CN110174206B - 一种实验用三维总力测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实验用三维总力测量装置及测量方法，括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物，所述固定架设置在水面下方；所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况，所述六分力传感器设置在水面上方；所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。本发明所述的实验用三维总力测量装置及测量方法采用水上测量的方法，可大大增加六分力传感器的使用寿命；可适用于实验室内不同几何尺寸的受测结构；装置整体外形简洁美观，强度高，安装和拆卸方便，造价低廉且方便维护修理。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程三维总力测量技术领域，尤其是涉及一种海工实验用三维总力测量装置及测量方法。
背景技术
涉及国外一些海洋工程领域工程实例中，新建港口码头和海洋构筑物逐渐向外海水深区域发展，海洋构筑物所处的自然条件与已建工程相比更为复杂，深水、大浪、长周期涌浪等恶劣自然条件对构筑物的设计和施工等环节带来了严峻的考验。
为了抵御外海来浪对近岸港口的影响，常在离岸深水海域建造直立式海洋构筑物，如重力式直立堤依靠结构本身的重量来抵抗波浪的冲击，维持结构本身的稳定性。结构受力（如受到波浪、水流和风等外部荷载）是海洋构筑物设计中重要的环节，关系到构筑物本身安全性和可靠性，也直接影响港口码头的运营效果。在海洋工程技术领域，常用物理模型实验对工程设计进行测量，实验采用一定的相似准则对海洋构筑物及所在海域的外界条件进行模拟，研究波浪分布、越浪及结构受力等。对于构筑物受力，主要有单点波压力测量合成积分和总力测量两种方法。前者主要应用于二维水槽实验中，且测量对象本身常为规则连续结构，可测量构筑物单位长度上的正向受力及力矩情况；后者主要应用于三维港池实验中，可更为真实的测量不同方向的来浪作用下，构筑物三维空间上的力及力矩信息。
目前，三维总力测量装置常采用拉压力传感器安装在结构底部的方法来进行，该方法在多次长时间实验后，常出现传感器闭水层腐蚀导致传感器损坏的情况；测量仪器直接安放在受测物上，由于仪器本身的刚度不够，从而导致仪器和受测物之间连接的刚度不够，影响测量结果的准确性；此外，一些测量仪器也存在量程精度低，与实验室测力对象无法安装匹配等问题，大多需要进行二次安装适配。针对上述问题，结合海洋工程实验室内港池实验的现有实际情况，自主研发了一种实验室港池内海洋构筑物所受波浪力的三维总力测量装置。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种实验用三维总力测量装置及测量方法，以解决现有的三维总力测量仪器刚度不够，测量装置容易损坏，测量结果不准确的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种实验用三维总力测量装置，包括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物，所述固定架设置在水面下方；
所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况，所述六分力传感器设置在水面上方；
所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。
进一步的，所述支撑架包括四根支撑腿、以及设置在支撑腿顶部的矩形方钢框架；
所述支撑腿为圆柱型钢管，所述矩形方钢框架为方钢焊接形成的结构件；
所述支撑腿与矩形方钢框架焊接固定；
所述吊装结构的顶部与矩形方钢框架固定连接。
进一步的，所述支撑腿的底部设有调平组件，所述调平组件包括法兰盘、螺纹套筒、调平螺母，所述法兰盘设置在支撑腿的底部，所述螺纹套筒焊接固定在法兰盘上表面的中心位置，所述螺纹套筒的外侧设有外螺纹，所述支撑腿底部内侧设有内螺纹，所述螺纹套筒与支撑腿螺纹连接，所述调平螺母固定安装在螺纹套筒外侧，通过转动调平螺母实现法兰盘的升降。
进一步的，所述支撑腿焊接固定在矩形方钢框架的四角处，所述支撑腿与相邻的方钢之间还设有倾斜支撑杆。
进一步的，所述吊装结构包括上层钢板和下层钢板、吊杆，所述下层钢板固定安装在矩形方钢框架中间位置的上表面；
所述上层钢板设在下层钢板的上方，所述六分力传感器设置在上层钢板和下层钢板之间；
