CN108489439A - 一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置及方法，属于工程结构动态监测技术领域。该装置包括三组装置，每组装置均可以确定出一条过真正结构转动中心的直线。其中，两组装置用于测量，一组装置用于拟合和复核；所述的每组装置包括前后两个单位装置，以单位装置中实心球为头部，则每组装置的头部均面向结构中部，三组装置之间要求互不平行。本发明通过应变片及其他构件检测结构转动过程中装置中实心球的离心力和角速度，并由此计算出假设的结构转动中心与装置的距离，通过该距离和固有的几何关系，确定出过真正结构转动中心的直线。本发明可长期实时测量追踪悬浮结构的转动中心，监测过程简单易行、速度快，结果准确可靠，成本低。

Description

一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置及 方法

技术领域

本发明属于工程结构动态监测技术领域，涉及一种基于离心力动态量测的追踪悬浮结构转动中心的装置及方法，适用于偶遇随机动力作用下材料不均匀或异形悬浮工程结构摇摆或扭转的转动中心位置的快速高效实时测定。

背景技术

实时确定工程结构转动中心位置，对于保证一些悬浮结构部件安全、控制结构部件在运输过程中保持稳定具有重要的工程意义。在海洋工程领域，有一种预制基础构件的工程结构，内部空心，类似船箱，一般以海面漂浮的形式，被拖曳到指定施工地点，再填入砂石等重物使之沉入海底形成建构筑物的基础。在海面拖曳运输的过程中，受波浪等作用，结构会发生一定的摇摆或扭转，为保证结构在拖曳过程中的平稳，多以表面施加配重的方式，需要牵引力方向通过结构的转动中心，避免倾覆或扭转力矩过大产生侧翻。但受波浪等随机荷载作用，以及在结构进水、缺损等复杂情况下，悬浮结构的的转动中心在不断的发生着改变。所以在运输过程中，需要实时跟踪结构的转动中心的瞬时变化，以调整拖曳牵引力的方向和行进速度。

目前，工程领域多基于悬吊实验或数值计算的方法来确定结构的转动中心。悬吊实验的方法考虑了稳定状态下重力的作用，但由于波浪等随机载荷很难提前确定，对于海上复杂环境条件下的悬浮结构，此时该方法将不再适用。而数值计算的方法，尽管对于异形程度较大的构件，基于刚性部件扭转假定，通过数值分析可以计算出来结构的转动中心，但在海上荷载多变、结构进水、缺损等复杂情况下，悬浮结构的转动中心的位置不断变化，该方法不能实时追踪的悬浮结构的转动中心，并且数值计算方法对于材料不均匀的结构，并不能快速准确地得到其转动中心。所以无论是实验还是采用数值计算，尚无法实现快速实时瞬态地确定结构转动中心的位置。在这种情况下，对于偶发的快速随机动力载荷导致的结构扭转，急需要一种简单有效的、能够实时测量追踪悬浮结构转动中心的装置和方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置及方法，使得监测过程简单易行，结果可靠，并且可实现实时测得异形或材料不均匀悬浮结构转动中心的要求。本发明通过应变片及装置中其他构件检测结构扭转过程中装置中实心球的离心力和角速度，并由此计算出假设的结构转动中心与装置的距离。前排单位装置实心球球心和假设的结构转动中心的连线、前排单位装置实心球球心和需要确定的真正的转动中心的连线，以及假设的结构转动中心和真正要确定的结构转动中心的连线，三线相交会构成一个直角三角形；前排单位装置实心球球心和假设的结构转动中心的连线，假设的结构转动中心和真正要确定的结构转动中心的连线，两线具有互相垂直的特点。本发明有三组装置，每组装置均包含前后两个单位装置；每组装置可以计算出假设的结构转动中心与装置的距离，然后利用直角三角形中两线相互垂直的特点，得到一条必过结构真正转动中心的直线。即：三组装置可得三条必过结构转动中心的直线，两线相交即可得到结构真正的转动中心，第三条直线用于拟合和复核。

