CN109540494A - 一种吸力锚试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种海上锚固试验装置和试验方法，特别涉及一种适于不同复合加载模式的吸力锚试验装置和试验方法。该装置包括吸力锚模型、试验槽和安装在试验槽上的组合框架。该组合框架包括U型旋转框架结构、水平固定支架、竖向固定支架；每个支架上分别安装对吸力锚模型施加激励的驱动源和编码器组件，形成运动伺服控制执行系统，使组合框架下的吸力锚模型可以处于旋转运动、水平移动、垂直移动的多种形式的联动状态，产生使吸力锚处于不同复合加载模式的工况。集成了信号采集系统的信号采集通道与吸力锚相连接，固定在组合框架上。本发明装置结构简单、操作方便；本方法可以同时或单独完成吸力锚的竖向沉贯试验、水平加载试验、扭转加载试验、多向加载试验。

Description

一种吸力锚试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及一种海上锚固试验装置技术领域，特别是涉及一种不同复合加载模式的吸力锚试验装置和试验方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，海洋资源的利用开发力度越来越大。包括固、气能源的开采、波浪能的收集。特别是波浪能，由于具备可再生、无污染、储量大、品质好(以机械能形式出现)、分布面广、可预测性强等优势，使其逐渐发展成为一种新型的替代能源。在波浪能研究和利用过程中，有必要充分考虑吸力锚的承载特性；尤其是在我国沿海海域较厚的软质黏土沉积条件下，更要注重吸力锚固基础的应用研究。

当海上风暴来临时，吸力锚在长期上拔力与多向力非共面动荷载作用下，其周围土体将经受更大范围的变形扰动，吸力锚的极端承载特性将受到很大影响。当前，已经开展的吸力锚结构的承载特性研究中所构建的吸力锚试验装置通常只考虑单一上拔力荷载，或上拔力与单一水平方向共面复合荷载作用。而在真实海洋环境中，由于受系泊结构的影响，在波浪荷载作用下，吸力锚经受的荷载通常是长期的非共面复合动荷载。，此种荷载工况下复杂。特别是面对沿海常见的软黏土地基时，吸力锚失效机制及承载特性就更加复杂，对其研究就成为亟待解决的关键科学问题。

综上，考虑真实工况，构建适应不同复合加载模式下的新型吸力锚试验装置显得尤为重要。因此，为了更好的开展波浪换能技术的研究，需要研制一种适于不同复合加载模式的吸力锚试验装置；并利用该发明的装置，形成一种针对复合荷载作用工况的试验方法。

发明内容

本发明的目的，是提供一种新型的吸力锚试验装置和试验方法。采用该吸力锚试验装置和试验方法开展吸力锚试验，可解决在一台试验装置上单独或同时开展多方位吸力锚失效机制及承载特性研究技术问题，使不同复合加载模式下吸力锚承载特性试验研究变得简单、易行。

本发明采取的技术方案是：

一种吸力锚试验装置，包括吸力锚模型、试验槽；所述试验槽为空腔结构，盛装有试验土体；所述吸力锚试验装置还包括安装在所述试验槽上的组合框架；所述的组合框架包括：固设在所述试验槽上的环形导轨；在所述环形导轨上旋转连接的U型旋转框架结构；所述环形导轨径向上固设的水平固定支架；在所述水平固定支架内侧滑动连接的竖向固定支架；所述竖向固定支架上连接的能上、下移动的竖直移动结构；所述竖直移动结构上连接的锁止装置，用以将所述竖直移动结构锁定在所述竖向固定支架上；所述吸力锚模型吊装在所述竖直移动结构下部，位于所述试验槽盛装的试验土体内；所述吸力锚试验装置还包括对所述吸力锚模型施加载荷的伺服控制执行系统；所述的伺服控制执行系统包括：所述竖向固定支架上安装的竖直驱动源和编码器组件，用于驱动所述竖直移动结构在所述竖向固定支架上做上、下移动；所述水平固定支架上安装的水平驱动源和编码器组件，用于驱动所述竖向固定支架沿所述水平运动导轨做直线移动；所述U型旋转框架结构的顶部横梁上端安装的旋转动力源及编码器组件，用于驱动所述U型旋转框架结构在所述环形导轨上围绕所述试验槽轴线做平面转动；所述吸力锚试验装置还包括集成了数据采集系统的数据采集通道，所述数据采集通道固设在所述组合框架上。

