CN108120584A - 波流力测量试验装置及方法 - Google Patents

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陈刚
陈韬霄
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Abstract

本发明属于水工物理模型试验领域。目的是提供一种波流力测量装置和方法，所述装置适用性强，造价低，操作简单；所述方法能够简便、快速地操作试验装置，获得海工结构物准确的波流力试验值。技术方案是：一种波流力测量试验装置，其特征在于，该装置包括设置在试验槽中的起支撑稳定作用的主架、可竖直移动地定位在所述主架上的升降平台以及安装在主架下方地面上的水平测力三角支撑架。

Description

波流力测量试验装置及方法
技术领域
本发明属于水工物理模型试验领域，特别涉及一种测量波流力试验装置及方法。
背景技术
波浪与结构之间的反射、折射及衍射过程孕育着巨大的能量，海工结构物在设计波浪的能量作用下承受着不间断的相当强度的波浪作用力。波流力己成为近、远海工程建设中急需解决的关键问题。一般来说，当波高超过0.5m时，就应考虑波浪力对结构动力的影响。由于海洋环境极为复杂，使得海洋工程的设计和施工面临更大的考验。作用于工程结构上的巨大波浪冲击力取值对其设计、施工将很可能起到控制作用，波流力的正确计算与否，将会对结构设计的合理性和可靠性、安全性和经济性产生重大影响。根据以往研究，当结构横向尺寸与波长之比小于0.2时，此时不考虑绕射影响，可按Morison方程计算出波流力。随着海洋工程的兴建，结构物尺寸越来越大、形式越来越多种多样，现有的计算公式不能有效计算出结构物的波流力，目前通常采用物理模型试验进行研究。
由于海洋条件复杂，针对同一结构物需要开展多向、多水位、多波高及多流速条件下的试验，继而确定最不利情况。因而确定结构物所受波流力的关键问题是如何减小试验周期，准确、快速地获得海工结构物的波流力，从而保证海工结构物的安全。就目前来说，尚没有用于测量海工结构物波流力的专用试验设备，以往都是针对特定海工结构物定制特定试验装置，继而造成试验装置适用性窄、功能单一；同时，每次试验开展前都要进行试验装置的设计和制作，既费时又费钱，在试验过程中还会因装置不完备带来许多麻烦，甚至会影响最终的波流力试验结果。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术存在问题，提供一种波流力测量装置和方法，所述装置适用性强，造价低，操作简单；所述方法能够简便、快速地操作试验装置，获得海工结构物准确的波流力试验值。
本发明提供的技术方案是：一种波流力测量试验装置，其特征在于，该装置包括设置在试验槽中的起支撑稳定作用的主架、可竖直移动地定位在所述主架上的升降平台以及安装在主架下方地面上的水平测力三角支撑架；
所述主架包括竖直固定在地面的若干根基础立柱以及设置在基础立柱的上、中位置的上支撑平台和下支撑平台；所述上支撑平台由四根一级上横梁组成的矩形外框、设置在一级上横梁的迎、背浪侧的四根二级上横梁、设置在两根二级上横梁上且形成矩形内框的三级上横梁组成；所述下支撑平台结构与上支撑平台结构相同；
所述二级上横梁与二级下横梁之间设置有若干可竖直运动的升降立柱，所述三级上横梁与三级下横梁之间设置着由水平螺杆带动的可竖直运动的升降螺杆，由水平电机驱动的水平螺杆安装在三级上横梁上；各升降立柱分别与固定在二级上横梁以及二级下横梁上的滑套进行上下滑动配合，各升降立柱的底端共同连接一水平布置的圆形滑轨；所述升降平台位于圆形滑轨下方且通过弧形滑块可滑动地定位在圆形滑轨上；
所述升降平台上设置着由一级滑动副、定位在一级滑动副上的二级滑动副以及定位在二级滑动副上的连接架组成的过渡架，用于悬挂海工结构物。
所述水平测力三角支撑架由水平槽钢、垂直槽钢和倾斜角钢组成，所述垂直槽钢上设有配置着滑块的垂直滑轨，所述水平槽钢底部开设有螺栓开口，以通过螺栓将水平测力三角支撑架固定在地面上。