所述吊杆的顶部与上层钢板的中间位置固定连接；
所述吊杆的底部与固定架固定连接；
所述下层钢板上开有圆孔，所述吊杆设置在圆孔内。
进一步的，所述上层钢板为正方形钢板，所述六分力传感器包括四个三维力传感器，分别设置在上层钢板上的四角处，四个三维力传感器到上层钢板的中点的距离都相同。
进一步的，所述固定架包括固定钢板、角钢、方管，所述固定钢板的顶部中心位置与吊杆的底部焊接固定，所述固定钢板为正方形钢板，所述角钢为两根，两根角钢平行焊接在固定钢板的下表面两侧，两根角钢的凹槽都朝向外侧，一条边与固定钢板固定连接，所述方管为四根，每根角钢的两端各焊接固定一根方管，所述方管竖向设置，所述方管设置在两根角钢相邻的一侧；
所述方钢到固定钢板的距离相同，所述角钢两端到固定钢板的距离也都相同。
一种三维总力测量方法通过数据采集仪采集四个三维力传感器检测到的数据信息，并上传至计算机，计算机根据六分力三维坐标模型、以及计算公式计算出三维总力；
其中六分力三维坐标模型是以四个三维力传感器所在的面为水平面，四个三维力传感器交叉连线的中点为原点建立的三维坐标系，每个三维力传感器检测到的X轴上的力水平横向力，Y轴上的力为水平纵向力，Z轴上的为垂直力，根据每个三维力传感器检测到的不同轴上的力带入计算公式得出三维总力。
进一步的，计算公式如下：
FZ＝ Z1+ Z2+ Z3+ Z4；
FX ＝ X1+X2+ X3+ X4；
FY ＝ Y1+Y2+ Y3+ Y4；
式中， Fz为垂直总力、Fx为水平横向总力、Fy为水平纵向总力。
进一步的，还包括总力矩计算公式，公式如下：
My＝[(Z3+Z4)－(Z1+Z2)]×Ly/2；
Mx＝[(Z2+Z4)－(Z1+Z3)]×Lx/2；
Mz＝[(Y3+Y4)－(Y1+Y2)]×Ly/2-[(X1+X3)－(X2+X4)]×Lx/2；
式中，Mx 为X轴总力矩、My为Y轴总力矩、Mz为Z轴总力矩。
相对于现有技术，本发明所述的实验用三维总力测量装置及测量方法具有以下优势：
本发明所述的实验用三维总力测量装置及测量方法采用水上测量的方法，可大大增加六分力传感器的使用寿命；可适用于实验室内不同几何尺寸的受测结构；装置整体外形简洁美观，强度高，安装和拆卸方便，造价低廉且方便维护修理；根据实验室的实际使用效果，该三维总力测量装置稳定，运行良好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的实验用三维总力测量装置整体结构图；
图2为本发明实施例所述的实验用三维总力测量装置部分结构图；
图3为本发明实施例所述的固定架结构图；
图4为本发明实施例所述的六分力模型原理图；
图5为本发明实施例所述的实测受力统计值结果图；
图6为本发明实施例所述的实测受力过程曲线图。
附图标记说明：
1、矩形方钢框架；2、支撑腿；3、下层钢板；4、三维力传感器；5、上层钢板；6、吊杆；7、固定钢板；8、角钢；9、方管；10、法兰盘；11、调平螺母；12、倾斜支撑杆。
实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种实验用三维总力测量装置，包括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物，使用时，固定架设置在水面下方，检测水流冲击受测物的力；
受测物主要是物理模型试验中的重力式海洋构筑物，如重力式沉箱等。
所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况，在使用时，固定架部分是设置在水面以下的，六分力传感器在支撑腿的支撑下设置在水面上方，有效的提高了使用寿命；
所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。
所述六分力传感器垂直力量程∶600N（误差小于满量程的1％），水平纵向量程∶200N（误差小于满量程的1％），以上六分力传感器量程根据实验室工作环境确定；水平横向力量程∶200N（误差小于满量程的1％）；传感器输出电压为：-10V～10V，工作温度为：-15°C～40°C； 所述数据采集仪的采样频率300Hz以上，采样数据通过USB接口送给计算机，仪器工作电压为：～220V（175～265V），工作温度为：-15°C～40°C。三维力传感器和数据采集仪都可以采用现有设备，这里不再赘述。
所述支撑架包括四根支撑腿2、以及设置在支撑腿2顶部的矩形方钢框架1；所述支撑腿2为圆柱型钢管，所述矩形方钢框架1为方钢焊接形成的结构件；所述支撑腿2与矩形方钢框架1焊接固定；所述吊装结构的顶部与矩形方钢框架1固定连接。支撑腿2采用横截面是外直径60mm的圆形的空心钢管，长度为1000m。 矩形方钢框架1采用四条横截面是外边长为60mm的空心方钢组成，框架外尺寸长度为1600mm，宽度为800mm。