所述环形导轨上部有环形导轨槽，所述U型旋转框架结构下部设置有与所述环形导轨槽配合使用的旋转移动滑块，所述旋转移动滑块束缚在所述环形导轨槽内，带动所述U型旋转框架结构沿所述环形导轨槽，在所述环形导轨上围绕所述试验槽轴线做平面转动。

所述水平固定支架由两条相间隔的支架组成，所述支架相对内侧有水平运动导轨，所述竖向固定支架上有与水平运动导轨相配合的水平移动滑块,所述水平移动滑块镶嵌在所述水平运动导轨的内侧，并带动所述竖向固定支架沿所述水平运动导轨，在水平固定支架上做水平直线移动。

所述竖向固定支架上有带有竖直运动导轨，所述竖直移动结构上有竖直移动轨道滑块，镶嵌在所述竖直运动导轨内，和所述竖直运动导轨配合使用，带动所述竖直移动结构沿所述竖直运动导轨，在所述竖向固定支架上做垂直方向的上、下移动。

一种复合加载模式的吸力锚试验方法，使用所述的吸力锚试验装置，包括：所述竖直驱动源和编码器组件实施激励，驱动所述竖直移动结构在所述竖向固定支架上做垂直方向的上、下移动；所述数据采集系统通过所述数据采集通道，采集所述吸力锚模型承受的竖直方向的力或扭矩参数、位移或转角参数，并存储，进行所述吸力锚模型的竖向沉贯试验；所述水平驱动源和编码器组件实施激励，驱动所述竖向固定支架沿所述水平运动导轨做水平方向的直线移动；所述数据采集系统通过所述数据采集通道，采集所述吸力锚模型承受的水平方向的力或扭矩参数、位移或转角参数，并存储，进行所述吸力锚模型的水平加载试验；所述旋转动力源及编码器组件实时激励，驱动所述U型旋转框架结构在所述环形导轨上围绕所述试验槽轴线做平面旋转运动；所述数据采集系统通过所述数据采集通道，采集所述吸力锚模型承受的扭转方向的力或扭矩参数、位移或转角参数，并存储，进行所述吸力锚模型的扭转加载试验；所述竖直驱动源和编码器组件、所述水平驱动源和编码器组件、所述旋转动力源及编码器组件的实时激励的任意组合，形成不同的复合加载模式，使所述吸力锚模型处于不同的复合加载运动模式中；所述数据采集系统通过所述数据采集通道，同时采集所述吸力锚模型承受的竖直方向、和/或水平方向、和/或扭转方向的力或扭矩、位移或转角的参数，并存储，进行所述吸力锚模型的多向加载试验；存储的所述力或扭矩参数、位移或转角参数，传输给计算机。

本发明具有的有益效果是：

利用本发明装置和方法，可以生成不同复合加载模式对吸力锚模型展开试验，单独或同时完成：

(1)吸力锚的竖向沉贯试验；

(2)吸力锚的水平加载试验；

(3)吸力锚的扭转加载试验；

(4)吸力锚的多向加载试验。

本发明还具有结构简单、便于拆卸和操作方便的优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为图1的轴线剖视示意图；

其中：1、吸力锚模型 2、试验槽 3、竖直动力源及编码器 4、水平动力源及编码器5、旋转动力源及编码器 6、竖向固定支架，7、水平固定支架 8、环形导轨 9、U型旋转框架结构，10、锁止装置，11、数据采集通道 12、水平运动导轨 13、环形导轨槽 14、旋转移动滑块15、水平移动滑块 16、竖直运动导轨 17、竖直移动结构 18、滚珠 19、竖直移动轨道滑块20、旋转动力源安装框架 21、试验土体。

具体实施例

本发明涉及一种新型的锚固试验装置和试验方法，主要用于在室内对锚固装置进行竖向沉贯试验、水平加载试验、多向水平加载试验等试验之用。试验装置整体相较于实际应用，采用了缩小比例的模型，模型的尺寸可以根据具体的试验要求改变大小。试验的主体模型可以是管道段模型(圆形)、防沉板模型(矩形)等。本发明试验主体为吸力锚模型1。

