導輪式彈性繩索模擬裝置及應用方法與流程
2024-04-02 09:15:05
本發明屬於港口航道工程實驗室試驗設備，具體涉及一種導輪式彈性繩索模擬裝置及應用方法。
背景技術：
：隨著海洋經濟的快速發展，濱海資源得到進一步的開發，深海經濟越來越受到重視。船型的大型化及碼頭的深水化成為必然的趨勢，但隨之而來的，工程建設也將面對越來越惡劣的自然條件。船舶的系泊及大型結構物的錨定通常會利用高強度的纜繩來與固定的墩柱連接以保證安全。纜繩的受力與船舶運動具有非常複雜的關係，它不僅涉及到系纜力等對船舶的非線性約束，同時還涉及風、水流動以及波浪的作用，而且不同的碼頭泊位布置方案如碼頭長度、結構布置等也會直接影響到船舶的系纜力的分布。其中，系泊纜繩的布置方式、使用數量、初張拉力以及材料種類都會對船舶和碼頭結構的安全與正常運行產生重要的影響。如上所述，由於船舶所受外荷載的多樣性，纜繩受力十分複雜，因此需要在實驗室中通過船舶系泊物理模型試驗的方法對實際工程中碼頭泊位和系泊船舶纜力設計等進行驗證和優化。在實驗室中進行船舶系泊物理模型試驗時，需要合適的替代物來模擬實際工程中的彈性繩索(在實際工程中，纜繩在受拉力作用下都會有一定變形，而其變形將影響對於系纜物體的約束,纜繩的受力變形特性與其長度、直徑以及材料等因素有關，表現為明顯的非線性特點。因此正確的模擬彈性繩索對於試驗結果具有重要的影響)。目前，試驗室主要通過組合彈簧片或者尋找相似替代材料來模擬實際工程原型的彈性繩索，如以縮小的鋼絲繩、尼龍線等性能接近的材料來進行試驗。但上述方法均無法較為準確模擬實際繩索的拉力-變形曲線(即無法準確模擬實際繩索的拉力變形特性)。一方面需要多次重複試驗，操作費時，且模擬效果較差；另一方面，由於實際工程中採用的繩索多樣，且由於試驗比尺限制，很難找到一種便捷、通用的方法來模擬彈性繩索。技術實現要素：為了克服上述現有技術的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提出一種可以準確模擬實際工程中的彈性繩索的導輪式彈性繩索模擬裝置。該導輪式彈性繩索模擬裝置可以準確模擬實際繩索的拉力變形特性，適用於船舶系泊、大型結構物錨定等彈性繩索模擬，可推廣應用於其他類型模型試驗的繩索模擬。本發明是通過以下技術方案實現的：一種導輪式彈性繩索模擬裝置，包括兩個滑道板，在滑道板上沿其長向豎直開設有多個滑槽，在每一個滑槽上設置可以上下自由滑動的限位螺絲；在兩個滑道板中間豎直設置有一空心導軌，空心導軌底部固定於底板上，空心導軌頂端設置一定滑輪，空心導軌的底部還滑動套裝有一託盤；定滑輪一側的導線豎直穿過空心導軌並與底部託盤相連；其中空心導軌側面留有縫隙，以使託盤能夠隨導線通過導軌上下移動；在空心導軌上還套設有多個重塊，重塊的數量與單個滑道板上的滑槽的數量一致；重塊之間通過彈簧連接，並在每個重塊的底部水平設置支撐杆，支撐杆的兩端分別搭接在兩個滑道板滑槽上的限位螺絲上，以使重塊只能向上移動而限制其向下運動；當彈性繩索受力時，繩索拉力通過滑輪導線將底部託盤提起，並壓縮彈簧，當重塊提升高度達到一定程度時，底部託盤與其上重塊相接並繼續向上運動；至拉力達到最大值時，重塊停止向上運動，並隨著拉力變小向下運動；當拉力恢復至小於某個重塊的重量時，該重塊由於受到限位螺絲的阻擋而停止向下運動。在上述技術方案中，每個滑道板上豎直設置5-10個規格相同的滑槽，每個滑槽等間距布置。在上述技術方案中，滑輪另一側的導線與另一個可移動的滑輪相連，該可移動的滑輪可靈活固定於彈性繩索的一段。在上述技術方案中，在滑道板一側，設置一標尺，其精度為毫米級，用於控制各個重塊之間的距離。在上述技術方案中，為防止重塊在與託盤或前一個重塊接觸前被彈簧頂起，將重塊下部設置凹槽，將彈簧一段設置在凹槽內，即留有部分的彈性空間。