本发明的目的就是使得监测过程简单易行，结果可靠，并且可满足实时测得材料不均匀或异形悬浮结构转动中心的要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置，包括三组装置，每组装置均可以计算出假设的结构转动中心与该组装置的距离，其中，两组装置用于测量，一组装置用于拟合和复核；所述的每组装置包括前后两个单位装置，以单位装置中实心球为头部，则每组装置的头部均面向所测结构中部，三组装置之间要求互不平行。

所述的单位装置包括内部核心装置、外壁封装罩及数据采集处理模块，内部核心装置通过外壁封装罩固定在所测结构的表面，并与数据采集处理模块通过导线相连，外壁封装罩用于保护内部核心装置。

所述的内部核心装置包括实心球、刚性块体、柔性块体、应变片、侧向限位连杆、滑轮、轨道。实心球为球形实体，其材料特性均匀，质心在球心处。实心球与外壁封装罩和刚性块体均为点接触，其可自由活动。刚性块体两侧分别与实心球点接触、与柔性块体的一端连接，用于传递实心球与柔性块体之间的力；刚性块体的另外两侧通过侧向限位连杆与滑轮连接，滑轮限制在轨道上。柔性块体的另一端固定在外壁封装罩内壁上，作为受力基体。应变片固定在柔性块体的表面，应变片通过导线与数据采集处理模块相连。

基于动态量测离心力，本发明采用上述装置动态测量悬浮结构部件转动中心位置的方法，包括以下步骤：

第一步，在结构上布置三组装置：以单位装置中实心球为头部，则每组装置的头部均面向结构中部，三组装置之间要求互不平行。每组装置中包括两个构成一列的单位装置，测出两个单位装置中实心球球心之间的距离d，其中两个单位装置中靠近结构表面中部位置的为前排单位装置，另一组为后排单位装置。

第二步，结构转动情况下，由于实心球离心力的存在，使得实心球作用于刚性块体，由于刚性块体几乎不会变形，故将力传递给柔性块体，柔性块体受力挤压后产生的应变由应变片测出，由应变片所得的应变ε得到离心力大小：

F_1i＝ε_1i×E_1i×A_1i，i＝1，2，3

F_2i＝ε_2i×E_2i×A_2i，i＝1，2，3

其中，E_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体的弹性模量，E_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体的弹性模量；A_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体的横截面面积，A_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体的横截面面积；ε_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体的应变，ε_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体的应变。

第三步，计算各组前排单位装置中实心球球心与假设的结构转动中心C_测的距离r_i：

其中，r_i为假设的结构转动中心C_测与前排单位装置里的实心球球心的距离，并且假设的结构转动中心C_测在该组两个单位装置所在的直线上；若设假设的结构转动中心C_测与实心球球心的连线为S₁，并设假设的结构转动中心C_测与真正的结构转动中心C_真的连线为S₂，则S₁和S₂满足垂直的关系；d_i为各组装置里，两个单位装置里实心球球心之间的距离；m_1i为各组装置里前排单位装置里实心球的质量，m_2i为各组装置里后排单位装置里实心球的质量；F_1i为各组装置里前排单位装置得到的实心球的离心力，F_2i为各组装置里后排单位装置得到的实心球的离心力。

第四步，由第三步的r_i，可以确定假设的结构转动中心的位置。作一条直线，使其过假设的结构转动中心，并且此线垂直于各组装置中两个单位装置中实心球球心的连线。每组装置均可得一条必过结构转动中心的直线，任选两线可得一个交点，该点即为结构的转动中心，其中第三组装置所得直线可用于拟合和复核。

本发明的有益效果是：测得的结果准确可靠，不存在计算不准确的缺点；成本低，可以长期实时测量追踪悬浮结构的转动中心；同时得到结果的速度快，省去了大量传统实验的繁琐步骤，节省了大量精力、材料、时间成本。

