CN105444939A - 一种波浪砰击载荷测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波浪砰击载荷测量装置及方法，该装置包括固定壳体，以及分别设于固定壳体内的测力板和单分力传感器，所述单分力传感器为多个，多个单分力传感器沿轴向在固定壳体内均布设置，所述测力板抵着多个单分力传感器的触头，所述固定壳体上设有安置测力板的中空区域。与现有技术相比，本发明通过单分力传感器检测测力板的受力情况来精密测定任意区域波浪、水柱作用于海洋结构物、试验模型表面的砰击载荷，具有测量精度高、安装方便、成本低、操作方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程和机械工程领域，尤其是涉及一种波浪砰击载荷测量装置及方法。
背景技术
对于恶劣海况中海洋工程结构物的设计，能否精准地测量其在波浪作用下的砰击载荷非常关键。在某些海区，海上结构物是基于千年甚至万年一遇的极端环境来设计，那么极端海浪砰击产生的局部和总体载荷通常被作为重点特征参数，由此能否提供一个砰击载荷方面合理准确的评估对海洋工程结构物的安全设计至关重要。
迄今为止，还不存在任何可靠的数值预报算法来测定破浪砰击对海上结构物的影响。模型试验这一方法仍是用来确定波浪砰击对海上结构物影响的行业惯例。
准确地测定波浪砰击载荷的模型试验非常具有挑战性，对压力传感器及其布置要求苛刻。不仅要求传感器大小尺寸适宜、量程足够、采样率高、真实反映砰击过程中的动态特性，更需要整套装置的谐振频率足够大，能够最大程度减弱共振带来的干扰。
中国专利CN1458506A公开了一种海洋波浪载荷的测量方法，包括下列步骤：a.在海洋平台导管适当位置以悬挂方式套装一刚性圆筒；b.在刚性圆筒与导管之间，沿其轴向间隔适当距离设置有至少两组测力传感器；c.测力传感器检测海洋波浪对刚性圆筒的作用力，并将检测到的数据传递给现有的数据处理装置进行处理。同时该专利还公开了一种悬挂式海洋波浪载荷测力装置，包括刚性圆筒、测力传感器和若干连接装置。该专利采用悬挂式测量方式，易受到风力等其他震动影响，导致测量结果不准确。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种波浪砰击载荷测量装置及方法，以达到精密测定任意区域波浪、水柱作用于海洋结构物、试验模型表面的砰击载荷。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种波浪砰击载荷测量装置包括固定壳体，以及分别设于固定壳体内的测力板和单分力传感器，所述单分力传感器为多个，多个单分力传感器沿轴向在固定壳体内均布设置，所述测力板抵着多个单分力传感器的触头，所述固定壳体上设有安置测力板的中空区域。
所述单分力传感器的数量为四的整数倍。
所述固定壳体通过预埋件内嵌于海洋平台上，所述测力板外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐。
所述测力板外表面覆盖有用于防水的橡胶薄膜。
所述固定壳体包括外壳、固定于外壳内的底座和盖设在外壳顶面的顶盖，所述底座为中空结构，所述测力板和单分力传感器分别设于底座的腔体内，所述中空区域设于顶盖上。
所述底座的腔体内设有多个固定单分力传感器的固定槽，所述固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔和微型丝杠，所述微型丝杠设于侧向固定螺丝孔内并在侧向上固定单分力传感器。
所述测力板上设有多个与单分力传感器的触头对应紧密配合的凹槽。
一种利用上述装置的波浪砰击载荷测量方法包括以下步骤：
1)对组装后的波浪砰击载荷测量装置进行指标鉴定；
2)在海洋平台的待测量区域上内嵌多个指标鉴定合格后的波浪砰击载荷测量装置，测力板外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐；
3)单分力传感器检测波浪对测力板的单分力数值，通过检测到的单分力数值得到波浪砰击载荷。
所述步骤1)具体为：
11)将两个组装后的波浪砰击载荷测量装置对称设于试验楔形体内，该试验楔形体底面设有两个对称、形成尖角的倾斜面，测力板的外表面与倾斜面的外表面平齐；
12)通过激震力锤鉴定试验和楔形体自由下落鉴定试验进行指标鉴定；