吸力锚试验模型1也可以有多种外观形式。本实施例中的吸力锚模型1采用外观为倒扣型桶型。

本实施例中的试验槽2采用中空圆柱形箱体模型，可以根据试验土体类型，在箱体模型内部盛装不同的试验土体21；其上固定连接有一个组合框架，框架下吊装吸力锚模型1。该组合框架上安装有可以水平移动、竖直移动、旋转移动的机构，每个机构有各自的驱动动力源；该机构在各自驱动动力源的动力驱动下，可以单独运动，也可以实现联动，形成不同复合加载模式。这就使得吸力锚模型1能够在此装置里，处于可变化的复杂的运动模式中，分别模拟出各种不同环境的工况状态。数据采集系统集成在数据采集通道11上，固设在组合框架上便于数据采集的地方，用以采集试验过程中的竖向、水平及扭转方向的力(或扭矩)和位移(或转角)。

结合附图1和附图2，对本发明的实施例进行详细说明：

本具体实施里中，吸力锚模型1为倒扣桶型，试验槽2为中空圆柱形箱体，可以盛装不同海域的试验土体21；实验过程中，吸力锚模型1始终位于试验土体21中。

安装在试验槽2上的组合框架，以环形导轨8为基础。本实施例中，环形导轨8的径向尺寸与试验槽2一致，为便于加工和安装，将其做成左右两个半圆，然后插接成一体，并一同用紧固件固定在试验槽2上。

在环形导轨8上旋转连接有U型旋转框架结构9。环形导轨8上部有环形导轨槽13，本实施例具体为倒T形结构。该倒T形结构的下端面均匀间隔布置球形凹陷结构，上面安放滚珠18；U型旋转框架结构9下部设置与环形导轨槽13配合使用的旋转移动滑块14，具体为和环形导轨槽13上的倒T形结构相配合的倒T形结构；旋转移动滑块14结构上，倒T形结构的底部端面上，对应环形导轨槽13上布置的球形凹陷结构，开有以滚珠18半径为半径的环槽，环槽的深度小于该滚珠18半径。旋转移动滑块14束缚在所述环形导轨槽13内，围绕试验槽2柱体轴线旋转，使所述U型旋转框架结构9在环形导轨8上，做平面转动运动。

环形导轨8每个半圆内侧有一条平行于直径的筋条结构，每个筋条结构面向圆心的垂面中央开有平行于径向的T形轨道；两个半圆合拢后，两个筋条共同构成水平固定支架7，相对应的T形轨道共同构成水平运动导轨12。竖向固定支架6上带有可以与水平固定支架7上的水平运动导轨12相配合的水平移动滑块15；水平移动滑块15镶嵌在水平运动导轨12的内侧，带动竖向固定支架6在水平运动导轨12上沿水平固定支架7做水平方向思维直线运动。

竖向固定支架6的垂直于水平固定支架7的侧面上，开有竖直运动导轨16，具体为T形槽；竖直移动结构17上有竖直移动滑块19；竖直移动滑块19嵌入竖直运动导轨16，与之配合使用，使竖直移动结构17嵌套在竖向固定支架6上，并沿竖向固定支架6的垂直方向做上下运动；锁止装置10固设在竖直移动结构17上，随竖直移动结构17沿竖直运动导轨16上下运动，并通过紧固螺栓，随时将竖直移动结构17固定在竖直运动导轨16上的某个高度上。

吸力锚模型1吊装固设在竖直移动结构17下部，随竖直移动结构17沿竖直运动导轨16上下移动，并可由锁止装置10锁定在所述竖向固定支架6上的某个高度。吸力锚模型1通过水平运动导轨12中间的空隙，进入试验槽2中。

竖直驱动源、水平驱动源和旋转动力源均选用伺服马达。水平驱动源驱动竖向固定支架6在水平运动导轨12上沿水平固定支架7水平移动；竖直驱动源驱动竖直移动结构17，沿竖向固定支架6的垂直方向做上下运动；旋转动力源安装在U型旋转框架结构9的顶部横梁中心上端；本实施例中，旋转动力源通过吊装在与试验槽2固定连接的旋转动力源安装框架20上，通过齿轮啮合，与U型旋转框架结构9的顶部横梁中心上端传动连接在一起；旋转动力源驱动U型旋转框架结构9在环形导轨8上绕试验槽2的中轴线做平面转动。本实施例中，旋转动力源安装框架20采用了U形，固定连接在试验槽2的顶部外边缘位置。这种结构，可以实现吸力锚模型1在水平、竖直、旋转方位上的三个维度运动的任意组合的同时运动；从而尽可能模拟复杂海况的真实工况，形成多种工况。