附图说明

图1为三组装置位置布置立体示意图；

图2为三组装置位置布置平面示意图；

图3为一组装置中某单位装置固定在结构表面平面示意图；

图4为一组装置中某单位装置内部核心装置平面示意图；

图5为一组装置中某单位装置内部核心装置A-A剖面示意图；

图6为一组装置中某单位装置内部核心装置B-B剖面示意图；

图7为具体实施方式中第三步推导中部分符号的含义及位置关系示意图。

图中：1结构表面；2内部核心装置；3外壁封装罩；4实心球；5刚性块体；6柔性块体；7应变片；8侧向限位连杆；9滑轮；10轨道；11导线；12数据采集处理模块；13某一组装置。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式：

一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置，该装置分为三组，每组两个单位装置，两组用于测量，另一组用于拟合和复核。图1中为三组装置位置立体示意图，任意一组装置13包括两个单位装置。每个单位装置包括内部核心装置2、外壁封装罩3、导线11及数据采集处理部件12，内部核心装置2通过外壁封装罩3固定在所测结构外表面，并与数据采集处理模块12通过导线11相连，外壁封装罩3用于保护内部核心装置2。

内部核心装置2包括实心球4、刚性块体5、柔性块体6、应变片7、侧向限位连杆8、滑轮9、轨道10。实心球4为球形实体，其材料特性均匀，质心在球心处。实心球4与外壁封装罩3内壁的五个面和刚性块体5均为点接触，实心球4可自由活动，但受限于外壁封装罩3和刚性块体5，在未受外力的状态下处于相对于外壁封装罩3固定的状态。刚性块体5两端分别与实心球4点接触，与柔性块体6的一端连接，用于传递实心球4与柔性块体6之间的力。刚性块体5另外两端通过侧向限位连杆8与滑轮9连接，滑轮9限制在轨道10上，轨道10固定在外壁封装罩3内壁，保证刚性块体5在受力的情况下能够自由移动。柔性块体6的另一端固定在外壁封装罩3的内壁，应变片7固定在柔性块体6表面，通过导线11与数据采集处理模块12相连，用于检测柔性块体6的应变，通过计算得到结构扭转时实心球4产生的离心力，进而得到异形结构部件扭转时的中心位置。

基于旋转扰动离心力，本发明采用上述装置动态测量异形结构部件转动中心位置的方法，包括以下步骤：

第一步，在结构上布置三组装置，以单位装置中实心球4为头部，则每组装置的头部都面向结构中部，每组之间只要保证不平行即可。每组中有两个单位装置，这两个单位装置构成一列，测出两个单位装置中实心球4球心之间的距离d。

第二步，结构转动情况下，由于实心球4离心力的存在，使得实心球4作用于刚性块体5，由于刚性块体几乎不会变形，故将力传递给柔性块体6，柔性块体6受力挤压后产生的应变由应变片7测出，由应变片7所得的应变ε可得离心力大小:

F_1i＝ε_1i×E_1i×A_1i，i＝1，2，3 (1)

F_2i＝ε_2i×E_2i×A_2i，i＝1，2，3 (2)

其中，E_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体6的弹性模量，E_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体6的弹性模量；A_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体6的横截面面积，A_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体6的横截面面积；ε_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体6的应变，ε_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体6的应变。

推导过程为：材料力学公式

其中，σ为物体横截面所受应力，ε为物体因受应力而发生的应变，E为材料的弹性模量。

其中，F为物体横截面所受外力，A为外力所作用的横截面。

由关系式(4)代入(3)可得：

F＝ε×E×A (5)