所述一级滑动副包括固定在升降平台上的一级滑轨以及可滑动地定位在一级滑轨上的一级滑块，所述二级滑动副包括固定在一级滑块上二级滑轨以及可滑动地定位在二级滑轨上的二级滑块；所述连接架与二级滑块固定连接。
所述升降螺杆与水平螺杆上的螺套连接，圆形滑轨则与升降螺杆下部的螺套连接。
所述升降立柱上刻有长度刻度，所述圆形滑轨上刻有弧度刻度。
采用所述波流力测量试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：
a.试验人员首先根据海工结构物的具体尺寸，制作试验用的模型，并在测力点位置钻孔，模型几何尺度的允许偏差不超过±1％，局部小尺度的允许偏差不超过±0.5mm；
b.利用润滑油将波流力架子的所述升降立柱、升降螺杆和各部分所述滑块进行仔细涂抹，保证在微小作用下能够移动；
c.模型顶面在垂直方向上通过垂直压力传感器连接在二级滑轨下部的槽钢上，通过调节配套螺杆使得模型保持整体水平；
d.根据实际高程调节所述电机，确定模型的垂直位置；
e.利用圆形滑轨上的弧形滑块进行模型的角度调整，待调整到位将所述弧形滑块卡牢；
f.模型侧面在水平方向上连接水平压力传感器，水平压力传感器经配套螺杆连接所述水平测力三角支撑架上垂直移动的滑块，所述水平测力三角支撑架调整位置后再与地面固定；
g.当模型在波流力试验架子上安装完成后，根据试验条件往水槽中注水、造流，待水流条件平稳后再造波，通过所述垂直压力传感器记录模型的浮托力，通过所述水平压力传感器记录模型的水平力；
h.试验完成后，若针对模型进行不同水文条件试验，重复步骤d-g；若不同海工结构物，重复步骤c-g。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、功能性，本发明提供了一种专门用于波流力测量的装置和方法，研究波浪和潮流对海工结构物的影响，有利于海洋开发利用。
2、实用性，本发明提供的装置和方法操作简单，实用性强，能够减小试验仪器调整时间，缩短试验周期。
3、经济性，本发明提供的波流力试验装置模块化组装，方便拆装，经济实用。
附图说明
图1是本发明的左视结构示意图。
图2是本发明的主视结构示意图。
图3是本发明的俯视结构示意图(图中省略升降螺杆)。
图4是图1中水平测力三角支撑架的俯视方向视图。
图中：1、主架，1-1、基础立柱，1-2、上支撑平台，1-2-1、一级上横梁，1-2-2、二级上横梁，1-2-3、三级上横梁，1-3、下支撑平台，1-3-1、一级下横梁，1-3-2、二级下横梁，1-3-3、三级下横梁，1-4、升降立柱，1-5、升降螺杆，1-6、水平螺杆，1-7、连接装置，1-8、水平电机，1-9、圆形滑轨，1-9-1、弧形滑块，2、升降平台，2-1、一级滑轨，2-1-1、一级滑块，2-2、二级滑轨，2-2-1、二级滑块，2-2-2、过渡架，3、水平测力三角支撑架，3-1、水平槽钢，3-2、垂直槽钢，3-3、倾斜角钢，3-4、垂直滑轨，3-4-1、滑块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
图1～图4所示的波流力测量装置，包括设置在试验槽中的起支撑稳定作用的主架1、可竖直移动地定位在所述主架上的升降平台2；以及安装在地面上且位于主架下方的水平测力三角支撑架3。
主架中，4根基础立柱1-1的上、中位置处设置上、下两层支撑平台1-2、1-3。所述上支撑平台的矩形外框由(4根)一级上横梁1-2-1组成；一级上横梁的迎、背浪侧设置(4根)二级上横梁1-2-2(二级上横梁的一端固定在迎浪侧的一级上横梁上，另一端固定在背浪侧的一级上横梁上)；所述二级上横梁1-2-2之间设置(4根)三级上横梁1-2-3，组成矩形内框。所述下支撑平台1-3的构建方法同所述上支撑平台1-2。
二级上横梁以及二级下横梁上分别设置有滑套，升降立柱1-4可竖直滑动地嵌入滑套中，各升降立柱的底端共同连接一水平布置的圆形滑轨1-9，所述升降平台位于圆形滑轨下方且分别通过弧形滑块1-9-1可滑动地定位在圆形滑轨上(即所述圆形滑轨1-9通过弧形滑块1-9-1与所述升降平台2相连)，使得所述升降平台2的整体平面呈水平状态布置。
