離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備及其測試方法
2023-05-10 17:08:11 2
離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備及其測試方法
【專利摘要】離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備及其測試方法，設備由控制部分、驅動部分和出力部分組成；控制部分的工控機通過數採卡接信號調理及轉接器接驅動功率放大器；驅動部分的驅動電源通過驅動功率放大器接兩個激勵器；出力部分的兩個激勵器所產生的波浪作用力通過懸掛於模型箱頂蓋下方中央的銜鐵，以非接觸方式施加給研究目標；在兩個激勵器上分別安裝有水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器；激勵器內部安裝有力傳感器；各傳感器的輸出接工控機。本發明能夠模擬的波浪力幅值大、波形為正弦波（半波）、可模擬任意比例的波壓力與波吸力、持續時間長；波浪力的調控方便；有利於土工離心模型的布置；操作安全；能夠實現精確控制。
【專利說明】離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用於土工離心機上的輔助設備，具體涉及一種可用於模擬波浪循環作用工況離心模型試驗的設備，特別適用於開展諸如碼頭、防波堤等近海工程結構物以及鑽井平臺等離岸工程結構物的試驗模擬，以研究波浪或風暴潮作用下結構物、地基的變形和穩定性狀。
【背景技術】
[0002]無論是近海工程還是離岸工程，都一直受波浪作用的影響，其中不乏風暴潮這樣的強度大、時間長的波浪作用。隨著社會經濟的大發展，近海工程中，碼頭的等級越來越大、防波堤越來越遠離海岸；海洋油氣資源的開發也使得以鑽井平臺為主的離岸工程越來越多。由此引起了工程量和水深越來越大、地基條件越來越惡劣等技術難題。為解決好這些技術難題，設計部門提出了大量新結構形式，如遮簾式板樁碼頭、卸荷式板樁碼頭、箱筒形防波堤、桶式防波堤等，在這些新結構成功應用於實際工程之前，必須對結構本身性狀、結構與地基相互作用等關鍵問題進行深入研究。土工離心模型試驗是開展此類研究的重要手段，其中最關鍵的技術難點就是準確模擬出波浪力的作用。
[0003]在土工離心模型中，一般採用離心機振動臺模擬頻率較高地震荷載作用，而對於頻率較低波浪動荷載作用的模擬，目前主要有3種方法:
1.用擬靜力法模擬波浪力作用。即根據需要研究的波浪力特徵值，計算出一個等效的靜力作用於研究目標上，這種方法具有簡便易行、與數值方法對比方便的優點；缺點也很明顯，除了等效方法的選用標準具有經驗性，更關鍵的缺點是等效的擬靜力不能模擬出波浪的動態作用；
2.採用離心機中的造波機直接製作波浪。這種方法是理論上模擬波浪的最佳方法，水力學試驗中就較普遍地採用造波機在離研究目標較遠處來產生需要模擬的波浪。但造波機應用於離心機中卻有著相當大的技術難度，首先在結構物處產生的反射波和破碎波難以消除，這一技術難題導致離心機造波機比較適合模擬研究波浪對海地管線影響之類問題(Sekiguchi et al.1994 和 1998，Gao & Randolph 2007);其次離心模型一般空間有限，造波機與研究目標的距離較近，不足以在這樣的距離內產生穩定的波浪；此外常用的造波機普遍造價高昂，離心機中研製造波機更是需要花費極大的人力物力。
[0004]3.採用專門的循環往復荷載作動裝置，間接模擬波浪荷載作用，這比較適合模擬研究波浪對迎浪結構物作用影響等問題，常見的有採用伺服電動機或電磁激振器模擬波浪力的往復作用(Zhang et al.2005，張建紅等2007)，這種方法具有能夠準確模擬波浪作用頻率的優點，但缺點也很明顯，首先所模擬的波浪力作用是不連續的、單方向作用的，不能模擬實際的波形，也不能模擬反波的作用；其次為了保證在激振裝置在目標變形後仍然與之保持接觸，需要另外在目標上製作變形適應裝置，改變了目標的結構布置，即使如此也往往只能適應豎直方向的變形。