由关系式(5)可知关系式(1)、(2)成立。

第三步，结合关系式(1)和关系式(2)计算各组前排单位装置中实心球4球心与假设的结构转动中心C_测的距离r_i：

其中，r_i为假设的结构转动中心C_测与前排单位装置里的实心球4球心的距离，并且假设的结构转动中心C_测在该组两个单位装置中实心球球心所在的直线上；若设假设的结构转动中心C_测与实心球4球心的连线为S₁，并设假设的结构转动中心C_测与真正的结构转动中心C_真的连线为S₂，则S₁和S₂满足垂直的关系；d_i为各组装置里，两个单位装置里实心球4球心之间的距离；m_1i为各组装置里前排单位装置中实心球的质量，m_2i为各组装置里后排单位装置中实心球的质量；F_1i为各组装置里前排单位装置由应变片7所测并计算而得的实心球4所产生的离心力，F_2i为各组装置里后排单位装置由应变片7所测并计算而得的实心球4的离心力，其他参数含义见前。

以三组装置中的任意一组为例，推导过程为(部分符号含义及位置参考图7)：

设真正的转动中心位置C_真与实心球4球心的距离为r_真，而假设的转动中心C_测与实心球4球心的距离为r_测，此处的r_测即为上述所提到的r_i，i＝1,2,3。若把r_测所在直线，即两个单位装置实心球球心所在直线设为L₁，把真正的转动中心C_真与实心球4球心的连线所在直线设为L₂，则L₁与L₂所夹角度设为θ，此角也即为F_测与F_真所夹角。由离心力公式，则有：

F_真＝mω²r_真 (7)

F_测＝F_真×cosθ＝mω²r_真×cosθ＝mω²r_测＝mω²r_i (8)

由(8)可知测得的F_测总是可以对应着r_测，而与夹角θ无关；也即当同一时间各组的角速度ω相同时，对于一组装置里的前排单位装置来说，所测的力的大小只与r_测有关，这里的r_测即为关系式(6)中的r_i，i＝1,2,3；而后排单位装置所测的力只与r_i+d_i有关，i＝1,2,3。故对于同一组的两个单位装置，由于同一时间两者角速度ω相同，可得：

各符号含义见前。

由关系式(9)即可得关系式(6)。

第四步，由第三步的r_i，可以确定假设的结构转动中心的位置。作一条直线，使其过假设的结构转动中心，并且此线垂直于各组装置中两个单位装置中实心球球心的连线。每组装置均可得一条线，任选两线可得一个交点。这里的r_i即为下面所述的r_测。

推导过程：由第三步关系式(8)可知，r_测虽然不是真正的转动中心与前排单位装置中实心球4的距离，但前排单位装置实心球球心和假设的结构转动中心的连线、前排单位装置实心球球心和需要确定的真正的转动中心的连线，以及假设的结构转动中心和真正要确定的结构转动中心的连线，三线相交会构成一个直角三角形；前排单位装置实心球球心和假设的结构转动中心的连线，假设的结构转动中心和真正要确定的结构转动中心的连线，两线具有互相垂直的特点。两个单位装置实心球球心所在直线设为L₁，如果作一条与直线L₁垂直的直线L₃，使得实心球4球心与直线L₃距离为r_测，则L₃必过真正的转动中心。

一组装置可得一条，三组装置可得三条，两两相交可得三个点，理论上三点重合。但实际上应该考虑到各种误差的影响，三点不一定重合。由于垂直平分线的交点与三角形的三点距离相等，故在实际测量中可取该三点构成的三角形的三边的垂直平分线的交点，该交点可取为结构转动中心。由前所述，本发明能够得到拟合最好的点，该点即为结构的转动中心，从而实现动态实时测量追踪悬浮结转动中心的目的。

Claims (2)

1.一种基于动态量测离心力的追踪悬浮结构转动中心的装置，其特征在于，所述的包括三组装置，每组装置均可以计算出假设的结构转动中心与该组装置的距离；其中，两组装置用于测量，一组装置用于拟合和复核；所述的每组装置包括前后两个单位装置，以单位装置中实心球(4)为头部，则每组装置的头部均面向结构中部，三组装置之间要求互不平行；