所述的導輪式彈性繩索模擬裝置的具體設置方法：(1)根據原型彈性繩索拉力-變形對應關係，計算得到縮尺後的與原型對應的模型繩索的拉力-變形關係，並取若干節點(Fn，Ln)，見下表，拉力F1F2F3F4…Fn變形L1L2L3L4…Ln其中Fn-Fn-1為模型重塊Gn的重力,重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n(n一般小於10)，當n＝1時，模型重塊G1的重力為F1，且重塊G1到G0之間距離即重塊G1到託盤(G0相當於託盤，託盤的重力忽略為0)的距離，等於L1(2)根據胡克定律計算每個重塊(Gn,n＝1,2,3…)下邊連接的彈簧的彈性係數Kn：Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；由於實際彈簧的彈性係數不可能完全等於理論上求得的彈性係數，所以實際中，保證彈簧的彈性系小於或數等於理論上求得的彈性係數即可。(3)根據需要，設置每個滑道板上的滑槽數目為n個；(4)通過調節限位螺絲，設置重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，並將彈性係數Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的彈簧分別置入重塊下邊。所述的導輪式彈性繩索模擬裝置在船舶系泊物理模型試驗中的應用：將導輪式彈性繩索模擬裝置連接實驗室中的相應設備(模型船舶)進行船舶系泊物理模型試驗，具體方法如下：試驗時，繩索一端受到拉力，託盤受繩索牽引向上運動，託盤G0開始擠壓彈簧K1直至運動L1後，與第一重塊G1相接觸，此時可以保證當拉力為F1時，繩索的伸長量為L1；當拉力逐漸增大並超過第一重塊G1的重量時，第一重塊G1隨託盤一起上升並擠壓彈簧K2直至拉力達到F2時與第二重塊G2一起向上運動，此時可以保證當拉力為F2時，繩索的伸長量為L2，依次類推，隨著拉力的增大，模擬繩索受力變形情況，可以保證各拉力節點位置處繩索的變形能精確符合拉力-變形曲線，從而準確模擬實際工程原型的彈性繩索。當拉力減小時，過程相反，由於受到支撐杆和限位螺絲的制約，當拉力減小了一個重塊的重量時，隨準託盤運動中最上邊的重塊停止向下運動。進一步的講，在實驗過程中，導輪式彈性繩索模擬裝置的繩索的受拉端設置有測力傳感器，通過測力傳感器實時採集繩索的受力大小，以驗證原型繩索的系纜力是否符合要求，當測力傳感器採集的繩索受力大於繩索的破端點時(選取的節點(Fn，Ln)中包括破端點)，則原型繩索的系纜力設計不符合要求。本發明的優點和有益效果為：本裝置將模型纜繩一側與作用物體(船舶等)連接，另一側通過導輪與重塊(砝碼)連接；通過重塊的重力模擬彈性繩索的拉力，對應拉力作用下的繩索變形，通過重塊的距離控制；重塊之間通過設置彈簧，來保證在相鄰的拉力作用下彈性繩索的變形呈線性。將彈性繩索在受到拉力作用下的非線性變形轉化成若干線性變形，通過精確控制重要的拉力節點(繩索破端力等)處繩索的變形，從而在模型試驗中能夠更加準確的反應彈性繩索的拉力-變形關係。本發明可以克服現有技術的不足，滿足不同試驗比尺及各種材料。由於試驗中採用導輪掛重，因此可用於多種複雜的試驗條件，包括水底測力；空間佔用面積小，布置靈活，可用於多種複雜結構部分；保證繩索的拉力與繩索軸線處於同一直線，能夠真實反映繩索的受力狀態；使用效率高，不需率定，操作方便，極大提高工作效率，且造價較低；試驗精度高，滿足工程需要。附圖說明圖1是本發明導輪式彈性繩索模擬裝置的正視圖；圖2為導輪式彈性繩索模擬裝置的側視圖；圖3某繩索在受到軸向拉力時的對應拉力-變形曲線。其中，1為底板；2為帶有刻度尺的滑道板；3為限位螺絲；4為滑槽；5為定滑輪；6為空心導軌；7為重塊；8為彈簧；9為支撐杆；10為可移動的滑輪；11為託盤。具體實施方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。