所述激震力锤鉴定试验为：利用激震力锤敲击单个波浪砰击载荷测量装置的测力板，并实时采集激震力锤输出的敲击力数值和多个单分力传感器检测的单分力数值，通过对比敲击力数值和由单分力数值合成的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置进行校正；
所述楔形体自由下落鉴定试验为：采用自由落体测试方式，将试验楔形体自由落入水中，实时采集多个单分力传感器检测的单分力数值，通过对比两个波浪砰击载荷测量装置测量的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置的结构进行对称性校验，同时将单分力合力与数值仿真计算结果进行对比，验证波浪砰击载荷测量装置的性能和精确性。
所述多个波浪砰击载荷测量装置从高到低依次设于海洋平台的待测量区域上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明装置通过设置多个单分力传感器来检测测力板受到的波浪砰击载荷，多个单分力传感器均布设置，由单分力数值合成的单分力合力可精确地反应波浪砰击载荷，结构简单，易于推广利用。
2、应用本发明装置的波浪砰击载荷测量方法通过国际先进的标准鉴定(激震力锤鉴定和楔形体自由下落鉴定)，能有效捕捉到3微秒间隔以上的砰击力，反映出最真实的物理特性。通过RAO(responseamplitudeoperator，响应幅值算子)曲线中可以看出，安装在浮式海洋结构物模型后仍能保证在1000Hz的振动频率下响应幅值算子接近1，明显高于波浪砰击的特征频率，从而避免发生共振测力过大情况，保证测到的砰击力准确真实。
3、本发明方法及装置也可精准测定脉冲水射流等一切产生砰击水动力现象中所产生的压力，为基础研究工作提供便利，应用范围广。
4、测力板外表面覆盖有用于防水的橡胶薄膜，防止单分力传感器进水后影响测量结构的准确性。
5、固定壳体采用分体式设计，各部件紧密配合，结构可靠，且易加工制作，有效地降低制作难度和成本。
附图说明
图1为本发明装置结构的爆炸图；
图2为底座的结构示意图；
其中，(2a)为底座的立体示意图，(2b)为底座的主视示意图；(2c)为图(2b)中C-C向剖视示意图；
图3为本发明装置的激震力锤鉴定试验示意图；
图4为敲击力数值和单分力合力对比曲线图；
图5为本发明装置安装在试验木质模型后得到的响应幅值算子曲线示意图；
图6为图5中低频区域的局部放大图。
图中：1、测力板，2、顶盖，3、橡胶薄膜，4、单分力传感器，5、底座，6、外壳，7、预埋件，8、激震力锤，9、试验楔形体，10、圆柱体凹槽，11、通线开口槽，12、侧向固定螺丝孔，13、微型丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种波浪砰击载荷测量装置包括固定壳体、测力板1和单分力传感，测力板1和单分力传感器4分别设于固定壳体内，单分力传感器4为多个，多个单分力传感器4沿轴向在固定壳体内均布设置，测力板1抵着多个单分力传感器4的触头，固定壳体上设有安置测力板1的中空区域，其中：
单分力传感器4为高精度的应变式传感器，其数目为四的整数倍，例如4个、8个等等，每个单分力传感器4检测轴向上的作用力，所有单分力传感器4的合力即反应测力板1受到波浪砰击的情况。
测力板1，采用亚克力板或其它密度小、谐振频率高的材料，可以很好地将其受到的波浪砰击传力到单分力传感器4，且测力板1上设有多个与单分力传感器4的触头对应紧密配合的凹槽，两者紧密配合，保证测量过程中单分力传感器4与测力板不会发生轴向滑移。
固定壳体包括外壳6、固定于外壳6内的底座5和盖设在外壳6顶面的顶盖2，底座5为中空结构，测力板1和单分力传感器4分别设于底座5的腔体内，中空区域设于顶盖2上。如图2所示，底座5的腔体内设有多个固定单分力传感器4的固定槽，固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔12和微型丝杠13，微型丝杠13设于侧向固定螺丝孔12内并在侧向上固定单分力传感器4，微型丝杠13的横向固定可避免单分力传感器4的纵向走动，进一步确保测量的精准度。
固定壳体通过预埋件7内嵌于海洋平台上，测力板1外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐，从而模拟海洋平台受到波浪砰击的情况。预埋件7采用铝板或钢板，预埋件7与外壳6的底面刚性连接，为布置有单分力传感器4的底座5提供足够的刚度。预埋件7对应外壳6安装处设有用于安装的螺栓孔和通线通孔。
