在于，模型同步轴直径采用刚度相似得到，并在所述同步轴中间部位开槽口改变 直径来满足强度相似的要求，根据等效扭转角将所述槽口改成缓坡状，采用变直径同步轴 来避免槽口部位应力集中。
[0056] 优选地，具体包括如下步骤：
[0057] 步骤SSl确定同步轴直径，使得原型和模型刚度相似，也即满足：
[0058] 从而得到同步轴两端直径为： LziN 丄 UD 丄 DDiIO 乙 Λ /·!·? U/ i
[0059]
後）
[0060] 其中，θ为同步轴扭转角，G为同步轴原型材料剪切模量，下标m代表模型；
[0061] 步骤SS2确定同步轴中间控制直径，使得原型和模型强度相似，也即满足：
[_]
(7)
[0063] 其中，τ为同步轴截面切应力最大值，T为原型同步轴扭矩，W
[0064] 为原型同步轴扭转截面系数，下标m代表模型；
[0065] 步骤SS3根据步骤SS2得到机械同步轴满足强度相似的中间控制直径换算公式：
(8)
[0066] W.
[0067] 其中，D为同步轴原型外径，d为同步轴原型内径，λ 垂直升船机全整体物理模 型几何比尺；式（8)是关于同步轴模型外径Dni的四次方程，且只和原型的几何尺寸有关；若 同步轴模型为实心的，则可以达到Dni的显示表达式：
[0068] 步骤SS4根据所述步骤SSl所选的模型的直径在中间的位置挖入凹槽，使得所述 模型的同步轴整体的刚度和强度与原型相同，其中凹槽部位的深度为：
(9)
[0069]
[0070] 其中，0'"是根据刚度相似得到的外径，Dni是根据强度相似得到的外径；图1是本 发明的水力式升船机同步轴凹槽模型示意图，Λ h为凹槽的深度；
[0071] 步骤SS5为避免凹槽处产生的应力集中现象，将所述凹槽改成缓坡斜槽，所述缓 坡斜槽的深度和长度根据等效扭转角来确定；所述缓坡斜槽的同步轴根据对称性可以分成 三段：两端段、斜坡段、中间段；所述两端段为圆柱型，截面圆的外径由等效扭转角确定；所 述斜坡段为过渡的圆台；所述中间段为强度相似控制段，外径由强度相似确定，根据等效扭 转角具体方程建立如下：
(10)
[0072] '
[0073]
[0074] (12)
[0075] LziN 丄 UD 丄 DDiIO 乙 Λ /·!·? υ/ i χ
[0076]
[0077] 为满足强度相似，Dni3= Dni (15)
[0078] 将式（12)-(15)带入式（10)，指定各段长度后可以求得Dml ;图2是本发明的水力 式升船机同步轴斜槽模型示意图，下标1，2,3对应同步轴两端段、斜坡段、中间段，L表示长 度，D表示直径，m表示模型；其中θ2、θ3分别对应同步轴模型两端段、斜坡段、中间 段的扭转角，Θ:、92与Θ 3的和等效于模型同截面等长度的扭转角；L1、L2、L3分别对应同 步轴模型两端段、斜坡段、中间段的长度；Dl、D2、D3分别对应同步轴模型两端段、斜坡段、 中间段的外径；d为模型内径；m代表模型。
[0079] 本实施例选用景洪水力升船机机械同步系统加强布置数据，原型同步轴外径D = 0. 8m，内径d = 0. 68m，长度为2. 9m，同步系统单独作用下，承船厢2. 5m水深时，船厢倾斜量 为21. 7mm左右，同步轴扭矩为100. 7kN. m。景洪升船机整体模型几何比尺10。
[0080] 按本发明的方法，为方便制作，模型为实心且使用相同的材料时，即(!"=0,按照步 骤SSl由刚度相似条件确定同步轴直径：
[0081]
[0082] 由强度相似条件确定同步轴中间控制直径：
[0083]
[0084] 为使得同步轴整体的刚度和强度与原型相同所选的模型的直径在中间的位置挖 入凹槽，深度为：
[0085] 以上所得的等截面直径37. 4mm并在中间开4. 2mm槽口的同步轴理论上就能够同 时满足刚度和强度相似，但是为避免凹槽处产生的应力集中现象，将凹槽改成缓坡斜槽，斜 槽的深度和长度根据等效扭转角来确定。
