CN104060572A - 一种超重力场中的摇板式造波机系统 - Google Patents

Abstract

一种超重力场中的摇板式造波机系统，包括：离心机系统、电机、皮带、变速器、力转换装置、摇板装置和消浪装置，模型箱设在离心机系统的吊篮中；造波机系统设在模型箱上，力转换装置固定在模型箱顶盖的上表面，电机、传动轴和变速器的轴向垂直于模型箱顶盖，电机、传动轴和变速器并列设置；电机的输出通过传动轴经过变速器变速输出至力转换装置的输入端；力转换装置将电机输出的旋转运动转换为直线往复运动，再输出至摇板的第二端；摇板装置包括摇板、固定板和支座，支座固定在模型箱底板上，摇板的第一端和固定板可转动连接，摇板的第二端和力转换装置的输出端可旋转连接。本发明为机械驱动摇臂式造波机，具有控制精度高、造波频率特性好的优点。

Description

一种超重力场中的摇板式造波机系统

技术领域

本发明属于土工离心模型试验技术领域，涉及一种可用于离心模型试验中的摇板式造波机系统，专门用于超重力场中波浪荷载的模拟。

背景技术

土工离心模型试验已经广泛应用于多个领域，解决了许多复杂的关键技术问题，特别是土和结构的静力相互作用问题。但对于波浪循环荷载作用下的结构物和地基动力相互作用问题的研究还不够深入，只停留在一些机理的探讨上。在离心模型试验中要研究波浪荷载作用下地基土层与结构的动力相互作用，其技术瓶颈在于超重力作用下波浪的模拟与实现，迫切需要研发一套可在高离心加速度条件下使用的造波机系统。该系统的研发对于探索海洋复杂环境下工程建筑物的变形与受力机理，推动海上建筑物的设计与优化，进而促进我国海洋工程技术的发展具有十分重要的意义。

对于超重力场中波浪荷载的模拟已有一些研究，主要包括三种方法：(1)拟静力法。即将波浪极限荷载作为一个集中力，利用静力加载装置将该荷载施加于结构物上，现行港工规范推荐的波浪荷载计算方法就是拟静力法；(2)模拟波浪力法。即采用某一装置，对工程结构物施加模拟波浪力(循环荷载)。加载装置对于工程结构物施加力的过程可以是接触式(如采用锤击或施加机械力)，也可以是非接触式(如采用交变电磁力施加)。(3)造波设备施加。在离心力场中利用造波设备产生模拟波浪，直接作用于工程建筑物，这种方法在鼓型离心机中研究得较多。就目前的研究来看，由于离心力场中造波的理论与模拟技术还不太完善，离心力场中造波设备也比较复杂，因此绝大多数有关波浪荷载的研究主要采用前面两种方法。离心机造波设备只在个别小型臂式离心机和鼓型离心机中实现，仅限于一些机理性的研究。

近年来世界各国都在加大对海洋的开发力度，迫切需要掌握复杂条件下“波浪—地基—结构物动力相互作用机理，”为离岸结构的设计提供技术支撑。作为唯一能在缩尺模型尺度和真实应力场条件下再现原型过程的有效手段，相应的超重力场中造波机系统是实现这一目的的前沿实验装置。

因此，开发一种超重力场中的造波机系统来模拟超重力场中真实波浪荷载的能力变得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于研发一套与大型土工离心机配套的具有超重力作用下模拟真实波浪能力的造波机系统，在离心模型试验过程中实现波浪—结构—地基动力相互作用的模拟，从而揭示超重力场中波浪的运动规律，为研究海洋建筑物的变形与受力特性提供试验手段。

本发明提供了一种超重力场中的摇板式造波机系统，该系统能反映波浪的所有特征，包括能控制波浪的频率、波长和幅值，能在离心加速度120g条件下正常工作，能模拟超过60m水深条件，波浪作用的长度范围大于120m。

由于是在超重力场环境中，所有模拟装置都要承受巨大的离心力。造波机是超重力场中波浪荷载模拟的关键设备，面临着超重力条件下设备运动能力、运行精度、自动化控制与测试仪器微型化等一系列挑战。

实现本发明目的的技术方案是：一种超重力场中的摇板式造波机系统，包括：离心机系统、电机、皮带、变速器、力转换装置、摇板装置和消浪装置，所述离心机系统包括转臂、支座、吊篮和模型箱；所述模型箱设置在离心机系统的吊篮中；所述造波机系统设置在模型箱上，所述造波机系统的电机、传动轴、变速器、力转换装置固定在模型箱顶盖的上表面，电机、传动轴和变速器的轴向垂直于模型箱顶盖面，电机、传动轴和变速器并列设置；所述电机的输出通过传动轴经过变速器变速输出至力转换装置的输入端；所述力转换装置包括转动圆盘、连杆、连接件、滑动轨道，所述力转换装置将电机输出的旋转运动转换为直线往复运动，再输出至摇板的第二端；所述摇板装置包括摇板、固定板和支座，支座固定在模型箱底板上，摇板的第一端和固定板可转动连接，摇板的第二端穿过模型箱顶盖和力转换装置的输出端可旋转连接。