当波浪砰击测力板1时，可能会出现传感器内部进水的情况，内部液体的流动会影响测量结果的准确性，因此，测力板1外表面覆盖有用于防水的橡胶薄膜3，该橡胶薄膜3弹性好、薄且不易破、水密性好。
本实施例中，单分力传感器4选取为四个，同时底座5和外壳6为长方体状，底座5的腔体横截面为长方形，测力板1的面积小于底座5的腔体横截面并位于其中上部，在底座5的腔体四角上分别设置四个固定槽，该固定槽分为上下连通的圆柱体凹槽10和通线开口槽11，四个单分力传感器4分别放置于一个圆柱体凹槽10内，并由通线开口槽11固定其数据线，外壳6的顶部两侧为阶梯状，用于与海洋平台、试验木质模型或海洋结构物紧密固定。
一种利用上述装置的波浪砰击载荷测量方法包括以下步骤：
1)对组装后的波浪砰击载荷测量装置进行指标鉴定，具体为：
11)将两个组装后的波浪砰击载荷测量装置对称设于试验楔形体9内，且紧密配合，该试验楔形体9底面设有两个对称、形成尖角的倾斜面，两个倾斜面上分别开设有与顶盖2对应的带圆倒角的方形开口，测力板1的外表面与倾斜面的外表面平齐；
倾斜面的倾角为10°左右，该倾斜度已有广为认可的解析解和数值解，方便对照校验装置设计的合理性，有10°倾角利于校验测量装置的测量精度，在实际模型测试中，波浪不一定是垂直作用于模型。
12)通过激震力锤鉴定试验和楔形体自由下落鉴定试验进行指标鉴定，通过检验和标定以保证测量装置工作可靠。
激震力锤鉴定试验为：如图3所示，利用激震力锤8敲击单个波浪砰击载荷测量装置的测力板1，并通过高速采集系统实时采集激震力锤8瞬时输出的敲击力数值和多个单分力传感器4检测的单分力数值，通过对比敲击力数值和由单分力数值合成的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置进行校正和标定，如图4所示，测量装置内四个单分力数值合成后与激震力锤8的敲击力数值进行数据比较，可以看出四个单分力数值合成的单分力合力与敲击力数值保持一致，且实时性好。
楔形体自由下落鉴定试验为：采用自由落体测试方式，将试验楔形体9自由落入水中，实时采集多个单分力传感器4检测的单分力数值，通过对比两个波浪砰击载荷测量装置测量的单分力合力进行波浪砰击载荷测量装置结构的对称性校验，即校验获得的结果是否具有对称性，有利于保证结构严格对称，同时将单分力合力与数值仿真计算结果进行对比，验证波浪砰击载荷测量装置的性能和精确性。
2)在海洋平台的待测量区域上从高到低依次均匀内嵌多个指标鉴定合格后的波浪砰击载荷测量装置，测力板1外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐。
3)单分力传感器4检测波浪对测力板1的单分力数值，通过检测到的单分力数值得到波浪砰击载荷。
以一圆台状的试验木质模型为例，用该试验木质模型模拟海洋平台，预埋件7上固定壳体的安装面与试验木质模型的外表面保持相同距离，进而保证固定壳体上中空区域与试验木质模型的外表面平齐，在试验木质模型放入水中，模拟海洋平台受波浪砰击的情况，经过高速采集系统的数据采集，可得到响应幅值算子曲线，如图5和图6所示，在低频率区域，特别是在1000Hz的振动频率(Frequency)下，响应幅值算子接近1，明显高于波浪砰击的特征频率，从而避免发生共振测力过大情况，保证测砰击力准确真实。
Claims (10)
1.一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，包括固定壳体，以及分别设于固定壳体内的测力板(1)和单分力传感器(4)，所述单分力传感器(4)为多个，多个单分力传感器(4)沿轴向在固定壳体内均布设置，所述测力板(1)抵着多个单分力传感器(4)的触头，所述固定壳体上设有安置测力板(1)的中空区域。
2.根据权利要求1所述的一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，所述单分力传感器(4)的数量为四的整数倍。
3.根据权利要求1所述的一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，所述固定壳体通过预埋件(7)内嵌于海洋平台上，所述测力板(1)外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐。
4.根据权利要求1所述的一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，所述测力板(1)外表面覆盖有用于防水的橡胶薄膜(3)。