伺服马达和编码器共同构成驱动源和编码器组件，即形成竖直驱动源和编码器组件3、水平驱动源和编码器组件4、旋转动力源及编码器组件5。编码器可根据试验条件设置不同的频率参数，进而对伺服马达的加载方式进行控制。

本实施例的数据采集通道11固定在水平固定支架7的外侧，上面集成了12通道采集频率为100Hz的数据采集系统。该采集系统可以和各个驱动源和编码器组件以及计算机之间无线联通。

本实施例采用PID闭环伺服控制系统，实现竖向、水平及旋转方向的力或位移控制，数据采集系统对试验过程中的竖向、水平及扭转方向的力(或扭矩)和位移(或转角)进行采集存储。

该发明装置的试验工况可实现：

(1)竖向沉贯试验：

可实现竖向力或位移控制的竖向沉贯工况，加载速率范围为0.0001-3mm/s；竖向力施加可达到800N，竖向力可实现恒定荷载控制，上下偏差度控制于1％，竖向位移行程可达到0.2倍的吸力锚模型直径，例如，吸力锚模型深度为0.3m，则竖向位移行程可达到0.06m。

(2)水平加载试验：

当吸力锚模型贯入到指定深度后，竖向力可维持在一定荷载水平上，并实现水平力或位移控制的水平侧推工况，加载速率范围为0.0001-3mm/s；

水平力施加可达到600N，水平力可实现三角、矩形及正弦波形加载，水平向位移行程可达到0.2倍的吸力锚模型直径，例如，吸力锚模型深度为0.3m，则竖向位移行程可达到0.06m。

(3)扭转加载试验：

当吸力锚模型贯入到指定深度后，竖向力可维持在一定荷载水平上，并激活单向旋转锁止机构，实现扭矩或旋转角度控制的扭转工况，加载速率范围为0.0001-0.5度/s；扭矩施加可达到50Nm，旋转角度可达到360度。

(4)多向加载试验：

当吸力锚模型贯入到指定深度后，竖向力可维持在一定荷载水平上，并实现任意角度的水平力或位移连续控制的水平侧推工况，加载速率范围为0.0001-3mm/s；水平力施加可达到600N，水平力可实现三角、矩形及正弦波形加载，水平向位移行程可达到0.2倍的吸力锚模型直径，例如，吸力锚模型深度为0.3m，则竖向位移行程可达到0.06m。

尽管以上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(包括组合框架实现几个方向的运动的具体结构)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的情况下，还可以做出很多形式的结构和方法的改变。凡是现有技术中通过结构和元器件的简单变换，以及方法步骤的简单组合、变换，就可以应用于锚固试验装置和试验方法的设施中，以实现本发明所涉及的运动方式的机械结构、以实现本发明的数据信号采集的技术、以实现本发明的实质方法，均在本发明保护范围之内。本发明还能够应用于海洋基础研究有关系泊装置的相关研究试验装置。这些方面的应用也均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种吸力锚试验装置，包括吸力锚模型(1)、试验槽(2)；所述试验槽(2)为空腔结构，盛装有试验土体(21)；

其特征在于，

所述吸力锚试验装置还包括安装在所述试验槽(2)上的组合框架；所述的组合框架包括：固设在所述试验槽(2)上的环形导轨(8)；在所述环形导轨(8)上旋转连接的U型旋转框架结构(9)；所述环形导轨(8)径向上固设的水平固定支架(7)；在所述水平固定支架(7)内侧滑动连接的竖向固定支架(6)；所述竖向固定支架(6)上连接的能上、下移动的竖直移动结构(17)；所述竖直移动结构(17)上连接的锁止装置(10)，用以将所述竖直移动结构(17)锁定在所述竖向固定支架(6)上；所述吸力锚模型(1)吊装在所述竖直移动结构(17)下部，位于所述试验槽(2)盛装的试验土体(21)内；