作为本发明的进一步改进，所述力转换装置由转动圆盘、连接件、连杆和滑动轨道组成，转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端连接至摇板的第一端。

作为本发明的进一步改进，所述模型箱内还设有消浪装置，所述消浪装置包括消浪板和固定座，固定座连接在模型箱底板上，消浪板连接在固定座上。所述消浪板采用开缝的消浪格栅板，结合塑料盲沟，并采用主动消浪技术，形成无反射复合消浪系统。

本发明具有下列优点和积极效果：

本发明为机械驱动摇臂式造波机，利用精密电机作为驱动设备，具有控制精度高、造波频率特性好的优点。与其它造波机相比，本造波机系统设置在超重力场中，能够模拟复杂条件下波浪对结构(构筑)物的作用。此外，将圆周运动转变成沿直线双向循环运动的力转换装置、可调节摇板高度的摇板装置，可以实现不同频率、振幅的波浪荷载的模拟。建成后的造波设备将安装在400gt大型土工离心机上，可在120g重力加速度条件下正常工作，可模拟60m水深，所有性能指标均居国际领先地位。

附图说明

图1离心机系统结构示意图；

图2是摇板式造波机系统剖面图；

图3是摇板式造波机系统平面图；

图1中：1-转臂；2-支座；3-吊篮；4-模型箱，4-1-摇板装置，4-2-消浪装置；5-配重；6-集流环；7-造波机系统；8-主机及数据采集与控制系统，8-1-计算机。

图2、图3中：1-电机，1-1-电机座，1-2-电机转子；2-皮带；3-传动轴，3-1-传动轴第一端，3-2-传动轴第二端；4-变速器；5-转动圆盘，5-1-偏心孔；6-连接件，6-1-滚珠轴承；7-连杆，7-1-连杆第一端，7-2-连杆第二端；8-滑动轨道；9-摇板装置，9-1-摇板支座，9-2固定板，9-2-1-连接轴承，9-3-摇板，9-3-1-摇板第一端，9-3-2-摇板第二端；10-消浪装置，10-1-固定座，10-2-消浪板；11-模型箱，11-1-模型箱顶盖，11-2-模型箱底板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点清楚明白，以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，离心机系统包括：转臂1，支座2，吊篮3，模型箱4，配重5，集流环6，造波机系统7，主机及数据采集与控制系统8。模型箱4设置在吊篮3中，造波机系统7在模型箱4上。

图1中的造波机系统7如图2、3所示，造波机系统7包括电机1，皮带2，传动轴3，变速器4，转动圆盘5，连接件6，连杆7，滑动轨道8，摇板装置9，消浪装置10。

图2、3中，电机1、变速器4、力转换装置(包括转动圆盘5，连接件6，连杆7，滑动轨道8)固定在模型箱顶盖11-1的上表面。摇板装置9与消浪装置10固定在模型箱11内部底板11-2上。

图2、3中力转换装置由转动圆盘5，连接件6，连杆7和滑动轨道8组成。电机1的输出轴通过传动轴3经过变速4变速连接至力转换装置的转动圆盘5，力转换装置将电机1的输出的旋转运动转换为直线往复运动，再输出至摇板的第一端9-3-1。电机1垂直安装在电机座1-1上，电机座1-1固定在模型箱顶面11-1上。传动轴3的第一端3-1和电机转子1-2通过皮带2连接，传动轴3的下部与变速器4相连并通过变速器4调节转速。在传动轴3第二端3-2安装有转动圆盘5，传动轴3第二端3-2和转动圆盘5的中心刚性连接。转动圆盘5的不同直径上设有偏心孔5-1，各偏心孔5-1与圆心的距离不同，使连杆7得到多种行程。这样，就可以调整转动半径的大小，控制连杆7的行程，进而控制摇板9-3的摆幅。当设计出一个转动半径后，在此转动半径的偏心孔5-1上，用连接件6将转动圆盘5与连杆7连接在一起，转盘上固定一个滚珠轴承6-1，连杆上固定一个滚珠轴承6-1，两个滚珠轴承的圆心在同一铅垂线上，保证转动圆盘5能绕连接件6自由转动，同时保证转动圆盘5转动时，连杆7能在水平面上自由摆动。

图2、3中摇板装置9包括支座9-1、固定板9-2和摇板9-3组成，摇板的第一端9-3-1设置在滑动轨道8上，与连杆7的第二端7-2可旋转相连，当电机1带动转动圆盘5旋转时，连杆7在滑动轨道8上做直线往复运动；连杆7与摇板9-3相连，这样摇板9-3能来回摆动，使模型箱11内的水产生波浪。摇板的第二端9-3-2和固定板9-2可旋转连接，固定板9-2上有不同高度的连接轴承9-2-1可以调节摇板9-3的高度。

