CN104075866A - 离心模型试验波浪循环荷载模拟设备及其测试方法 - Google Patents

Abstract

离心模型试验波浪循环荷载模拟设备及其测试方法，设备由控制部分、驱动部分和出力部分组成；控制部分的工控机通过数采卡接信号调理及转接器接驱动功率放大器；驱动部分的驱动电源通过驱动功率放大器接两个激励器；出力部分的两个激励器所产生的波浪作用力通过悬挂于模型箱顶盖下方中央的衔铁，以非接触方式施加给研究目标；在两个激励器上分别安装有水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器；激励器内部安装有力传感器；各传感器的输出接工控机。本发明能够模拟的波浪力幅值大、波形为正弦波（半波）、可模拟任意比例的波压力与波吸力、持续时间长；波浪力的调控方便；有利于土工离心模型的布置；操作安全；能够实现精确控制。

Description

离心模型试验波浪循环荷载模拟设备及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种应用于土工离心机上的辅助设备，具体涉及一种可用于模拟波浪循环作用工况离心模型试验的设备，特别适用于开展诸如码头、防波堤等近海工程结构物以及钻井平台等离岸工程结构物的试验模拟，以研究波浪或风暴潮作用下结构物、地基的变形和稳定性状。

背景技术

无论是近海工程还是离岸工程，都一直受波浪作用的影响，其中不乏风暴潮这样的强度大、时间长的波浪作用。随着社会经济的大发展，近海工程中，码头的等级越来越大、防波堤越来越远离海岸；海洋油气资源的开发也使得以钻井平台为主的离岸工程越来越多。由此引起了工程量和水深越来越大、地基条件越来越恶劣等技术难题。为解决好这些技术难题，设计部门提出了大量新结构形式，如遮帘式板桩码头、卸荷式板桩码头、箱筒形防波堤、桶式防波堤等，在这些新结构成功应用于实际工程之前，必须对结构本身性状、结构与地基相互作用等关键问题进行深入研究。土工离心模型试验是开展此类研究的重要手段，其中最关键的技术难点就是准确模拟出波浪力的作用。

在土工离心模型中，一般采用离心机振动台模拟频率较高地震荷载作用，而对于频率较低波浪动荷载作用的模拟，目前主要有3种方法：

1. 用拟静力法模拟波浪力作用。即根据需要研究的波浪力特征值，计算出一个等效的静力作用于研究目标上，这种方法具有简便易行、与数值方法对比方便的优点；缺点也很明显，除了等效方法的选用标准具有经验性，更关键的缺点是等效的拟静力不能模拟出波浪的动态作用；

2. 采用离心机中的造波机直接制作波浪。这种方法是理论上模拟波浪的最佳方法，水力学试验中就较普遍地采用造波机在离研究目标较远处来产生需要模拟的波浪。但造波机应用于离心机中却有着相当大的技术难度，首先在结构物处产生的反射波和破碎波难以消除，这一技术难题导致离心机造波机比较适合模拟研究波浪对海地管线影响之类问题（Sekiguchi et al. 1994和1998，Gao & Randolph 2007）；其次离心模型一般空间有限，造波机与研究目标的距离较近，不足以在这样的距离内产生稳定的波浪；此外常用的造波机普遍造价高昂，离心机中研制造波机更是需要花费极大的人力物力。

3. 采用专门的循环往复荷载作动装置，间接模拟波浪荷载作用，这比较适合模拟研究波浪对迎浪结构物作用影响等问题，常见的有采用伺服电动机或电磁激振器模拟波浪力的往复作用（Zhang et al. 2005，张建红等2007），这种方法具有能够准确模拟波浪作用频率的优点，但缺点也很明显，首先所模拟的波浪力作用是不连续的、单方向作用的，不能模拟实际的波形，也不能模拟反波的作用；其次为了保证在激振装置在目标变形后仍然与之保持接触，需要另外在目标上制作变形适应装置，改变了目标的结构布置，即使如此也往往只能适应竖直方向的变形。

参考文献：

[1] Sekiguchi, H, Kita, K. and Okamoto, O. 1994. Wave-induced instability of sand beds. Centrifuge 94, Leung, Lee & Tan (eds) Balkema, 295-300.

[2] Sekiguchi, H, Kita, Sassa, S. and Shimamura, T. 1998. Generation of progressive Fluid waves in a geo-centrifuge. Geotechnical Testing Journal, ASTM, 21(2), 95-101.

