CN109738155A - 一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，包括发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系统、数据采集及控制系统等。本装置设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环境的要求，并通过高压水泵装置叠加创造深海高压环境，在十字万向联轴器的控制下发射装置可以竖直及水平向旋转调整发射方向，将壳型结构物发射至土体表面发生碰撞，并且采用高速摄像机拍摄整个实验过程和应变和加速度传感器采集实验数据。本发明模拟了深海壳型结构物不同入射角度时与海底土体表面碰撞时的运行速度、加速度和运行轨迹情况，并且获得碰撞时壳型结构物的应变变化，以及碰撞后土体发生的刚度变化。

Description

一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种用于模拟深海中壳型结 构物与海床动力碰撞试验装置，通过离心机与高压水泵模拟了深海高 压环境，并发射深海壳型结构物从不同入射角度与海底土体表面碰撞， 获得壳型结构物的运行速度、加速度和运行轨迹等情况，同时采集壳 型结构物碰撞土体时壳型结构物的应变变化，以评估壳型结构物的安 全性。

背景技术

海洋占住了地球表面积的71％，深底丰富的石油蕴藏、堆积着无 数的锰团以及其他资源吸引着一些工业发达国家竞相进行海洋开发 事业。我国明确提出建设海洋强国，突破海洋资源开发利用的技术难 题。

深潜技术是进行海洋开发的必要手段，它是由深潜器、工作母船 (水面支援船)和陆上基地所组成的一个完整的系统，深潜器是其关键 部份。目前国际上的潜水器一般能够下潜至6千米水深，潜水器承受 着巨大的压应力，在与海床发生碰撞时极易发生结构屈曲失稳，造成 灾难性后果。目前对于潜水器结构受力一般利用高压环境进行强度测 试，一般是静态的加载，未涉及到与结构物的碰撞问题，因此亟需开 发出能够模拟超高压力条件下潜水器与海床动力碰撞的试验装置。

本发明提出了一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞 试验装置，通过高压水泵和超重力离心机双重环境，能模拟出超深海 高压环境，并发射深海壳型结构物不同入射角度时与海底土体(岩石、 砂土及黏土)表面碰撞，获得壳型结构物的运行速度、加速度和运行 轨迹情况，同时采集壳型结构物碰撞土体时壳型结构物的应变变化， 以评估壳型结构物的安全性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于模拟深海 中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，该装置设置在土工离心机中 实验，超重力环境以达到模拟深海环境的要求，并通过高压水泵装置 叠加创造深海高压环境，在十字万向联轴器的控制下发射装置可以调 整发射方向，将胶囊型深海壳型结构物发射至土体表面发生碰撞，并 且采用高速摄像机拍摄整个实验过程和应变和加速度传感器采集实 验数据。本发明可模拟深海壳型结构物从不同入射角度与海底土体表 面碰撞时的运行速度、加速度和运行轨迹情况，并且获得碰撞时壳型 结构物的应变变化，以及碰撞后土体发生的刚度变化。

本发明采取以下技术方案：

一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，包括 密闭的钢箱水槽、发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系 统、数据采集及控制系统；钢箱水槽置于土工离心机中，高压水泵装 置通过注水管通入钢箱水槽中，注水管上安装有压力计和流量计，在 钢箱水槽内铺设土体，发射装置包括十字万向联轴器、弹射器、玻璃 纤维绳及壳型结构物，弹射器通过十字万向联轴器安装于钢箱水槽内 壁，壳型结构物装于弹射器上，且壳型结构物的尾部和弹射器通过玻 璃纤维绳连接在一起，在钢箱水槽上设有观察窗口，高速摄像机通过 观察窗口拍照记录实验过程中壳型结构物运动轨迹，传感器系统用于 检测装置中的待测数据，并采用无线传输的方式传输至数据采集及控 制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。