所述吸力锚试验装置还包括对所述吸力锚模型(1)施加载荷的伺服控制执行系统；所述的伺服控制执行系统包括：所述竖向固定支架(6)上安装的竖直驱动源和编码器组件(3)，用于驱动所述竖直移动结构(17)在所述竖向固定支架(6)上做上、下移动；所述水平固定支架(7)上安装的水平驱动源和编码器组件(4)，用于驱动所述竖向固定支架(6)沿所述水平运动导轨(12)做直线移动；所述U型旋转框架结构(9)的顶部横梁上端安装的旋转动力源及编码器组件(5)，用于驱动所述U型旋转框架结构(9)在所述环形导轨(8)上围绕所述试验槽(2)轴线做平面转动；

所述吸力锚试验装置还包括集成了数据采集系统的数据采集通道(11)，所述数据采集通道(11)固设在所述组合框架上。

2.如权利要求1所述的吸力锚试验装置，其特征在于，所述环形导轨(8)上部有环形导轨槽(13)，所述U型旋转框架结构(9)下部设置有与所述环形导轨槽(13)配合使用的旋转移动滑块(14)，所述旋转移动滑块(14)束缚在所述环形导轨槽(13)内，带动所述U型旋转框架结构(9)沿所述环形导轨槽(13)，在所述环形导轨(8)上围绕所述试验槽(2)轴线做平面转动。

3.如权利要求1所述的吸力锚试验装置，其特征在于，所述水平固定支架(7)由两条相间隔的支架组成，所述支架相对内侧有水平运动导轨(12)，所述竖向固定支架(6)上有与水平运动导轨(12)相配合的水平移动滑块(15),所述水平移动滑块(15)镶嵌在所述水平运动导轨(12)的内侧，并带动所述竖向固定支架(6)沿所述水平运动导轨(12)，在水平固定支架(7)上做水平直线移动。

4.如权利要求1所述的吸力锚试验装置，其特征在于，所述竖向固定支架(6)上有带有竖直运动导轨(16)，所述竖直移动结构(17)上有竖直移动轨道滑块(19)，镶嵌在所述竖直运动导轨(16)内，和所述竖直运动导轨(16)配合使用，带动所述竖直移动结构(17)沿所述竖直运动导轨(16)，在所述竖向固定支架(6)上做垂直方向的上、下移动。

5.一种复合加载模式的吸力锚试验方法，使用如权利要求1所述的吸力锚试验装置，包括：

所述竖直驱动源和编码器组件(3)实施激励，驱动所述竖直移动结构(17)在所述竖向固定支架(6)上做垂直方向的上、下移动；所述数据采集系统通过所述数据采集通道(11)，采集所述吸力锚模型(1)承受的竖直方向的力或扭矩参数、位移或转角参数，并存储，进行所述吸力锚模型(1)的竖向沉贯试验；

所述水平驱动源和编码器组件(4)实施激励，驱动所述竖向固定支架(6)沿所述水平运动导轨(12)做水平方向的直线移动；所述数据采集系统通过所述数据采集通道(11)，采集所述吸力锚模型(1)承受的水平方向的力或扭矩参数、位移或转角参数，并存储，进行所述吸力锚模型(1)的水平加载试验；

所述旋转动力源及编码器组件(5)实时激励，驱动所述U型旋转框架结构(9)在所述环形导轨(8)上围绕所述试验槽(2)轴线做平面旋转运动；所述数据采集系统通过所述数据采集通道(11)，采集所述吸力锚模型(1)承受的扭转方向的力或扭矩参数、位移或转角参数，并存储，进行所述吸力锚模型(1)的扭转加载试验；

所述竖直驱动源和编码器组件(3)、所述水平驱动源和编码器组件(4)、所述旋转动力源及编码器组件(5)的实时激励的任意组合，形成不同的复合加载模式，使所述吸力锚模型(1)处于不同的复合加载运动模式中；所述数据采集系统通过所述数据采集通道(11)，同时采集所述吸力锚模型(1)承受的竖直方向、和/或水平方向、和/或扭转方向的力或扭矩、位移或转角的参数，并存储，进行所述吸力锚模型(1)的多向加载试验；

存储的所述力或扭矩参数、位移或转角参数，传输给计算机。