[3] Gao, F.P., Randolph, M.F., 2007. Wave generation system in a drum centrifuge and its application. 中国土木工程学会第10届土力学及岩土工程学术会议论文集（上集），重庆大学出版社（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 breakwater subjected to breaking wave loads. In: Frontiers in Offshore Geotechnics: ISFOG-Gourvenec & Caaidy (eds) ©2005 Taylor & Francisv Group; London; ISBN 0 415 39063 X: 569-575

[5] 张建红，林小静，鲁晓兵.水平荷载作用下张力腿平台吸力式基础的物理模拟.岩土工程学报，2007，29(1)：77-81。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，旨在解决离心机高重力加速度场下的以下关键问题：1，现有技术只能模拟波压力与波吸力等幅度作用的波浪；2，现有技术需通过连接装置接触模型施加波浪力，连接装置改变了模型的原有形态且增加了额外的竖向力； 3，现有技术只能模拟较小幅值的波浪力作用；4，现有技术不利于土工离心模型的布置；5，现有技术不能长时间模拟波浪力作用；6，现有技术难以实现精确控制。

本发明还将提供这种离心模型试验波浪循环荷载模拟设备的测试方法。

完成上述发明任务的技术方案是：一种离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，本设备由3部分组成：控制部分、驱动部分和出力部分；其特征在于，所述控制部分的组成是，工控机通过数采卡接信号调理及转接器接驱动部分的驱动功率放大器；所述驱动部分的结构是：驱动电源通过驱动功率放大器接出力部分的两个激励器；所述出力部分的结构是：分别固定在模型箱顶盖下方两侧的两个激励器，两个激励器所产生的波浪作用力通过悬挂于模型箱顶盖下方中央的衔铁，以非接触方式给研究目标施加往复作用力；水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器分别安装在固定两个激励器的框架上；激励器后部串联安装有力传感器；所述水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器和力传感器的输出接工控机。

所述控制部分用于发出驱动控制指令；接收、处理各传感器的信号，控制所模拟波浪力的特征值（幅值、频率、波压力与波吸力比值、作用时间）；所述驱动部分中的驱动电源向驱动功率放大器供电，驱动功率放大器接收来自控制部分的指令，对出力部分进行驱动；所述出力部分中的两个激励器受驱动部分驱动，两个电磁激励器以相差为180°的半正弦波推挽形式，产生往复作用力，两个激励器的电磁激励力的频率一致，但幅值可以单独调节，产生特定的模拟波浪力，力传感器持续监测所产生作用力的大小，反馈至控制部分；控制部分根据测量值和设定值持续调整发往驱动部分的指令，在试验过程中随时调整波浪力的特征值，如频率、峰值、正波与反波的比例、持续时间，以模拟实际工程中出现的复杂波浪荷载。激励器所产生的波浪作用力通过衔铁，以非接触方式给研究目标施加往复作用力，避免因接触需要产生的其它约束力。

本发明设备的出力部分中，激励器和传感器固定于模型箱顶板下方，不与模型接触；

衔铁与模型通过滚轮接触，不影响结构物的变形和位移；

所述的两个激励器上连接的激励电源线、及所述水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器和力传感器上的传感器线，均是通过离心机滑环连接至驱动部分及控制部分。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是：使用上述离心模型试验波浪循环荷载模拟设备的测试方法，其特征在于，步骤如下，

⑴.首先确定需要模拟的波浪力特征值，包括频率、峰值、正波与反波的比例、持续时间，按离心模型试验相似率进行换算；

⑵.制备模型，安装相关传感器；

⑶.将本发明设备的出力部分安装于模型上，出力部分中，激励器和传感器固定于模型箱顶板下方，不与模型接触，衔铁与模型通过滚轮接触，不影响结构物的变形和位移；将激励电源线、传感器线通过离心机滑环连接至驱动部分及控制部分；

⑷.开启离心机，施加高重力场；

⑸. 通过控制部分调整施加的波浪力荷载特征值，进行加载，并记录相关传感器数据，直至试验结束。

换言之，本项发明是通过以下关键技术得以实现（请参见图1）：

1，本设备由3部分组成：控制部分、驱动部分和出力部分。

2，控制部分包括附图1中的工控机及测控软件、数采卡、信号调理及转接。其中，信号调理及转接接收出力部分传感器的信号并向驱动部分发出指令，信号和指令均通过数采卡送至工控机由测试软件进行处理。

3，驱动部分包括附图1中的驱动电源、驱动功率放大器。其中，驱动电源向驱动功率放大器供电，驱动功率放大器接收来自控制部分的指令，对出力部分进行驱动。

4，出力部分包括附图1中的激励器、激光位移传感器、力传感器、衔铁。其中，激励器为2个，分别固定在模型箱顶盖下方两侧，受驱动部分驱动，两个电磁激励器以相差为180°的半正弦波推挽形式，产生往复作用力，两个激励器的电磁激励力的频率一致，但幅值可以单独调节，产生特定的模拟波浪力；激光位移传感器安装于激励器外壁上，监测模型的位移；力传感器安装于激励器内部，监测激励器产生作用力大小，反馈至控制部分；衔铁悬挂于模型箱顶盖下方中央位置，激励器所产生的波浪作用力通过衔铁，以非接触方式给研究目标施加往复作用力，避免因接触需要产生的其它约束力。

5，试验时，将本发明设备的出力部分安装于模型上，出力部分中，激励器和传感器固定于模型箱顶板下方，不与模型接触，衔铁与模型通过滚轮接触，不影响结构物的变形和位移；将激励电源线、传感器线通过离心机滑环连接至驱动部分及控制部分。