升降平台2底部安装有相互平行的两根一级滑轨2-1，每根一级滑轨2-1上配套有2块独立的一级滑块2-1-1，在每根一级滑轨上各选取同一侧的一级滑块2-1-1连接二级滑轨2-2，在每根二级滑轨2-2上安装2块独立的二级滑块2-2-1，二级滑块2-2-1表面安装小槽钢2-2-2(即连接架)，小槽钢的一侧开孔。
所述三级上横梁与三级下横梁之间设还置着升降螺杆1-5；由水平电机1-8驱动的水平螺杆1-6安装在三级上横梁上，所述升降螺杆1-5通过连接装置1-7与水平螺杆1-6上的螺套相连，因而可以在水平螺杆驱动下水平移动；圆形滑轨通过支撑架(为图面清晰，省略支撑架)与升降螺杆下部的螺套连接。
所述水平测力三角支撑架3由水平槽钢3-1、垂直槽钢3-2和倾斜角钢3-3组成直角三角形状；在所述垂直槽钢3-2上布置垂直滑轨3-4，在所述垂直滑轨3-4上配有相适合的滑块3-4-1；所述水平槽钢3-1底部开有2个安装用的缺口3-1-1，固定螺栓可通过所述缺口3-1-1将水平测力三角支撑架3和地面相连。
在本实施例中，所述升降立柱1-4上刻有长度刻度，所述圆形滑轨1-9上刻有弧度刻度，方便海工结构物模型高度和方向的调整。
上述波流力测量试验装置主要采用预制构件组装形成的，方便波流力试验架子的安装与拆除，具体的制作、安装过程为：所述1、2、3级上(下)横梁1-2-1、1-2-2、1-2-3(1-3-1、1-3-2、1-3-3)均由槽钢制成，其中1级上(下)横梁1-2-1(1-3-1)内宽度稍大于2级上下横梁1-2-2(1-3-2)外宽度，2级上(下)横梁1-2-2(1-3-2)内宽度稍大于3级上(下)横梁1-2-3(1-3-3)外宽度。
上述所有横梁上均开孔。1级上(下)横梁1-2-1(1-3-1)和支撑立柱1-4通过螺栓相连；1级上(下)横梁1-2-1(1-3-1)和2级上(下)横梁1-2-2(1-3-2)、2级上(下)横梁1-2-2(1-3-2)和3级上(下)横梁1-2-3(1-3-3)之间也通过螺栓相连。所述2级上(下)横梁1-2-2(1-3-2)设置在1级上下横梁1-2-1(1-3-1)的1/4和3/4位置处，每处设置2根所述2级上(下)横梁1-2-2(1-3-2)，所述同一层2根2级横梁1-2-2(1-3-2)之间距离比升降立柱1-4直径宽2厘米。所述3级上(下)横梁1-2-3(1-3-3)安装在所述2级上下横梁1-2-2(1-3-2)的1/6和5/6处，每处各设置2根所述3级上(下)横梁1-2-3(1-3-3)，所述3级上(下)横梁1-2-3(1-3-3)之间距离比升降螺杆1-5直径宽2厘米。所述升降立柱1-4通过滑动限位器1-4-1与2级上(下)横梁1-2-2(1-3-2)相连接。同一侧所述升降立柱1-4和所述升降螺杆1-5在同一条直线上，所述升降螺杆1-5在2根所述升降立柱1-4中间位置。
采用波流力试验装置的操作方法，包括如下步骤：
a.试验人员首先根据海工结构物的具体尺寸，按照比例关系，利用结构强度较好材料制作试验模型，并在测力点位置钻孔，模型几何尺度的允许偏差不超过±1％，局部小尺度的允许偏差不超过±0.5mm，模型具有足够的刚度和平直度。
b.利用润滑油将波流力架子的升降立柱1-4、升降螺杆1-5和各部分滑块进行仔细涂抹，保证在微小作用下能够移动。
c.模型顶面在垂直方向上连接垂直压力传感器，垂直压力传感器经配套螺杆固定在小槽钢2-2-2上，通过调节配套螺杆使得模型整体水平，从而保证所述压力传感器受力均匀。
d.根据实际高程调节所述电机1-8，根据所述升降立柱1-4上的长度刻度来确定模型的垂直位置，在调整过程中保证模型整体水平，同时也时刻注意整体结构除和总力传感器接触外不受其他外力作用。
e.基于水流、波浪和海工结构物的相互关系，利用所述圆形滑轨1-9上的弧形滑块1-9-1参考所述圆形滑轨1-9上刻度进行模型的角度调整，待调整到位将所述弧形滑块1-9-1卡牢。
f.模型侧面水平方向上连接水平压力传感器，所述水平压力传感器经配套螺杆连接所述水平测力三角支撑架3上垂直移动的滑块3-4-1，调整所述水平测力三角支撑架3位置后利用螺母固定在地面上。