所述支撑腿2的底部设有调平组件，所述调平组件包括法兰盘10、螺纹套筒、调平螺母11，所述法兰盘10设置在支撑腿2的底部，所述螺纹套筒焊接固定在法兰盘10上表面的中心位置，所述螺纹套筒的外侧设有外螺纹，所述支撑腿2底部内侧设有内螺纹，所述螺纹套筒与支撑腿2螺纹连接，所述调平螺母11固定安装在螺纹套筒外侧，通过转动调平螺母11实现法兰盘10的升降。通过旋转调平螺母11改变螺纹套筒与支撑腿2的连接长度，进而调节矩形方钢框架1的水平度，使检测结果更加准确。
所述支撑腿2焊接固定在矩形方钢框架1的四角处，所述支撑腿2与相邻的方钢之间还设有倾斜支撑杆12。倾斜支撑杆12采用外直径20mm的圆形的空心钢管。
如图1，图2所示，所述吊装结构包括上层钢板5和下层钢板3、吊杆6，所述下层钢板3固定安装在矩形方钢框架1中间位置的上表面；
所述上层钢板5设在下层钢板3的上方，所述六分力传感器设置在上层钢板5和下层钢板3之间；所述吊杆6的顶部与上层钢板5的中间位置固定连接；所述吊杆6的底部与固定架固定连接；所述下层钢板3上开有圆孔，所述吊杆6设置在圆孔内。上层钢板5横截面是边长为600mm厚度为10mm的正方形，吊杆6为外直径60mm圆形的空心钢管，下层钢板3横截面是边长为800mm厚度为10mm的正方形。
所述上层钢板5为正方形钢板，所述六分力传感器包括四个三维力传感器4，分别设置在上层钢板5上的四角处，四个三维力传感器4到上层钢板5的中点的距离都相同。
如图1至图3所示，所述固定架包括固定钢板7、角钢8、方管9，所述固定钢板7的顶部中心位置与吊杆6的底部焊接固定，所述固定钢板7为正方形钢板，所述角钢8为两根，两根角钢8平行焊接在固定钢板7的下表面两侧，两根角钢8的凹槽都朝向外侧，一条边与固定钢板7固定连接，所述方管9为四根，每根角钢8的两端各焊接固定一根方管9，所述方管9竖向设置，所述方管9设置在两根角钢8相邻的一侧；
所述方钢到固定钢板7的距离相同，所述角钢8两端到固定钢板7的距离也都相同，受测物固定安装在四根方管9之间，这样可以使受测物固定在吊杆6的正下方，测量结果更加准确。固定架采用横截面是边长为450mm厚度为10mm的正方形钢板，宽度为45mm厚度为5mm的两条角钢8和横截面是外边长为40mm的空心方钢组成。
一种三维总力测量方法通过数据采集仪采集四个三维力传感器检测到的数据信息，并通过传输总线上传至计算机，计算机内部的数据分析处理单元预先创建六分力三维坐标模型，根据六分力三维坐标模型、以及计算公式计算出三维总力；
其中六分力三维坐标模型是以四个三维力传感器所在的面为水平面，四个三维力传感器交叉连线的中点为原点建立的三维坐标系，每个三维力传感器检测到的X轴上的力水平横向力，Y轴上的力为水平纵向力，Z轴上的为垂直力，根据每个三维力传感器检测到的不同轴上的力带入计算公式得出三维总力。
六分力三维模型中，六分力传感器会检测到产生的3个分力和3个弯距，即垂直力、水平纵向力、水平横向力、X轴的力距、Y轴的力矩和Z轴的力矩。六分力使用12片350Ω 应变计，组成3个全桥电路，分别测量垂直力、水平纵向力、水平横向力。由于三维力传感器是点接触受力，不能支撑一个模型，所以要用4个三维力传感器，分别布置在模型的4个角上，组成一个完整的六分力传感器。它一共有12个力，先测出这12个力，然后再计算出所需要的6个分力，这些力的关系和分布如下图4所示。
计算公式如下：
FZ＝ Z1+ Z2+ Z3+ Z4；
FX ＝ X1+X2+ X3+ X4；
FY ＝ Y1+Y2+ Y3+ Y4；
式中， Fz为垂直总力、Fx为水平横向总力、Fy为水平纵向总力。
还包括总力矩计算公式，公式如下：
My＝[(Z3+Z4)－(Z1+Z2)]×Ly/2；
Mx＝[(Z2+Z4)－(Z1+Z3)]×Lx/2；
Mz＝[(Y3+Y4)－(Y1+Y2)]×Ly/2-[(X1+X3)－(X2+X4)]×Lx/2；
式中，Mx 为X轴总力矩、My 为Y轴总力矩、Mz为Z轴总力矩，LX为相邻的两个三维力传感器X轴之间的间距，也就是图4中1号和2号三维力传感器之间的间距，LY为相邻的两个三维力传感器Y轴之间的间距，也就是图4中2号和3号三维力传感器之间的间距，1号三维力传感器的垂直力、水平横向力、水平纵向力分别以Z1、X1、Y1表示，其他的三维力传感器依次类推。本测量装置运行稳定，测量精度高，实测受力统计值结果如图5所示，实测受力过程曲线如图6所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种实验用三维总力测量装置，其特征在于：包括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物；