6，在离心机高重力场下，通过控制部分设定、调整施加的波浪力荷载特征值，进行加载，记录相关传感器数据，直至试验结束。

本发明的设备与方法具有以下特点：

1，能在离心机高重力场下正常运行；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；本发明能够实现精确控制。

2，能够模拟的波浪力幅值较大，在105倍重力加速度的高重力场中最大可达到1200 N。

3，产生的波浪力波形为正弦波（半波），可模拟任意比例的波压力与波吸力，更接近真实情况。

4，能够长时间模拟波浪力作用，在离心机高重力场下，以30 min为1个周期，可进行多个周期的加载。

本发明能够模拟的波浪力幅值大、波形为正弦波（半波）、可模拟任意比例的波压力与波吸力、持续时间长；波浪力的调控方便；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；本发明能够实现精确控制。

附图说明

图1为本发明设备结构示意图。

具体实施方式

实施例1——箱筒型基础防波堤的土工离心模型试验研究。

请参见图1所示，本设备由3部分组成：控制部分、驱动部分和出力部分。控制部分由是工控机、控制软件、数采卡和信号调理及转接器组成，用于发出指令、接收驱动部分和出力部分的信号，控制所模拟波浪力的特征值（幅值、频率、波压力与波吸力比值、作用时间）；驱动部分包括驱动电源和驱动功率放大器；出力部分包括激励器、激光位移传感器、力传感器和衔铁。图中，工控机及其控制软件1，采集卡2，信号调理及转接3，驱动电源4，驱动功率放大器5，水平变位激光位移传感器6，衔铁7，沉降激光位移传感器8，1KN激励器9，2kN力传感器10，上位筒11，下位筒12，地基土层13，模型箱14。

试验时，在离心机高重力场下，启动驱动电源向驱动功率放大器供电，驱动功率放大器接收来自控制部分的指令，对激励器进行驱动；基于双电磁激励器的推挽作用，产生相差为180°正弦波（半波）式往复作用力，力传感器持续监测所产生作用力的大小，反馈至控制部分；控制部分根据测量值和设定值持续调整发往驱动部分的指令，在试验过程中随时调整波浪力的特征值，如频率、峰值、正波与反波的比例，以模拟实际工程中出现的复杂波浪荷载。所产生的波浪作用力通过衔铁，以非接触方式给研究目标施加往复作用力，避免因接触需要产生的其它约束力。

图1中所示的模型箱中是箱筒型基础防波堤模型，试验布骤为：（1）制备软土地基并安装箱筒型基础防波堤模型，安装相关传感器；（2）将本发明设备的出力部分安装于模型上，出力部分中，激励器和传感器固定于模型箱顶板下方，不与模型接触，衔铁与模型通过滑轮接触，不影响结构物的变形和位移；（3）将激励电源线、传感器线通过离心机滑环连接至驱动部分及控制部分；（4）开启离心机，施加高重力场；（5）通过控制部分调整施加的波浪力荷载特征值，进行加载，记录相关传感器数据，直至试验结束。

Claims (6)

1. 一种离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，本设备由3部分组成：控制部分、驱动部分和出力部分；其特征在于，所述控制部分的组成是，工控机通过数采卡接信号调理及转接器接驱动部分的驱动功率放大器；所述驱动部分的结构是：驱动电源通过驱动功率放大器接出力部分的两个激励器；所述出力部分的结构是：分别固定在模型箱顶盖下方两侧的两个激励器，两个激励器所产生的波浪作用力通过悬挂于模型箱顶盖下方中央的衔铁，以非接触方式给研究目标施加往复作用力；在两个激励器外侧分别安装有水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器；激励器之后安装有力传感器；所述水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器和力传感器的输出接工控机。

2. 根据权利要求1所述的离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，其特征在于，所述的分别固定在模型箱顶盖下方两侧的两个激励器，均采用1kN激励器。

3. 根据权利要求1所述的离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，其特征在于，所述出力部分中的激励器和传感器固定于模型箱顶板下方，不与模型接触。

4. 根据权利要求1所述的离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，其特征在于，所述衔铁与模型是通过滚轮接触。

5. 根据权利要求1-4之一所述的离心模型试验波浪循环荷载模拟设备，其特征在于，所述的两个激励器上连接的激励电源线、及所述水平变位激光位移传感器、沉降激光位移传感器和力传感器上的传感器线，均通过离心机滑环连接至驱动部分及控制部分。

6. 使用权利要求1所述的离心模型试验波浪循环荷载模拟设备的测试方法，其特征在于，步骤如下，

⑴.首先确定需要模拟的波浪力特征值，包括频率、峰值、正波与反波的比例、持续时间，按离心模型试验相似率进行换算；

⑵.制备模型，安装相关传感器；

⑶.将本发明设备的出力部分安装于模型上，出力部分中，激励器和传感器固定于模型箱顶板下方，不与模型接触，衔铁与模型通过滑轮接触，不影响结构物的变形和位移；将激励电源线、传感器线通过离心机滑环连接至驱动部分及控制部分；

⑷.开启离心机，施加高重力场；

⑸. 通过控制部分调整施加的波浪力荷载特征值，进行加载，记录相关传感器数据，直至试验结束。