Innovative design of vortex induced vibration testing device for underwater manipulator
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摘要: 拖曳水池是研究大型结构水动力性能的主要实验设施，为了揭示水下机械臂涡激振动响应，解决传统涡激振动装置调速形式单一、不能连续测试等问题，利用TRIZ和AHP（层次分析法）创新设计了一种适用于水下机械臂涡激振动测试装置。首先，对涡激振动测试装置进行技术成熟度预测、系统分析，确定了现有涡激振动测试装置的发展趋势、存在问题。然后，利用冲突矩阵进行技术冲突求解，获得了3种备选的创新性方案。最后，通过AHP在3种创新设计方案中确定了最佳方案，将一般解转换成特殊解，创新设计了可营造均匀流及剪切流多种流场的水下机械臂涡激振动测试装置，实现了水下机械臂单一装置下多流场涡激振动测试。Abstract: Towing pool is the main experimental facility to study the hydrodynamic performance of large structures. In order to reveal the vortex induced vibration response of underwater manipulator and solve the problems that the speed regulation form of traditional vortex induced vibration device is single and can not be tested continuously, a vortex induced vibration test device suitable for underwater manipulator is innovatively designed by using TRIZ and AHP (Analytic Hierarchy Process). Firstly, the technical maturity prediction, system analysis of the vortex induced vibration test device are carried out, and the development trend, existing problems of the existing vortex induced vibration test device are determined. Then, the conflict matrix is used to solve the technical conflict, and three alternative innovative schemes are obtained. Finally, the optimal scheme is determined in the three innovative design schemes through AHP, the general solution is transformed into a special solution, and the vortex induced vibration test device of underwater manipulator which can create multiple flow fields of parallel flow and shear flow is innovatively designed, which realizes the multiple flow field vortex induced vibration test of underwater manipulator under a single device.
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Key words:
- underwater manipulator /
- vortex induced vibration /
- towing pool /
- TRIZ
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表 1 涉及的发明原理
冲突 说明 改善 恶化 发明原理 一 测试过程存在间断性，考虑增加测试过程的作用时间 25 15 20，10，
28，18二 传统测试装置较为复杂、不易操作，需要简化结构 37 34 12，26 三 测试装置需要新的辅助结构调节流速，但会增加结构的复杂性 39 36 12，17，
28，24四 实现营造复杂的流场营造的同时，测试装置的作用力也会复杂化 35 10 15，17，20 
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表 2 发明原理初步选用
发明原理 说明 20有效作用的连续性√
10预操作×
18振动×
28机械系统的替代√原理20、原理28均可通过改变造流路径、传动方式来增加造流时间，改善造流过程问题 12等势性×
26复制√采用原理26能够有效降低成本 28机械系统的替代√
12等势性×
17维数变化×
24中介物√原理24中调速结构的出现有助于调节水流流速；原理28可以替换某些结构，实现功能 15动态化√
17维数变化√
20有效作用的连续性×原理15的思想可以设计自动化造流装置改变流场；原理17可通过倾斜安装结构方便改变流场
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表 3 设计方案组合
方案Ⅰ 方案Ⅱ 方案Ⅲ 28机械系统替代 20有效作用连续性 20有效作用连续性 26复制 26复制 26复制 24中介物 24中介物 28机械系统替代 17维数变化 17维数变化 15动态化
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表 5 均匀流下前15 s与后15 s试验数据对比
指标 前15 s试验数据 后15 s试验数据 最大值/(m/s2) 13.07 12.43 最小值/(m/s2) −13.15 −13.07 平均值/(m/s2) −0.04 −0.32
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表 6 剪切流下前15 s与后15 s试验数据对比
指标 前15 s试验数据 后15 s试验数据 最大值/(m/s2) 4.68 5.19 最小值/(m/s2) −4.62 −5.03 平均值/(m/s2) 0.03 0.08
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图(11) / 表(6)
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