所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况；
所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机；
所述支撑架包括四根支撑腿(2)、以及设置在支撑腿(2)顶部的矩形方钢框架(1)；
所述支撑腿(2)为圆柱型钢管，所述矩形方钢框架(1)为方钢焊接形成的结构件；
所述支撑腿(2)与矩形方钢框架(1)焊接固定；
所述吊装结构的顶部与矩形方钢框架(1)固定连接；
所述吊装结构包括上层钢板(5)和下层钢板(3)、吊杆(6)，所述下层钢板(3)固定安装在矩形方钢框架(1)中间位置的上表面；
所述上层钢板(5)设在下层钢板(3)的上方，所述六分力传感器设置在上层钢板(5)和下层钢板(3)之间；
所述吊杆(6)的顶部与上层钢板(5)的中间位置固定连接；
所述吊杆(6)的底部与固定架固定连接；
所述下层钢板(3)上开有圆孔，所述吊杆(6)设置在圆孔内；
所述支撑腿(2)焊接固定在矩形方钢框架(1)的四角处，所述支撑腿(2)与相邻的方钢之间还设有倾斜支撑杆(12)。
2.根据权利要求1所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述支撑腿(2)的底部设有调平组件，所述调平组件包括法兰盘(10)、螺纹套筒、调平螺母(11)，所述法兰盘(10)设置在支撑腿(2)的底部，所述螺纹套筒焊接固定在法兰盘(10)上表面的中心位置，所述螺纹套筒的外侧设有外螺纹，所述支撑腿(2)底部内侧设有内螺纹，所述螺纹套筒与支撑腿(2)螺纹连接，所述调平螺母(11)固定安装在螺纹套筒外侧，通过转动调平螺母(11)实现法兰盘(10)的升降。
3.根据权利要求1所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述上层钢板(5)为正方形钢板，所述六分力传感器包括四个三维力传感器(4)，分别设置在上层钢板(5)上的四角处，四个三维力传感器(4)到上层钢板(5)的中点的距离都相同。
4.根据权利要求1所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述固定架包括固定钢板(7)、角钢(8)、方管(9)，所述固定钢板(7)的顶部中心位置与吊杆(6)的底部焊接固定，所述固定钢板(7)为正方形钢板，所述角钢(8)为两根，两根角钢(8)平行焊接在固定钢板(7)的下表面两侧，两根角钢(8)的凹槽都朝向外侧，一条边与固定钢板(7)固定连接，所述方管(9)为四根，每根角钢(8)的两端各焊接固定一根方管(9)，所述方管(9)竖向设置，所述方管(9)设置在两根角钢(8)相邻的一侧；
所述方钢到固定钢板(7)的距离相同，所述角钢(8)两端到固定钢板(7)的距离也都相同。
5.一种应用于权利要求1所述三维总力测量装置的测量方法，其特征在于：通过数据采集仪采集六分力传感器检测到的数据信息，并通过传输总线上传至计算机，所述六分力传感器包括四个三维力传感器，计算机根据六分力三维坐标模型、以及计算公式计算出三维总力；
其中六分力三维坐标模型是以四个三维力传感器所在的面为水平面，四个三维力传感器交叉连线的中点为原点建立的三维坐标系，每个三维力传感器检测到的X轴上的力水平横向力，Y轴上的力为水平纵向力，Z轴上的为垂直力，根据每个三维力传感器检测到的不同轴上的力带入计算公式得出三维总力。
6.根据权利要求5所述的实验用三维总力测量方法，其特征在于：计算公式如下：
FZ＝ Z1 + Z2 + Z3 + Z4；
FX ＝ X1 +X2 + X3 + X4；
FY ＝ Y1 +Y2+ Y3 + Y4；
式中， Fz为垂直总力、Fx为水平横向总力、Fy为水平纵向总力。
7.根据权利要求6所述的实验用三维总力测量方法，其特征在于：还包括总力矩计算公式，公式如下：
My＝[(Z3+Z4)－(Z1+Z2)]×Ly/2；
Mx＝[(Z2+Z4)－(Z1+Z3)]×Lx/2；
Mz＝[(Y3+Y4)－(Y1+Y2)]×Ly/2-[(X1+X3)－(X2+X4)]×Lx/2；
式中，Mx 为X轴总力矩、My 为Y轴总力矩、Mz为Z轴总力矩。
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