图2中消浪装置10设置在模型箱11内，消浪装置10包括固定座10-1和消浪板10-2，固定座10-1连接在模型箱底板11-2上，消浪板10-2连接在固定座10-1上。消浪板10-2采用开缝的消浪格栅板，结合塑料盲沟，并采用主动消浪技术，形成无反射复合消浪系统。

通过图1中的主机及数据采集与控制系统8控制电机1转速、通过转动圆盘5上的偏心孔控制连杆7的不同行程、通过固定板9-2上的不同连接轴承9-2-1控制摇板9-3的高程，从而使摇板9-3有不同的摆幅、摇板长度和摇摆频率，进而可以控制和调整波浪的频率、波长和波幅。

造浪试验过程如下：

1、试验前准备

①制作模型箱：如图1中模型箱4有效尺寸为1200mm(长)×400mm(宽)×800mm(高)，其强度满足120g试验条件，图1中模型箱4箱体主要由高强度铝合金材料制成，以达到重度轻、强度高、变形小的要求。模型箱4的一侧面采用高透明度的有机玻璃板，板厚不小于120mm，用来观察离心试验过程中模型的变化状态；

②制作地基土体、水体和构筑物：根据所需模拟地基土的尺寸、有效水深和构筑物的尺寸，结合离心机的模型箱尺寸和最大离心加速度，确定合适的模型比尺N，从而确定地基土体、水体及构筑物的模型尺寸，土体可采用原状土或者实验室制得的具有相同指标的重塑土，构筑物的模型可根据模型大小选用相同或相近材料制作；

③埋设传感器：根据所需测量的物理量埋设相对应的传感器。

2、1g条件下造波机整机安装和调试：

①如图2，将电机垂直安装在电机座上，电机座固定在模型箱顶盖面上。电机通过同步皮带传动，保证传动轴上部的转速与电机转速一致；

②如图2，变速器安装在传动轴的下部，通过变速器可以改变传动轴的转速，达到精确和稳定控制转动圆盘转动速度的目的；

③如图2，在传动轴下端安装转动圆盘，转动圆盘不同直径上的偏心孔可形成不同的转动半径，使连杆有不同的行程，从而控制摇板的摆幅；连杆与摇板上部相连，摇板上部安装在滑动轨道上，当传动轴带动转盘旋转时，连杆第二端在水平导轨上做直线往复运动，从而形成力转换装置；

④如图2，造波机摇板上端通过滑块安装在滑动轨道上，并通过轴承与力转换装置中的连杆连接。下端通过轴承与一只固定板连接，固定板上沿高度方向多个位置处装有连接轴承，可以调节摇板的长度。这样摇板绕支座来回摆动，使模型箱内的水产生波浪；

⑤如图2，消浪装置垂直安装在模型箱底部；

⑥如图1，连接好数据采集系统，将各种测量传感器连入前置单元，保证通讯软件能够进行数据采集与分析。

3、超重力场中造波机性能调试：

如图1，将造波机系统安装在400gt大型土工离心机上，进行超重力条件下的整机测试。试验时先施加较小的离心加速度，待造波机系统工作稳定后再逐步增加离心加速度，直至120g，检测超重力场中各装置的性能和工作状况。

4、超重力场中造波机试验：

根据比尺N确定各相关参数，进行超重力场中造波机系统的造波试验。

Claims (4)

1.一种超重力场中的摇板式造波机系统，包括：离心机系统、电机、皮带、变速器、力转换装置、摇板装置和消浪装置，其特征是，所述离心机系统包括转臂、支座、吊篮和模型箱；所述模型箱设置在离心机系统的吊篮中；所述造波机系统设置在模型箱上，所述造波机系统的电机、传动轴、变速器、力转换装置固定在模型箱顶盖的上表面，电机、传动轴和变速器的轴向垂直于模型箱顶盖面，电机、传动轴和变速器并列设置；所述电机的输出通过传动轴经过变速器变速输出至力转换装置的输入端；所述力转换装置将电机输出的旋转运动转换为直线往复运动，再输出至摇板的第二端；所述摇板装置包括摇板、固定板和支座，支座固定在模型箱底板上，摇板的第一端和固定板可转动连接，摇板的第二端穿过模型箱顶盖和力转换装置的输出端可旋转连接。

2.根据权利要求1所述的摇板式造波机系统，其特征是，所述力转换装置由转动圆盘、连接件、连杆和滑动轨道组成，转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端连接至摇板的第一端。

3.根据权利要求1所述的摇板式造波机系统，其特征是，所述模型箱箱体由高强度铝合金材料制成，模型箱一侧面采用透明的有机玻璃板。

4.根据权利要求1所述的摇板式造波机系统，其特征是，所述模型箱内还设有消浪装置，所述消浪装置包括消浪板和固定座，固定座连接在模型箱底板上，消浪板连接在固定座上。