[0086] 根据比例尺，同步轴模型的总长为0. 29m，若取模型中间段的长度为0. lm，斜坡段 为0.05m，则两端段为0.045m，将式（12)-(15)带入式（10)，得到：
[0087]
[0088] 从而求得两端段的直径为0· 09928m。
[0089] 同理，可以得到表1中其他长度取值情况下同步轴两端的直径。
[0090] 表1同步轴在不同中间段长度下模型的两端段直径
[0091]
[0092]
[0093] 表1中数据显示，在模型同步轴斜坡段的长度一定的情况下，随着中间段长度的 增加，两端段所需要的直径也增大，但是中间段过长模型比例会失调，不利于实际使用。
[0094] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种水力式升船机机械同步系统刚强度双相似模拟方法，其特征在于，模型同步轴 直径采用刚度相似得到，并在所述模型同步轴中间部位开槽口改变直径来满足强度相似的 要求，根据等效扭转角将所述槽口改成缓坡状，采用变直径同步轴来避免槽口部位应力集 中。2. 根据权利要求1所述的一种水力式升船机机械同步系统刚强度双相似模拟方法，其 特征在于，具体包括如下步骤： 步骤SSl确定同步轴直径，使得原型和模型刚度相似，也即满足：从而得到同步轴两端直径为：其中，Θ为同步轴扭转角，G为同步轴原型材料剪切模量，下标m代表模型； 步骤SS2确定同步轴中间控制直径，使得原型和模型强度相似，也即满足：其中，τ为同步轴截面切应力最大值，T为原型同步轴扭矩，W为原型同步轴扭转截面 系数，下标m代表模型； 步骤SS3根据步骤SS2得到机械同步轴满足强度相似的中间控制直径换算公式：其中，D为同步轴原型外径，d为同步轴原型内径，λ 垂直升船机全整体物理模型几 何比尺；式（8)是关于同步轴模型外径Dni的四次方程，且只和原型的几何尺寸有关；若同步 轴模型为实心的，则可以达到Dni的显示表达式：步骤SS4根据所述步骤SSl所选的模型的直径在中间的位置挖入凹槽，使得所述模型 的同步轴整体的刚度和强度与原型相同，其中凹槽部位的深度为：其中，D' "是根据刚度相似得到的外径，D "是根据强度相似得到的外径； 步骤SS5为避免凹槽处产生的应力集中现象，将所述凹槽改成缓坡斜槽，所述缓坡斜 槽的深度和长度根据等效扭转角来确定；所述缓坡斜槽的同步轴根据对称性可以分成三 段：两端段、斜坡段、中间段；所述两端段为圆柱型，截面圆的外径由等效扭转角确定；所述 斜坡段为过渡的圆台；所述中间段为强度相似控制段，外径由强度相似确定，根据等效扭转 角具体方程建立如下： CN 105155462 A TA 文小 ~P 2/2 贞为满足强度相似，Dni3= Dni (15) 将式（12)-(15)带入式（10)，指定各段长度后可以求得Dnil; 其中θ2、θ3分别对应同步轴模型两端段、斜坡段、中间段的扭转角，Θ i、92与 Θ 3的和等效于模型同截面等长度的扭转角；L i、L2、L3分别对应同步轴模型两端段、斜坡段、 中间段的长度D2、D3分别对应同步轴模型两端段、斜坡段、中间段的外径；d为模型内 径；m代表模型。
【专利摘要】本发明公开了一种水力式升船机机械同步系统刚强度双相似模拟方法，其特征在于，模型同步轴直径采用刚度相似得到，并在所述模型同步轴中间部位开槽口改变直径来满足强度相似的要求，根据等效扭转角将所述槽口改成缓坡状，采用变直径同步轴来避免槽口部位应力集中。本发明解决了现有技术中不能同时模拟机械同步轴抗扭变形和强度的技术问题，实现了既可以分析承船厢的稳定效果及同步轴的抗扭变形，在此基础上又可以同时校核同步轴强度，提高了水力式升船机物理模型试验的可靠性与准确性。
【IPC分类】E02B1/02
【公开号】CN105155462
【申请号】CN201510461259
【发明人】赵兰浩, 张伟, 郭博文, 李同春
【申请人】河海大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月31日