參見附圖1，一種導輪式彈性繩索模擬裝置，包括底座1，在底座1上豎直設置兩個滑道板2，滑道板2為長方體形，在滑道板2上沿其長向豎直開設有多個滑槽4，如附圖1所示，每個滑道板2上豎直設置6個規格相同的滑槽4，6個滑槽4等間距布置，在每一個滑槽4上設置可以上下自由滑動的限位螺絲3；在兩個滑道板2中間豎直設置有一空心導軌6，空心導軌6底部固定於底板1上，空心導軌6頂端設置一定滑輪5，空心導軌6的底部還滑動套裝有一託盤11；定滑輪5一側的導線豎直穿過空心導軌6並與底部託盤11相連；其中空心導軌6側面留有縫隙，以使託盤11能夠隨導線通過導軌上下移動；在空心導軌6上還套設有6個重塊7，重塊7的數量與單個滑道板2上的滑槽4的數量一致；重塊7之間通過彈簧8連接，並在每個重塊7的底部水平設置支撐杆9，支撐杆9的兩端分別搭接在兩個滑道板2滑槽4上的限位螺絲3上，以使重塊只能向上移動而限制其向下運動；參見附圖2，滑輪另一側的導線與另一個可移動的滑輪10相連，該可移動的滑輪10可靈活固定於彈性繩索的一段；在滑道板2一側，設置一標尺，其精度為毫米級，用於控制各個重塊之間的距離。當彈性繩索受力時，繩索拉力通過滑輪導線將底部託盤11提起，並壓縮彈簧8，當重塊提升高度達到一定程度時，底部託盤與其上重塊相接並繼續向上運動；至拉力達到最大值時，重塊停止向上運動，並隨著拉力變小向下運動；當拉力恢復至小於某個重塊的重量時，該重塊由於受到限位螺絲的阻擋而停止向下運動。下面說明本發明導輪式彈性繩索模擬裝置的具體設置方法：(1)根據原型彈性繩索拉力-變形對應關係，計算得到縮尺後的與原型對應的模型繩索的拉力-變形關係(圖3)，並取若干節點(Fn，Ln)，見下表，拉力F1F2F3F4…Fn變形L1L2L3L4…Ln其中Fn-Fn-1為模型重塊Gn的重力,重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n(n一般小於10)，當n＝1時，模型重塊G1的重力為F1，且重塊G1到G0之間距離即重塊G1到託盤(G0相當於託盤，託盤的重力忽略為0)的距離，等於L1(2)根據胡克定律計算每個重塊(Gn,n＝1,2,3…)下邊連接的彈簧的彈性係數Kn：Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；由於實際彈簧的彈性係數不可能完全等於理論上求得的彈性係數，所以實際中，保證彈簧的彈性系小於或數等於理論上求得的彈性係數即可。(3)根據需要，設置每個滑道板2上的滑槽4數目為n個；(4)通過調節限位螺絲，設置重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，並將彈性係數Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的彈簧分別置入重塊下邊；至此本發明的導輪式彈性繩索模擬裝置設置完成，接下來將導輪式彈性繩索模擬裝置連接實驗室中的相應設備(模型船舶)進行船舶系泊物理模型試驗。試驗時，繩索一端受到拉力，託盤受繩索牽引向上運動，託盤G0開始擠壓彈簧K1直至運動L1後，與第一重塊G1相接觸(為防止重塊在與託盤或前一個重塊接觸前被彈簧頂起，將重塊下部設置凹槽，將彈簧一段設置在凹槽內，即留有部分的彈性空間)，此時可以保證當拉力為F1時，繩索的伸長量為L1；當拉力逐漸增大並超過第一重塊G1的重量時，第一重塊G1隨託盤一起上升並擠壓彈簧K2直至拉力達到F2時與第二重塊G2一起向上運動，此時可以保證當拉力為F2時，繩索的伸長量為L2，依次類推，隨著拉力的增大，模擬繩索受力變形情況，可以保證各拉力節點位置處繩索的變形能精確符合拉力-變形曲線，從而準確模擬實際工程原型的彈性繩索。當拉力減小時，過程相反，由於受到支撐杆和限位螺絲的制約，當拉力減小了一個重塊的重量時，隨準託盤運動中最上邊的重塊停止向下運動。在實驗過程中，導輪式彈性繩索模擬裝置的繩索的受拉端設置有測力傳感器(即繩索的一端通過測力傳感器與實驗室的測試設備連接)，通過測力傳感器實時採集繩索的受力大小，以驗證原型繩索的系纜力是否符合要求，當測力傳感器採集的繩索受力大於繩索的破端點時(本裝置選取的節點(Fn，Ln)中包括破端點)，則原型繩索的系纜力設計不符合要求。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3