所述的每一个单位装置均包括内部核心装置(2)、外壁封装罩(3)及数据采集处理模块(12)；所述的内部核心装置(2)通过外壁封装罩(3)固定在所测结构表面1，并与数据采集处理模块(12)相连，外壁封装罩(3)用于保护内部核心装置(2)；

所述的内部核心装置(2)包括实心球(4)、刚性块体(5)、柔性块体(6)、应变片(7)、侧向限位连杆(8)、滑轮(9)、轨道(10)；所述的实心球(4)为球形实体，其材料特性均匀，质心在球心处；实心球与外壁封装罩(3)和刚性块体(5)均为点接触，实心球(4)可自由活动，但受限于外壁封装罩(3)和刚性块体(5)，在未受外力的状态下相对于外壁封装罩(3)处于固定的状态；所述的刚性块体(5)相对的两侧分别与实心球点接触、与柔性块体的一端连接，用于传递实心球(4)与柔性块体5之间的力；刚性块体(5)的另外相对的两侧通过侧向限位连杆(8)与滑轮(9)连接，滑轮(9)限制在轨道(10)上，轨道(10)固定在外壁封装罩(3)内壁，保证刚性块体(5)在受力的情况下能够自由移动；所述的柔性块体(6)的另一端固定在外壁封装罩(3)内壁上，作为受力基体；所述的应变片(7)固定在柔性块体的表面，并与数据采集处理模块(12)相连，通过计算得到结构扭转时实心球(4)产生的离心力，进一步得到材料不均匀或异形悬浮结构的转动中心。

2.基于旋转扰动离心力，采用权利要求1所述的装置动态测量悬浮结构部件转动中心位置的方法，其特征在于以下步骤：

第一步，在结构表面(1)上布置三组装置：以单位装置中实心球(4)为头部，则每组装置的头部均面向结构中部，三组装置之间要求互不平行；每组装置中包括两个构成一列的单位装置，两个单位装置中靠近结构表面中部位置的为前排单位装置，另一组为后排单位装置，测出一组装置两个单位装置中实心球(4)球心之间的距离d；

第二步，结构转动情况下，则由于实心球(4)离心力的存在，使得实心球(4)作用于刚性块体(5)，由于刚性块体(5)几乎不会变形，故将力传递给柔性块体(6)，柔性块体(6)受力挤压后产生的应变由应变片(7)测出，由应变片(7)所得的应变ε得到离心力大小：

F_1i＝ε_1i×E_1i×A_1i，i＝1，2，3

F_2i＝ε_2i×E_2i×A_2i，i＝1，2，3

其中，E_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体的弹性模量，E_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体的弹性模量；A_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体的横截面面积，A_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体的横截面面积；ε_1i为各组装置里前排单位装置的柔性块体的应变，ε_2i为各组装置里后排单位装置的柔性块体的应变；

第三步，计算各组前排单位装置中实心球(4)球心与假设的结构转动中心C_测的距离r_i：

其中，r_i为假设的结构转动中心C_测与前排单位装置里的实心球(4)球心的距离，并且假设的结构转动中心C_测在该组两个单位装置中质心球球心所在的直线上；若设假设的结构转动中心C_测与实心球的连线为S₁，并设假设的结构转动中心C_测与真正的结构转动中心C_真的连线为S₂，则S₁和S₂满足垂直的关系；d_i为各组装置里，两个单位装置里实心球球心之间的距离；m_1i为各组装置里前排单位装置中实心球的质量，m_2i为各组装置里后排单位装置中实心球的质量；F_1i为各组装置里前排单位装置得到的实心球的离心力，F_2i为各组装置里后排单位装置得到的实心球的离心力；

第四步，由第三步的r_i，可以确定假设的结构转动中心的位置；作一条直线，使其过假设的结构转动中心，并且此线垂直于各组装置中两个单位装置中实心球球心的连线；每组装置均可得一条必过结构真正转动中心的直线，任选两线可得一个交点，该点即为结构的转动中心，其中第三组装置所得直线可用于拟合和复核。