上述技术方案中，优选的，所述的钢箱水槽开口处设置水槽固定 法兰盘，水槽顶盖通过高强度螺栓和水槽固定法兰盘紧密压紧。整个 实验水箱用于模拟深海高压环境因此对于水箱的密闭性要求极高，采 用钢构成水箱的钢箱骨架，同时为了便于观察实验中壳型结构物的运 行，将水槽的正面，上面及右面的观察窗口采用高强度玻璃板。此外， 由高强度螺栓将水槽顶盖和水槽固定法兰盘紧密的压紧，保证机构能 够承受实验过程中产生的高压，需采用泡沫胶等进行封闭以免造成实 验误差，影响试验准确性。

为了便于重复试验，避免多次打开钢箱口进行操作，采用轻质高 强度的玻璃纤维绳将壳型结构物的尾部和发射装置连接在一起，弹射 器可经控制将玻璃纤维绳自动收回，可以在一次发射结束后收紧轻质 高强度玻璃纤维绳重新准备下次试验。

优选的，为更详细的区分壳型结构物在不同环境下的碰撞情形， 钢箱底部土体可以选用砂土、岩石、黏土等，并且可以设置土体的倾 斜度，例如平坦土体表面或倾斜土体表面进行试验。

优选的，所述的传感器系统包括壳型结构物上的三轴加速度传感 器、应变花、倾角仪，以及土体中的加速度传感器、弯曲元；三轴加 速度传感器布置于壳型结构物的前部顶端，用于在试验过程中实时连 续不断的采集试验过程中壳型结构物的运动三个方向运动加速度，信 号通过无线的方式传输到数据采集和控制系统，加速度信号通过积分 可以获得速度以及位移信号。壳型结构物在与底部土体碰撞的过程中 结构应变局部应变会发生变化，因此沿壳型结构物的轴向轴对称布置 4个应变花，每个应变花由三个应变片呈扇形排列，两相邻应变片间 呈45°夹角。倾角仪可以测量在试验过程中壳型结构物倾角的变化， 可以大致确定碰撞位置。弯曲元布置在水槽内部的土体中，用于在壳 型结构物碰撞时获得土体刚度的变化。土中的加速度传感器用于获得 壳型结构物碰撞到土体时土体所产生的加速度。其中传感器的数据传 输线通过水槽上部顶板的数据传输口连接至数据采集及处理装置。

优选的，在钢箱正面的观察窗前布置高速摄像机用于在实验过程 中拍摄壳型结构物的运行轨迹，高速摄像机摄影频率一般高达每秒 1000～10000帧的记录速度，可以清楚地描绘整个实验过程。

本装置设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环 境的要求，并且高压水泵装置通过注水管实现在钢箱水槽中创造约 40Mpa的深海环境，采用压力计和流量计对高压水泵进行监测，同时 为了能够清楚地拍摄到实验过程中壳型结构物的运行将水槽的正面， 上面及右面的观察窗口采用高强度玻璃板。控制壳型结构物的发射装 置由十字万向联轴器、发射装置、轻质高强度的玻璃纤维绳及壳型结 构物组成，保证壳型结构物能够以竖直和水平的任何方向以及指定入 射速度碰撞钢箱底部土体。高速摄像机以很高的频率连续拍照记录整 个实验过程中壳型结构物运轨迹。传感器系统用于检测装置中的待测 数据，并采用无线传输的方式传输至数据采集及控制系统中，数据采 集及控制系统用于处理分析数据。

本发明具有以下特点：

1.本发明可以准确地通过高压水泵模拟还原深海高压环境，模拟深 海中壳型结构物与海床的动力碰撞的问题，并且注重密封性的保 持。

2.本发明可以通过轻质高强度玻璃纤维绳牵拉壳型结构物复位进行 多次试验，采用十字万向联轴器调整壳型结构物射出时的角度方 向，同时可以改变钢箱底部土体的类型，例如岩石、砂土、黏土 来研究不同海床条件下壳型结构物碰撞的情况。