g.在上述模型在波流力试验架子上安装完成后，根据试验条件往水槽中注水、造流，待水流条件平稳后再造波，通过所述垂直压力传感器记录模型的浮托力，通过所述水平传感器记录模型的水平力。
h.试验完成后，若针对同一模型进行不同条件试验，重复步骤d-g；若不同的模型，则重复步骤c-g。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波流力测量试验装置，其特征在于，该装置包括设置在试验槽中的起支撑稳定作用的主架(1)、可竖直移动地定位在所述主架上的升降平台(2)以及安装在主架下方地面上的水平测力三角支撑架(3)；
所述主架包括竖直固定在地面的若干根基础立柱(1-1)以及设置在基础立柱的上、中位置的上支撑平台(1-2)和下支撑平台(1-3)；所述上支撑平台由四根一级上横梁(1-2-1)组成的矩形外框、设置在一级上横梁的迎、背浪侧的四根二级上横梁(1-2-2)、设置在两根二级上横梁上且形成矩形内框的三级上横梁(1-2-3)组成；所述下支撑平台结构与上支撑平台结构相同；
所述二级上横梁与二级下横梁之间设置有若干可竖直运动的升降立柱(1-4)，所述三级上横梁与三级下横梁之间设置着由水平螺杆(1-6)带动的可竖直运动的升降螺杆(1-5)，由水平电机驱动的水平螺杆安装在三级上横梁上；各升降立柱分别与固定在二级上横梁以及二级下横梁上的滑套进行上下滑动配合，各升降立柱的底端共同连接一水平布置的圆形滑轨(1-9)；所述升降平台位于圆形滑轨下方且通过弧形滑块(1-9-1)可滑动地定位在圆形滑轨上；
所述升降平台上设置着由一级滑动副、定位在一级滑动副上的二级滑动副以及定位在二级滑动副上的连接架组成的过渡架(2-2-2)，用于悬挂海工结构物。
2.根据权利要求1所述的波流力测量试验装置，其特征在于：所述水平测力三角支撑架由水平槽钢(3-1)、垂直槽钢(3-2)和倾斜角钢(3-3)组成，所述垂直槽钢上设有配置着滑块的垂直滑轨(3-4)，所述水平槽钢底部开设有螺栓开口，以通过螺栓将水平测力三角支撑架固定在地面上。
3.根据权利要求2所述的波流力测量试验装置，其特征在于：所述一级滑动副包括固定在升降平台上的一级滑轨(2-1)以及可滑动地定位在一级滑轨上的一级滑块(2-1-1)，所述二级滑动副包括固定在一级滑块上的二级滑轨(2-2)以及可滑动地定位在二级滑轨上的二级滑块(2-2-1)；所述连接架与二级滑块固定连接。
4.根据权利要求3所述的波流力测量试验装置，其特征在于：所述升降螺杆与水平螺杆上的螺套连接，圆形滑轨则与升降螺杆下部的螺套连接。
5.根据权利要求4所述的波流力测量试验装置，其特征在于：所述升降立柱上刻有长度刻度，所述圆形滑轨上刻有弧度刻度。
6.采用所述波流力测量试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：
a.试验人员首先根据海工结构物的具体尺寸，制作试验用的模型，并在测力点位置钻孔，模型几何尺度的允许偏差不超过±1％，局部小尺度的允许偏差不超过±0.5mm；
b.利用润滑油将波流力架子的所述升降立柱、升降螺杆和各部分所述滑块进行仔细涂抹，保证在微小作用下能够移动；
c.模型顶面在垂直方向通过垂直压力传感器连接在所述二级滑轨下部的槽钢上，通过调节使得保持整体水平；
d.根据实际高程调节所述电机，确定模型的垂直位置；
e.利用所述圆形滑轨上的弧形滑块进行模型的角度调整，待调整到位将所述弧形滑块卡牢；
f.模型侧面在水平方向上连接水平压力传感器，所述水平压力传感器经配套螺杆连接所述水平测力三角支撑架上垂直移动的滑块，所述水平测力三角支撑架调整位置后再与地面固定；
g.当模型在波流力试验架子上安装完成后，根据试验条件往水槽中注水、造流，待水流条件平稳后再造波，通过所述垂直压力传感器记录模型的浮托力，通过所述水平压力传感器记录模型的水平力；
h.试验完成后，若针对同一模型进行不同水文条件试验，重复步骤d-g；若不同的模型，则重复步骤c-g。
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