[0005]參考文獻:[1]Sekiguchi, H, Kita, K.and Okamoto, 0.1994.Wave-1nduced instabilityof sand beds.Centrifuge 94, Leung, Lee & Tan (eds) Balkema, 295-300.[2]Sekiguchi, H, Kita, Sassa, S.and Shimamura, T.1998.Generat1n ofprogressive Fluid waves in a geo-centrifuge.Geotechnical Testing Journal,ASTM, 21(2), 95-101.[3]Gao, F.P., Randolph, M.F., 2007.Wave generat1n system in a drumcentrifuge and its applicat1n.中國土木工程學會第10屆土力學及巖土工程學術會議論文集(上集)，重慶大學出版社(ISBN 978-7-5624-4267-7)，2007年11月:274-280
[4]Zhang X Y; Leung C F; Lee F H.Performance of caisson breakwatersubjected to breaking wave loads.1n: Frontiers in Offshore Geotechnics:1SFOG-Gourvenec & Caaidy (eds) ?2005 Taylor & Francisv Group; London; ISBN 0415 39063 X: 569-575
[5]張建紅，林小靜，魯曉兵.水平荷載作用下張力腿平臺吸力式基礎的物理模擬.巖土工程學報，2007，29 (I):77-81。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，旨在解決離心機高重力加速度場下的以下關鍵問題:1，現有技術只能模擬波壓力與波吸力等幅度作用的波浪；2，現有技術需通過連接裝置接觸模型施加波浪力，連接裝置改變了模型的原有形態且增加了額外的豎向力；3，現有技術只能模擬較小幅值的波浪力作用；4，現有技術不利於土工離心模型的布置 ；5，現有技術不能長時間模擬波浪力作用；6，現有技術難以實現精確控制。
[0007]本發明還將提供這種離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備的測試方法。
[0008]完成上述發明任務的技術方案是:一種離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，本設備由3部分組成:控制部分、驅動部分和出力部分；其特徵在於，所述控制部分的組成是，工控機通過數採卡接信號調理及轉接器接驅動部分的驅動功率放大器；所述驅動部分的結構是:驅動電源通過驅動功率放大器接出力部分的兩個激勵器；所述出力部分的結構是:分別固定在模型箱頂蓋下方兩側的兩個激勵器，兩個激勵器所產生的波浪作用力通過懸掛於模型箱頂蓋下方中央的銜鐵，以非接觸方式給研究目標施加往復作用力；水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器分別安裝在固定兩個激勵器的框架上；激勵器後部串聯安裝有力傳感器；所述水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器和力傳感器的輸出接工控機。
[0009]所述控制部分用於發出驅動控制指令；接收、處理各傳感器的信號，控制所模擬波浪力的特徵值(幅值、頻率、波壓力與波吸力比值、作用時間)；所述驅動部分中的驅動電源向驅動功率放大器供電，驅動功率放大器接收來自控制部分的指令，對出力部分進行驅動；所述出力部分中的兩個激勵器受驅動部分驅動，兩個電磁激勵器以相差為180°的半正弦波推挽形式，產生往復作用力，兩個激勵器的電磁激勵力的頻率一致，但幅值可以單獨調節，產生特定的模擬波浪力，力傳感器持續監測所產生作用力的大小，反饋至控制部分；控制部分根據測量值和設定值持續調整發往驅動部分的指令，在試驗過程中隨時調整波浪力的特徵值，如頻率、峰值、正波與反波的比例、持續時間，以模擬實際工程中出現的複雜波浪荷載。激勵器所產生的波浪作用力通過銜鐵，以非接觸方式給研究目標施加往復作用力，避免因接觸需要產生的其它約束力。
[0010]本發明設備的出力部分中，激勵器和傳感器固定於模型箱頂板下方，不與模型接觸；
銜鐵與模型通過滾輪接觸，不影響結構物的變形和位移；
所述的兩個激勵器上連接的激勵電源線、及所述水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器和力傳感器上的傳感器線，均是通過離心機滑環連接至驅動部分及控制部分。
[0011]完成本申請第二個發明任務的技術方案是:使用上述離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備的測試方法，其特徵在於，步驟如下，
(1).首先確定需要模擬的波浪力特徵值，包括頻率、峰值、正波與反波的比例、持續時間，按離心模型試驗相似率進行換算；
(2).製備模型，安裝相關傳感器；
(3).將本發明設備的出力部分安裝於模型上，出力部分中，激勵器和傳感器固定於模型箱頂板下方，不與模型接觸，銜鐵與模型通過滾輪接觸，不影響結構物的變形和位移；將激勵電源線、傳感器線通過離心機滑環連接至驅動部分及控制部分；
(4).開啟離心機，施加高重力場；
(5).通過控制部分調整施加的波浪力荷載特徵值，進行加載，並記錄相關傳感器數據，直至試驗結束。
[0012]換言之，本項發明是通過以下關鍵技術得以實現(請參見圖1):
1，本設備由3部分組成:控制部分、驅動部分和出力部分。
[0013]2，控制部分包括附圖1中的工控機及測控軟體、數採卡、信號調理及轉接。其中，信號調理及轉接接收出力部分傳感器的信號並向驅動部分發出指令，信號和指令均通過數採卡送至工控機由測試軟體進行處理。
[0014]3，驅動部分包括附圖1中的驅動電源、驅動功率放大器。其中，驅動電源向驅動功率放大器供電，驅動功率放大器接收來自控制部分的指令，對出力部分進行驅動。
[0015]4，出力部分包括附圖1中的激勵器、雷射位移傳感器、力傳感器、銜鐵。其中，激勵器為2個，分別固定在模型箱頂蓋下方兩側，受驅動部分驅動，兩個電磁激勵器以相差為180°的半正弦波推挽形式，產生往復作用力，兩個激勵器的電磁激勵力的頻率一致，但幅值可以單獨調節，產生特定的模擬波浪力；雷射位移傳感器安裝於激勵器外壁上，監測模型的位移；力傳感器安裝於激勵器內部，監測激勵器產生作用力大小，反饋至控制部分；銜鐵懸掛於模型箱頂蓋下方中央位置，激勵器所產生的波浪作用力通過銜鐵，以非接觸方式給研究目標施加往復作用力，避免因接觸需要產生的其它約束力。
[0016]5，試驗時，將本發明設備的出力部分安裝於模型上，出力部分中，激勵器和傳感器固定於模型箱頂板下方，不與模型接觸，銜鐵與模型通過滾輪接觸，不影響結構物的變形和位移；將激勵電源線、傳感器線通過離心機滑環連接至驅動部分及控制部分。
[0017]6，在離心機高重力場下，通過控制部分設定、調整施加的波浪力荷載特徵值，進行加載，記錄相關傳感器數據，直至試驗結束。
[0018]本發明的設備與方法具有以下特點: 1，能在離心機高重力場下正常運行；有利於土工離心模型的布置；本發明的操作十分安全；本發明能夠實現精確控制。
[0019]2，能夠模擬的波浪力幅值較大，在105倍重力加速度的高重力場中最大可達到
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[0020]3，產生的波浪力波形為正弦波(半波)，可模擬任意比例的波壓力與波吸力，更接近真實情況。
[0021]4，能夠長時間模擬波浪力作用，在離心機高重力場下，以30 min為I個周期，可進行多個周期的加載。
[0022]本發明能夠模擬的波浪力幅值大、波形為正弦波(半波)、可模擬任意比例的波壓力與波吸力、持續時間長；波浪力的調控方便；有利於土工離心模型的布置；本發明的操作十分安全；本發明能夠實現精確控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明設備結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例1—箱筒型基礎防波堤的土工離心模型試驗研究。
[0025]請參見圖1所示，本設備由3部分組成:控制部分、驅動部分和出力部分。控制部分由是工控機、控制軟體、數採卡和信號調理及轉接器組成，用於發出指令、接收驅動部分和出力部分的信號，控制所模擬波浪力的特徵值(幅值、頻率、波壓力與波吸力比值、作用時間)；驅動部分包括驅動電源和驅動功率放大器；出力部分包括激勵器、雷射位移傳感器、力傳感器和銜鐵。圖中，工控機及其控制軟體1，採集卡2，信號調理及轉接3，驅動電源4，驅動功率放大器5，水平變位雷射位移傳感器6，銜鐵7，沉降雷射位移傳感器8，IKN激勵器9，2kN力傳感器10，上位筒11，下位筒12，地基土層13，模型箱14。
[0026]試驗時，在離心機高重力場下，啟動驅動電源向驅動功率放大器供電，驅動功率放大器接收來自控制部分的指令，對激勵器進行驅動；基於雙電磁激勵器的推挽作用，產生相差為180°正弦波(半波)式往復作用力，力傳感器持續監測所產生作用力的大小，反饋至控制部分；控制部分根據測量值和設定值持續調整發往驅動部分的指令，在試驗過程中隨時調整波浪力的特徵值，如頻率、峰值、正波與反波的比例，以模擬實際工程中出現的複雜波浪荷載。所產生的波浪作用力通過銜鐵，以非接觸方式給研究目標施加往復作用力，避免因接觸需要產生的其它約束力。
[0027]圖1中所示的模型箱中是箱筒型基礎防波堤模型，試驗布驟為:(I)製備軟土地基並安裝箱筒型基礎防波堤模型，安裝相關傳感器；(2)將本發明設備的出力部分安裝於模型上，出力部分中，激勵器和傳感器固定於模型箱頂板下方，不與模型接觸，銜鐵與模型通過滑輪接觸，不影響結構物的變形和位移；(3)將激勵電源線、傳感器線通過離心機滑環連接至驅動部分及控制部分；(4)開啟離心機，施加高重力場；(5)通過控制部分調整施加的波浪力荷載特徵值，進行加載，記錄相關傳感器數據，直至試驗結束。
【權利要求】
1.一種離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，本設備由3部分組成:控制部分、驅動部分和出力部分；其特徵在於，所述控制部分的組成是，工控機通過數採卡接信號調理及轉接器接驅動部分的驅動功率放大器；所述驅動部分的結構是:驅動電源通過驅動功率放大器接出力部分的兩個激勵器；所述出力部分的結構是:分別固定在模型箱頂蓋下方兩側的兩個激勵器，兩個激勵器所產生的波浪作用力通過懸掛於模型箱頂蓋下方中央的銜鐵，以非接觸方式給研究目標施加往復作用力；在兩個激勵器外側分別安裝有水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器；激勵器之後安裝有力傳感器；所述水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器和力傳感器的輸出接工控機。
2.根據權利要求1所述的離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，其特徵在於，所述的分別固定在模型箱頂蓋下方兩側的兩個激勵器，均採用IkN激勵器。
3.根據權利要求1所述的離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，其特徵在於，所述出力部分中的激勵器和傳感器固定於模型箱頂板下方，不與模型接觸。
4.根據權利要求1所述的離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，其特徵在於，所述銜鐵與模型是通過滾輪接觸。
5.根據權利要求1-4之一所述的離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備，其特徵在於，所述的兩個激勵器上連接的激勵電源線、及所述水平變位雷射位移傳感器、沉降雷射位移傳感器和力傳感器上的傳感器線，均通過離心機滑環連接至驅動部分及控制部分。
6.使用權利要求1所述的離心模型試驗波浪循環荷載模擬設備的測試方法，其特徵在於，步驟如下， (1).首先確定需要模擬的波浪力特徵值，包括頻率、峰值、正波與反波的比例、持續時間，按離心模型試驗相似率進行換算； (2).製備模型，安裝相關傳感器； (3).將本發明設備的出力部分安裝於模型上，出力部分中，激勵器和傳感器固定於模型箱頂板下方，不與模型接觸，銜鐵與模型通過滑輪接觸，不影響結構物的變形和位移；將激勵電源線、傳感器線通過離心機滑環連接至驅動部分及控制部分； (4).開啟離心機，施加高重力場； (5).通過控制部分調整施加的波浪力荷載特徵值，進行加載，記錄相關傳感器數據，直至試驗結束。
【文檔編號】G01M7/08GK104075866SQ201410294079
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】蔡正銀, 王志選, 徐光明, 顧行文, 任國峰, 黃英豪, 關雲飛, 徐惠, 李嫦玲, 曹永勇 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院