3.本发明中采用加速度传感器和应变片采集实验过程中壳型结构物 的运动数据进行分析，并且用高速摄像机记录整个试验过程。

附图说明

图1为本发明装置的一种具体结构主视图；

图2为图1装置右视图；

图3为装置1-1截面俯视图；

图4为装置发射碰撞图；

图5为发射装置细部图；

其中，1.土体、2.钢箱水槽、3.观察窗、4.十字万向联轴器、5.玻璃 纤维绳、6.应变花、7.弹射器、8.壳型结构物、9.无线式三轴加速度 传感器、10.高速摄像机、11.高强度螺栓、12.高压水泵装置、13. 注水管、14.水槽顶盖、15.水槽固定法兰、16.压力计、17.流量计、 18.弯曲元、19.加速度传感器、20.倾角仪、21.数据传输口。

具体实施方式

本发明的一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验 装置，设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环境的 要求，并通过高压水泵装置叠加创造深海高压环境，在十字万向联轴 器的控制下发射装置可以竖直及水平向旋转调整发射方向，将胶囊型 深海壳型结构物发射至土体表面发生碰撞，并且采用高速摄像机拍摄 整个实验过程和应变和加速度传感器采集实验数据。本发明模拟了深 海壳型结构物不同入射角度时与海底土体表面碰撞时的运行速度、加 速度和运行轨迹情况，并且获得碰撞时壳型结构物的应变变化，以及 碰撞后土体发生的刚度变化。本发明中壳型结构物可采用钛合金材质 椭形壳体，以模拟深潜器。

具体的，如图1～5所示，一种具体的实施方案如下：

本装置设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环 境的要求，并且高压水泵装置12通过注水管13实现在钢箱水槽2中 创造约40Mpa的深海环境，采用压力计16和流量计17对高压水泵装 置12进行监测，同时为了能够清楚地拍摄到实验过程中壳型结构物 的运行将水槽的正面，上面及右面均设观察窗口3，采用高强度玻璃 板。控制壳型结构物的发射装置包括十字万向联轴器4、弹射器7、 轻质高强度玻璃纤维绳5及钛合金壳型结构物8，保证钛合金壳型结 构物8能够以竖直和水平的任何方向以及指定入射速度碰撞钢箱底 部土体1。高速摄像机10以很高的频率连续拍照记录整个实验过程 中壳型结构物运轨迹。传感器系统用于检测装置中的待测数据，并采 用无线传输的方式传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系 统用于处理分析数据。

所述的，整个实验水箱用于模拟深海高压环境因此对于水箱的密 闭性要求极高，采用钢构成水箱的钢箱水槽2骨架，同时为了便于观 察实验中壳型结构物的运行，将水槽的正面，上面及右面的观察窗口 3采用高强度玻璃板。此外，由高强度螺栓11将水槽顶盖14和水槽 固定法兰盘15紧密的压紧，保证机构能够承受实验过程中产生的高 压，需采用泡沫胶等进行封闭以免造成实验误差，影响试验准确性。

为使钛合金的胶囊型壳型结构物8能够以竖直和水平的任何方 向以及指定入射速度碰撞钢箱底部土体1，控制壳型结构物的发射装 置由十字万向联轴器4、发射装置7、轻质高强度玻璃纤维绳5及钛 合金壳型结构物8组成。十字万向联轴器4能够在竖直和水平方向自 由旋转，发射装置7可以将钛合金壳型结构物8以一定初速度发射至 土体表面。为了便于重复试验，避免多次打开钢箱口11进行操作， 采用轻质高强度玻璃纤维绳5将壳型结构物的尾部和发射装置连接 在一起，可以在一次发射结束后收紧轻质高强度玻璃纤维绳5重新准 备下次试验。

为更详细的区分壳型结构物8在不同环境下的碰撞情形，钢箱底 部土体1可以选用砂土、岩石、黏土等，并且可以设置土体的倾斜度， 例如平坦土体表面或倾斜土体表面进行试验。