5.根据权利要求1所述的一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，所述固定壳体包括外壳(6)、固定于外壳(6)内的底座(5)和盖设在外壳(6)顶面的顶盖(2)，所述底座(5)为中空结构，所述测力板(1)和单分力传感器(4)分别设于底座(5)的腔体内，所述中空区域设于顶盖(2)上。
6.根据权利要求5所述的一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，所述底座(5)的腔体内设有多个固定单分力传感器(4)的固定槽，所述固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔(12)和微型丝杠(13)，所述微型丝杠(13)设于侧向固定螺丝孔(12)内并在侧向上固定单分力传感器(4)。
7.根据权利要求1所述的一种波浪砰击载荷测量装置，其特征在于，所述测力板(1)上设有多个与单分力传感器(4)的触头对应紧密配合的凹槽。
8.一种利用如权利要求1-7任一项所述装置的波浪砰击载荷测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对组装后的波浪砰击载荷测量装置进行指标鉴定；
2)在海洋平台的待测量区域上内嵌多个指标鉴定合格后的波浪砰击载荷测量装置，测力板(1)外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐；
3)单分力传感器(4)检测波浪对测力板(1)的单分力数值，通过检测到的单分力数值得到波浪砰击载荷。
9.根据权利要求8所述的一种波浪砰击载荷测量方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
11)将两个组装后的波浪砰击载荷测量装置对称设于试验楔形体(9)内，该试验楔形体(9)底面设有两个对称、形成尖角的倾斜面，测力板(1)的外表面与倾斜面的外表面平齐；
12)通过激震力锤鉴定试验和楔形体自由下落鉴定试验进行指标鉴定；
所述激震力锤鉴定试验为：利用激震力锤(8)敲击单个波浪砰击载荷测量装置的测力板(1)，并实时采集激震力锤(8)输出的敲击力数值和多个单分力传感器(4)检测的单分力数值，通过对比敲击力数值和由单分力数值合成的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置进行校正；
所述楔形体自由下落鉴定试验为：采用自由落体测试方式，将试验楔形体(9)自由落入水中，实时采集多个单分力传感器(4)检测的单分力数值，通过对比两个波浪砰击载荷测量装置测量的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置的结构进行对称性校验，同时将单分力合力与数值仿真计算结果进行对比，验证波浪砰击载荷测量装置的性能和精确性。
10.根据权利要求8所述的一种波浪砰击载荷测量方法，其特征在于，所述多个波浪砰击载荷测量装置从高到低依次设于海洋平台的待测量区域上。
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| CN105444939B (zh) | 2018-02-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhao Guocheng Inventor after: Xiao Longfei Inventor after: Guo Yinghao Inventor after: Tian Xinliang Inventor after: Kou Yufeng Inventor after: Zhu Peng Inventor after: Rong Huixiang Inventor after: Liu Zongzong Inventor before: Xiao Longfei Inventor before: Zhao Guocheng Inventor before: Guo Yinghao Inventor before: Tian Xinliang Inventor before: Kou Yufeng |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |