CN103234726B - 用于巨型海工离心机的超重力场加震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，包括：海工吊篮模型箱、震动台模型箱和震动台，海工吊篮模型箱为圆弧形且其内具有槽腔，海工吊篮模型箱设有进水口和出水口，海工吊篮模型箱分为第一段、第二段和用于放置海工结构的中间段，第二段内设有邻近第二端的消能结构，中间段的底壁向外突出以形成凹槽。震动台模型箱的上端敞开且设在凹槽内，震动台模型箱的上端的外周沿与凹槽的上端的外周壁之间通过密封装置密封以形成震动台空间，槽腔的底面上和震动台模型箱内设有土质海床，槽腔内填充有水。震动台设在震动台空间内，震动台用于产生震动且将震动施加给震动台模型箱。本发明的超重力场加震装置能在超重力场下再现海洋地震过程。

Description

用于巨型海工离心机的超重力场加震装置

技术领域

本发明涉及巨型海工离心机技术领域，尤其是涉及一种用于巨型海工离心机的超重力场加震装置。

背景技术

为了发展海洋经济、开发海洋资源、保障海上安全，需要模拟海洋典型载荷环境，例如模拟海洋地震过程。传统的土工离心机由于设计原理和结构形式使得模型中离心加速度分布误差大，模型的边界条件不正确，无法用于模拟还工结构所处的复杂的海洋环境。尤其是，目前还没有能够在超重力场下模拟复杂海洋环境如海洋地震过程的海工离心机。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，该超重力场加震装置能够在超重力场下再现海洋地震过程，模拟海洋环境下海洋地震-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋地震过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，包括：海工吊篮模型箱，所述海工吊篮模型箱为圆弧形，所述海工吊篮模型箱内具有槽腔，所述海工吊篮模型箱的第一端的端面上设有进水口，所述海工吊篮模型箱的第二端的端面上设有出水口，所述海工吊篮模型箱沿从所述第一端到所述第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于所述第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，所述第二段内设有邻近所述第二端的消能结构，所述中间段的底壁向外突出以形成凹槽；震动台模型箱，所述震动台模型箱的上端敞开，所述震动台模型箱设在所述凹槽内，所述震动台模型箱的上端的外周沿与所述凹槽的上端的外周壁之间通过密封装置密封以形成震动台空间，所述槽腔的底面上和所述震动台模型箱内设有土质海床，所述槽腔内填充有水；和震动台，所述震动台设在所述震动台空间内，所述震动台模型箱设在所述震动台上，所述震动台用于产生震动且将所述震动施加给所述震动台模型箱。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，通过使得海工吊篮模型箱形成为圆弧形，在巨型海工离心机旋转的过程中可在海工吊篮模型箱中产生分布均匀合理的超重力场，在超重力场的作用下，通过将震动台产生的震动施加给震动台模型箱，在土质海床和海工结构中产生力学响应，从而可在超重力场下再现海洋地震过程，模拟海洋环境下海洋地震-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋地震过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

另外，根据本发明上述实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述槽腔的底壁内设有出水通道，所述出水通道具有进口和出口，所述出水通道的进口与所述出水口相连，所述出水通道的出口形成在所述凹槽的底壁的外表面上。从而便于排出槽腔内的水。

具体地，所述出水通道的出口位于所述凹槽的底壁的中心位置。

进一步地，所述第一段和第二段的周长相同且相对于所述中间段彼此对称。从而可进一步保证模拟的海洋地震过程逼真，结果精确。

更进一步地，所述凹槽的底壁为平的。从而进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱内分布合理均匀。

根据本发明的一些实施例，所述海工吊篮模型箱具有矩形横截面。从而进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱内分布合理均匀。

在本发明的一些实施例中，所述海工吊篮模型箱的中间段的顶壁上设有顶部开口，所述顶部开口由盖板封闭。从而便于操作人员往槽腔内放置土质海床和海工结构。

可选地，所述消能结构为斜坡。从而该消能结构结构简单可靠。

具体地，所述震动台由液压系统驱动产生水平方向的激震，所述激震的加速度为0-40g，频率为0-350Hz。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置的示意图；

图2为装配有图1所示的超重力场加震装置的巨型海工离心机处于未运行状态时的示意图；

图3为装配有图1所示的超重力场加震装置的巨型海工离心机处于运行状态时的示意图。

附图标记：

巨型海工离心机10000、机架100、转轴101、转臂200、

第一海工吊篮300、第二海工吊篮400、海工吊篮模型箱401、

槽腔4011、进水口4014、第一段4016、中间段4017、

第二段4018、凹槽4020、消能结构4019、盖板4022、

出水通道4023、进口40231、出口40232、海工结构1300、

震动台模型箱600、密封装置1400、震动台空间1500、

土质海床700、水1200、震动台800

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其中，在本发明中，超重力场指的是在巨型海工离心机运行时的离心加速度场，由于此时离心加速度场为重力加速度场的N倍，因此称为超重力场。

如图2和图3所示，巨型海工离心机10000包括机架100、转臂200、第一海工吊篮300和第二海工吊篮400，转臂200可旋转地安装在机架100的转轴101上，第一海工吊篮300可上下摆动地连接在转臂200的第一端（如图3所示的左端）上，第二海工吊篮400可上下摆动地连接在转臂200的第二端（如图3所示的右端）上，第一海工吊篮300可用来模拟海洋环境，第二海工吊篮400包括超重力场加震装置内的海工吊篮模型箱401。

具体地，如图2所示，在重力的作用下，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈下垂状态，如图3所示，当转臂200旋转加速直至产生N倍的离心加速度（Ng）时，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈水平状态，此时第一海工吊篮300和第二海工吊篮400由于离心力的作用均位于超重力场下。更具体地，海工吊篮模型箱401的圆心角的范围为60-90度，N=50-150，即最大离心加速度可为150g，转臂200的转动半径的范围可为7.0m-9.0m，其中g代表重力加速度。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，如图1所示，包括：包括：海工吊篮模型箱401、震动台模型箱600和震动台800，其中，海工吊篮模型箱401为圆弧形，海工吊篮模型箱401内具有槽腔4011，海工吊篮模型箱401的第一端（如图1所示的左端）的端面上设有进水口4014，海工吊篮模型箱401的第二端（如图1所示的右端）的端面上设有出水口，海工吊篮模型箱401沿从第一端到第二端的长度方向分为第一段4016、第二段4018和位于第一段4016和第二段4018中间且用于放置海工结构1300的中间段4017，第二段4018内设有邻近第二端的消能结构4019，中间段4017的底壁向外突出以形成凹槽4020。可选地，消能结构4019为斜坡。值得说明的是，超重力场加震装置还包括与进水口4014相连的供水组件，该供水组件可通过进水口4014向槽腔4011内供水。

震动台模型箱600的上端敞开，震动台模型箱600设在凹槽4020内，震动台模型箱600的上端的外周沿与凹槽4020的上端的外周壁之间通过密封装置1400密封以形成震动台空间1500，槽腔4011的底面上和震动台模型箱600内设有土质海床700，槽腔4011内填充有水。也就是说，第一段4016的底面上放置有长度与第一段4016的周长相同的土质海床700，第二段4018的底面上放置有长度与第二段4018的周长相同的土质海床700，震动台模型箱600内放置有土质海床700，且震动台模型箱600内的土质海床700的顶面与第一段4016和第二段4018上的土质海床700的顶面平齐。

震动台800设在震动台空间1500内，震动台模型箱600设在震动台800上，震动台800用于产生震动且将震动施加给震动台模型箱600，以在土质海床700和海工结构1300中产生力学响应，从而模拟海洋地震。此时由于密封装置1400将震动台800和震动台模型箱600分开，可避免上层水、泥沙进入到震动台800内，对震动台800起到保护作用，延长震动台800的使用寿命。

具体地，震动台800由液压系统驱动产生水平方向的激震，激震的加速度为0-40g，频率为0-350Hz，以模拟地震烈度为9度的地震，更具体地，地震波形可为正弦波和任意地震波，震动台800的台面可为长60cm、宽60cm，震动台800的设计负载为100-500kg。其中，值得理解的是，震动台空间1500内还设有滑轨系统和数据采集系统等以用于采集震动台800产生的激震的加速度和频率。同时，值得理解的是，本发明的超重力场加震装置还包括测试系统等以对模拟的海洋地震-海工结构-土质海床的相互作用的结果进行测试。

其中，本发明实施例的超重力场加震装置还可包括造流机、造波机、造风暴组件中的至少一个，从而可在超重力场下再现海流过程、再现海洋波浪过程、再现海洋风波过程，进而对海工结构施加超强地震、波浪和海流耦合作用的极端荷载。此时值得说明的是，当超重力场加震装置包括造流机和/或造波机时，可通过从进水口4014进水并从出水口排水以产生大量的水流循环从而实现造流和/或造波。此时，且值得说明的是，该供水组件可为任何装置，只要可满足在超重力场下向槽腔4011内供水即可。

此时，第一段4016为造波、流、风段，中间段4017为中部试验段，第二段4018为消能段，第一段4016可由造流机产生单向或往复的海流，和/或由造波机产生波浪运动、和/或由造风暴组件产生风暴过程，中间段4017的凹槽4020中设有土质海床700，用于模拟不同深度的砂质或淤泥质海床地基。第二段4018可对传递到第二段4018的水流进行消能后从出水口排出。