所述的，传感器系统包括壳型结构物上的三轴加速度传感器9、 应变花6、倾角仪20，以及土体中的加速度传感器19、弯曲元18； 三轴加速度传感器9布置于壳型结构物8的前部顶端，用于在试验过 程中实时连续不断的采集试验过程中壳型结构物的运动三个方向运 动加速度，信号通过无线的方式传输到数据采集和控制系统，加速度 信号通过积分可以获得速度以及位移信号。壳型结构物8在与底部土 体碰撞的过程中结构应变局部应变会发生变化，因此沿壳型结构物的 轴向轴对称布置4个应变花，每个应变花中三个应变片依次呈45度 角扇形排列。倾角仪20可以测量在试验过程中壳型结构物倾角的变 化，可以大致确定碰撞位置。弯曲元18布置在水槽内部的土体中， 用于在壳型结构物碰撞时获得土体刚度的变化。土中的加速度传感器 19用于获得壳型结构物碰撞到土体时土体所产生的加速度。其中传 感器的数据传输线通过水槽上部顶板的数据传输口21连接至数据采 集及处理装置。

在钢箱正面的观察窗前布置高速摄像机10用于在实验过程中拍 摄壳型结构物的运行轨迹，高速摄像机摄影频率一般高达每秒1000～ 10000帧的记录速度，可以清楚地描绘整个实验过程。

下面以在砂土中进行碰撞试验为例，简述采用本发明上述实施例 装置的一种具体试验过程：

1.将试验用砂土铺设在钢箱底部，根据实验要求改变土体表面 的平坦度或砂石含量。

2.安装试验部件，发射装置和十字万向联轴器安装在钢箱左侧 面的钢板内部并调良好。

3.布置传感器。将三轴加速度传感器安装在钛合金壳型结构物 的前方顶部，并将应变花用防水胶对称粘结在壳型结构物的 外侧，确定传感器的性能可用。并在土中埋设加速度传感器 和弯曲元等，将数据传输线通过数据传输口引出水箱。

4.采用高强度螺栓将水槽顶板和水槽固定法兰连接，确保整个 试验设备密闭不透气不透水。

5.打开高压水泵注水加压，并同时使用离心机进行试验，达到 试验要求后进行多次试验。并用数据采集装置收集实验数据

6.试验完成，减压排水，打开钢箱口回收试验装置。

Claims (7)

1.一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：包括密闭的钢箱水槽、发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系统、数据采集及控制系统；钢箱水槽(2)置于土工离心机中，高压水泵装置(12)通过注水管(13)通入钢箱水槽(2)中，注水管(13)上安装有压力计(16)和流量计(17)，在钢箱水槽内铺设土体，发射装置包括十字万向联轴器(4)、弹射器(7)、玻璃纤维绳(5)及壳型结构物(8)，弹射器(7)通过十字万向联轴器(4)安装于钢箱水槽内壁，壳型结构物(8)装于弹射器(7)上，且壳型结构物的尾部和弹射器通过玻璃纤维绳(5)连接在一起，在钢箱水槽上设有观察窗口(3)，高速摄像机(10)通过观察窗口拍照记录实验过程中壳型结构物运动轨迹，传感器系统用于检测装置中的待测数据，并采用无线传输的方式传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。

2.根据权利要求1所述的用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：所述的钢箱水槽开口处设置水槽固定法兰盘(15)，水槽顶盖(14)通过高强度螺栓(11)和水槽固定法兰盘(15)紧密压紧。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：所述的钢箱水槽底部土体(1)可选用砂土、岩石、黏土等，并且可以设置土体的倾斜度进行试验。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：所述的传感器系统包括设置于壳型结构物上的三轴加速度传感器(9)、应变花(6)、倾角仪(20)，以及设置于土体中的加速度传感器(19)、弯曲元(18)。

5.根据权利要求4所述的一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：所述的三轴加速度传感器(9)安装于壳型结构物顶部前端，用于在试验过程中实时采集壳型结构物的三轴运动加速度。

6.根据权利要求4所述的一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：在壳型结构物上对称布置4个应变花，每个应变花由三个应变片呈扇形排布构成，相邻两应变片夹角45度。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：所述的高速摄像机的摄影频率为每秒1000～10000帧。