線的剛度遠大于彈簧的剛度。

進一步的，線纜上安裝單分力傳感器。

進一步的，所述彈簧8可拆卸，且具有多個不同剛度的可選彈簧。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)創(chuàng)造性地提出一種慣量和剛度系統(tǒng)模擬裝置。通過將轉動慣量和平動慣量的轉換、扭轉剛度和線性剛度的轉化，以一套輕便的裝置即可模擬一套沉重的裝置。

2)裝置的轉動慣量和剛度均可調節(jié)。轉動慣量分為基礎部分和微調部分?；A部分即為標準慣量砝碼，可通過選取不同規(guī)格的標準慣量砝碼實現階梯式調節(jié)；微調部分由一個微調桿和若干微調砝碼組成。微調砝碼通過螺紋連接于微調桿上，因此可以通過調節(jié)微調砝碼的質量和位置來連續(xù)調節(jié)裝置的轉動慣量。

3)本裝置可廣泛用于對“慣量—剛度”系統(tǒng)進行模擬。結構形式簡單，制造安裝方便，可操作性良好，使用成本低廉。在實際科研和工程應用中，可極大簡化試驗過程，以及節(jié)省試驗資源。

4)本裝置中所用到的標準慣量砝碼的質量、微調砝碼的質量和位置、彈簧的剛度、繞線的長度均可改變，便于根據不同的試驗條件和要求進行選取和調節(jié)。

5)在陸上進行試驗，不占用試驗資源，不影響整體試驗進度。

6)整個裝置體積和重量大大降低，而且調節(jié)方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明慣量和剛度系統(tǒng)模擬試驗裝置的示意圖。

圖2是本發(fā)明慣量和剛度系統(tǒng)模擬試驗裝置的主視圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進一步說明。

本發(fā)明創(chuàng)造性地提出一種慣量和剛度系統(tǒng)模擬裝置?；舅枷胧牵簭哪M的角度而言，我們主要關注兩個量：質量(慣量)和剛度，因此將這兩個量進行轉換進而開展模擬試驗。具體做法是：將平動慣量轉換為轉動慣量，將線性剛度轉換為扭轉剛度，因此以一套輕便的裝置即可模擬一套沉重的裝置。

參見圖1-2，一種慣量和剛度系統(tǒng)模擬裝置，主要包括支座1、中心軸2、標準慣量砝碼3、微調桿4、微調砝碼5、線纜盤6、彈簧盤7、彈簧8；中心軸2通過軸承固定于支座1上，可以相對支座1發(fā)生轉動。中心軸2的中央固定有一個線纜盤6，兩側分別固定有一個彈簧盤7。線纜盤6上的繞線可與其他設備、裝置連接；彈簧盤7上的繞線另一端分別與彈簧8連接，傳遞彈簧8的拉力。彈簧8固定于支座1上，且可以根據試驗條件更換不同剛度的彈簧8以及調節(jié)彈簧盤7的大小，進而對扭轉剛度進行調節(jié)。中心軸2的兩端分別設置有調節(jié)轉動慣量的裝置，且分為基礎部分和微調部分。基礎部分即為標準慣量砝碼3，其固定于中心軸2上，可以實現轉動慣量的階梯式調節(jié)。微調部分由微調桿4和若干微調砝碼5組成。微調桿4的中部與中心軸2固定；微調砝碼5通過螺紋連接于微調桿4上，因此可以通過調節(jié)其與中心軸2的距離進而對轉動慣量進行連續(xù)調節(jié)。

本發(fā)明的基本思想是：對于一些試驗模型，從模擬的角度而言主要關注質量(慣量)和剛度這兩個物理量，因此可將這兩個量進行轉換進而開展模擬試驗。為此，本發(fā)明將平動慣量轉換為轉動慣量，將線性剛度轉換為扭轉剛度，因此以一套輕便的裝置即可模擬一套沉重的裝置。這樣做的目的是簡化試驗過程，節(jié)省試驗資源，有利于降低使用成本并極大縮短試驗時間。

根據轉動慣量的計算公式：

裝置總體的轉動慣量可通過改變標準慣量砝碼3的質量以及微調砝碼5的質量和位置實現調節(jié)。標準慣量砝碼3可實現階梯式調節(jié)，微調砝碼5可實現連續(xù)調節(jié)。微調砝碼5通過螺紋連接于微調桿4上，因此可以通過調節(jié)其與中心軸2的距離對轉動慣量進行調整。微調砝碼5遠離中心軸2，轉動慣量增加；反之，轉動慣量減小。

下面結合圖1進一步說明本裝置的具體工作原理：

①計算試驗裝置的剛度和轉動慣量。②根據計算出的參數，選取適當的部件進行匹配。③選取適當剛度的彈簧8，一端固定于支座1上，另一端分別與彈簧盤7上的繞線連接。④選取適當質量的標準慣量砝碼3和微調砝碼5，并分別安裝于中心軸2和微調桿4上。⑤計算并測試整個裝置的轉動慣量，并根據測試結果調整微調砝碼5的位置，重復以上步驟直至測試結果與試驗要求的轉動慣量相吻合。⑥各個部分安裝、定位完成后，即可開始試驗。

以海洋平臺的風載荷校核試驗為例：①由計算機向電機輸出風的拖曳力(拉力)信號，由電機驅動使得線纜張緊。在此拉力作用下，裝置產生轉動趨勢；另一方面，裝置的轉動使得彈簧盤7上的繞線張緊，其所連接的彈簧8產生拉力，令裝置產生向反方向轉動的趨勢。②在兩方面拉力的同時作用下，裝置產生周期性的轉動。線纜上連接有拉力傳感器，用于采集在此運動過程中的拉力時歷數據。③將采集到的數據與拉力的源文件進行比較分析，可以得出二者在統(tǒng)計特征方面的差異。在此基礎上，需通過修改參數減小二者的差異。進行多次試驗，方可得到較為理想的試驗結果。

利用本裝置進行科研和工程試驗，可以大大簡化試驗過程，縮短試驗時間，且占用較少試驗資源，進而可獲得有益效果。

發(fā)明專利著重保護創(chuàng)新的方法思想，通過將轉動慣量和平動慣量的轉換、扭轉剛度和線性剛度的轉化，以一套輕便的裝置即可模擬一套沉重的裝置。裝置是說明原理可行的載體。創(chuàng)新思想不單單可以應用到海洋平臺模型試驗上，同樣可以模擬所有與慣量和剛度相關的物理現象。

本發(fā)明的設計思想可廣泛用于各種工程研究和試驗領域，有利于極大地簡化試驗過程以及節(jié)省試驗資源。