值得说明的是，当本发明的超重力场加震装置内未设有造流机和/或造波机时，即该超重力场加震装置只用来模拟海洋环境下海洋地震-海工结构-土质海床的相互作用时或者是还模拟海洋环境下波浪-海工结构-土质海床的相互作用时，在超重力场加震装置处于未运行状态时，可通过进水口4014向槽腔4011内排水以使得槽腔4011内填充有水，此时出水口处于关闭状态，且在超重力场加震装置处于未运行状态时，可通过打开出水口向外排水以更换槽腔4011内的水1200。同时在该超重力场加震装置处于运行状态时，进水口4014和出水口处于关闭状态。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，通过使得海工吊篮模型箱401形成为圆弧形，在巨型海工离心机旋转的过程中可在海工吊篮模型箱401中产生分布均匀合理的超重力场，在超重力场的作用下，通过将震动台800产生的震动施加给震动台模型箱600，在土质海床700和海工结构1300中产生力学响应，从而可在超重力场下再现海洋地震过程，模拟海洋环境下海洋地震-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋地震过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，槽腔4011的底壁内设有出水通道4023，出水通道4023具有进口40231和出口40232，出水通道4023的进口40231与出水口相连，出水通道4023的出口40232形成在凹槽4020的底壁的外表面上，此时，从进水口4014进入到槽腔4011内的水流通过出水口进入到出水通道4023内，并流经整个出水通道4023后从出水通道4023的出口40232排出槽腔4011。可选地，如图1所示，出水通道4023的出口40232位于凹槽4020的底壁的中心位置。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一段4016和第二段4018的周长相同且相对于中间段4017彼此对称，从而可进一步保证模拟的海流地震过程逼真、结果精确。进一步地，凹槽4020的底壁为平的，从而可便于海工吊篮模型箱401的加工成型，且进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱401内分布合理均匀。如图3所示，在本发明的一些示例中，海工吊篮模型箱401具有矩形横截面，从而进一步保证离心加速度场在海工吊篮模型箱401上分布均匀。

为了便于向海工吊篮模型箱401内放置土质海床700和海工结构1300，在本发明的一些实施例中，如图1所示，海工吊篮模型箱401的中间段4017的顶壁上设有顶部开口，顶部开口由盖板4022密封。

根据本发明实施例的巨型海工离心机的超重力场加震装置主要用于模拟海洋环境下各海工结构与海床系统的多相、多尺度、多过程物理力学行为和动力相互作用，主要瞄准两大类迫切需要解决的重大海洋工程科学问题：1）海底强震-海工结构-土质海床的共同工作问题；2）海洋自然灾害及工程风险问题。旨在实现四个重大科学目标：1）再现海洋环境下海工结构-土质海床的动力学行为；2）揭示海工结构灾变规律；3）建立海底强震-海工结构-土质海床相互作用理论；4）对比大型海工结构系统设计方案，为海洋工程设计、施工技术突破提供高水平的试验验证平台。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，包括：

海工吊篮模型箱，所述海工吊篮模型箱为圆弧形，所述海工吊篮模型箱内具有槽腔，所述海工吊篮模型箱的第一端的端面上设有进水口，所述海工吊篮模型箱的第二端的端面上设有出水口，所述海工吊篮模型箱沿从所述第一端到所述第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于所述第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，所述第二段内设有邻近所述第二端的消能结构，所述中间段的底壁向外突出以形成凹槽；

震动台模型箱，所述震动台模型箱的上端敞开，所述震动台模型箱设在所述凹槽内，所述震动台模型箱的上端的外周沿与所述凹槽的上端的外周壁之间通过密封装置密封以形成震动台空间，所述槽腔的底面上和所述震动台模型箱内设有土质海床，所述槽腔内填充有水；和

震动台，所述震动台设在所述震动台空间内，所述震动台模型箱设在所述震动台上，所述震动台用于产生震动且将所述震动施加给所述震动台模型箱。

2.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述槽腔的底壁内设有出水通道，所述出水通道具有进口和出口，所述出水通道的进口与所述出水口相连，所述出水通道的出口形成在所述凹槽的底壁的外表面上。

3.根据权利要求2所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述出水通道的出口位于所述凹槽的底壁的中心位置。

4.根据权利要求3所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述第一段和第二段的周长相同且相对于所述中间段彼此对称。

5.根据权利要求4所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述凹槽的底壁为平的。

6.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述海工吊篮模型箱具有矩形横截面。

7.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述海工吊篮模型箱的中间段的顶壁上设有顶部开口，所述顶部开口由盖板封闭。

8.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述消能结构为斜坡。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于巨型海工离心机的超重力场加震装置，其特征在于，所述震动台由液压系统驱动产生水平方向的激震，所述激震的加速度为0-40g，频率为0-350Hz。