CN110715786B - 一种水中悬浮管体水下撞击试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中悬浮管体水下撞击试验装置及试验方法，试验装置包括水中悬浮管体模型以及位于管体模型一侧的支架，支架上安装有撞击物；管体模型包括第一结构件和第三结构件，第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，三结构件套设于第一结构件上，用于提供模型的外形；支架上安装有滑道和驱动装置，撞击物可沿着滑道滑动，驱动装置与撞击物相连接，用于控制撞击物的撞击速度；还包括有测量装置，测量装置能够对撞击时间、撞击力、应变、管体位移姿态、加速度进行测量；试验方法包括：安装水中悬浮管体模型；安装支架，布置滑道、撞击物和驱动装置；布置各种测量装置；注水至试验水深；驱动撞击物以指定速度撞击管体模型；采集测量装置的测量值。

Description

一种水中悬浮管体水下撞击试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及水中悬浮管体物理模型试验技术领域，特别涉及一种水中悬浮管体水下撞击试验装置及试验方法。

背景技术

水中悬浮管体(如水中悬浮隧道)作为一种新型的穿越水域的交通形式，通过结构的自重、浮力和锚固系统的共同作用，维持在水中的平衡和稳定。由于水中悬浮管体安装在一定水深处，在运营期间可能会受到潜艇、海洋生物等撞击，进而产生悬浮管体局部结构失效的风险。因此，需要对水中悬浮管体进行水下撞击试验，以研究水中悬浮管体受到撞击时的响应规律，为工程建设防撞设计提供参考。

现有的撞击试验，大多仅局限于数值模拟，即使进行物理模型试验，也大多是将整个水中悬浮管体考虑为刚体结构，未考虑水中悬浮管体的弹性以及在不同位置处的扰度变形，不能真实反映水中悬浮管体受到撞击时的响应规律；同时，现有的撞击试验，大多不能实现对撞击力、撞击时间的精确输入，无法精确记录和控制试验参数。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种水中悬浮管体水下撞击试验装置及试验方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，包括水中悬浮管体模型以及位于所述管体模型一侧的支架，所述支架上安装有撞击物；所述管体模型包括第一结构件和第三结构件，所述第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，所述第三结构件套设于所述第一结构件上，所述第三结构件用于提供模型的外形；所述支架上安装有滑道和驱动装置，所述撞击物可沿着所述滑道滑动，所述驱动装置与所述撞击物相连接，用于控制所述撞击物的撞击速度；还包括有测量装置，所述测量装置能够对撞击时间、撞击力、应变、管体位移姿态和加速度参数进行测量。

本发明所述的水中悬浮管体水下撞击试验装置，在管体模型的制作上，同时考虑了几何相似、质量相似和刚度相似，更加符合水中悬浮管体的实际情况，从而有助于得到更加准确的试验结果，且通过不同的结构件来满足不同的相似准则，既能够降低对模型材料的要求，又便于对模型的各种相似性进行分别调节，从而有助于降低设计难度；通过驱动装置对撞击物的撞击速度进行控制，实现了定能量撞击；通过滑道对撞击物的撞击过程进行控制，实现了撞击过程的可重复性；通过测量装置对各种试验参数进行测量，实现了试验参数的精确记录和控制，能真实反映水中悬浮管体受到撞击时的响应规律。所述水中悬浮管体包括悬浮隧道。

第一结构件用于提供水中悬浮管体模型的刚度，即：第一结构件的刚度与管体模型整体刚度之比达到了预设的范围，使得可以认为管体模型整体刚度基本由第一结构件提供。具体的，可以使第一结构件的刚度与管体模型整体的刚度之比不低于95％。

第三结构件用于提供水中悬浮管体模型的外形，即：水中悬浮管体模型的最大尺寸由第三结构件决定；或，在实验时，会对水中悬浮管体的变形产生影响的模型受水流载荷部分的最大尺寸由第三结构件决定。

优选的，所述第一结构件被构造为圆柱或圆管结构。优选的，所述第一结构件包括接头和至少两个管段，所述至少两个管段通过所述接头相连；所述接头的抗拉强度与所述管段的抗拉强度之差与所述管段的抗拉强度的比值小于或等于5％，或所述接头的抗弯刚度与所述管段的抗弯刚度之差与所述管段的抗弯刚度的比值小于或等于5％；两个所述管段通过所述接头连接在一起时，相邻两个所述管段的端面之间存在缝隙；所述第三结构件被构造为空心的圆柱筒结构，所述第三结构件的内表面与所述第一结构件的外表面适配。

水中悬浮管体的原型往往较长，因此为了更加准确地模拟原型，需要较长的模型。而长管的加工成本非常高，通过上述的管段与接头相连的方案，可以通过相对较短的管段拼接形成满足实验需求的长管，从而有助于降低实验成本。通过上述方案，两个管段通过接头连接在一起时，在管段与接头的螺纹配合段，管体模型的抗弯刚度将会被加强。但在实验时，往往更加关注相对薄弱部分，因此在相邻两个管段之间设置缝隙，在该缝隙处，第一结构件上只有接头用于提供抗弯刚度或抗拉强度，从而可以通过对接头进行等刚度或等强度设计，使接头连接处的抗拉强度或抗弯刚度也能够较好地模拟原型。所述第三结构件可采用发泡塑料制作而成，第三结构件采用材料的吸水率小于或等于3％，避免在水下实验时吸水过多影响管体模型的质量。

优选的，所述接头一端设有用于与一个管段相连的正旋螺纹，接头另一端设有用于与另一个管段相连的反旋螺纹；第一结构件还包括锁固件；所述锁固件包括至少两个防松螺母，其中一个防松螺母与其中一个所述管段相连，并与所述接头的一端的端面接触；另一个防松螺母与另一个所述管段相连，并与所述接头另一端的端面接触。通过上述的结构，在组装接头与管段时，将一个管段置于接头一端，另一个管段置于接头的另一端，向一个方向旋转接头，即可以同时连接两端的管段，便于操作。利用接头两端不同的螺纹旋向，设置两个螺母进行防松，能够有效避免接头松动的情况发生。具体的，第一结构件的材料可采用304不锈钢。

优选的，所述管体模型还包括拉力环，所述拉力环套设于所述第三结构件外侧，所述拉力环上设有系缆耳。在水中悬浮管体的实验研究中，需要通过锚索将水中悬浮管体锚固于水池底部或水面的浮筒上，若第三结构件采用密度较轻的材料构成，则第三结构件可能无法直接承受较大的锚固力，因此，本申请中设置拉力环，在拉力环上设置系缆耳，通过拉力环承受拉力，避免损坏第三结构件。

优选的，所述传力柱一端与所述第一结构件外表面接触，所述传力柱另一端与所述拉力环内表面接触。第三结构件包覆于第一结构件外侧，第三结构件又选用刚度较低的材料，外力难以充分施加给第一结构件，因此，在模型上设置传力柱，实验时，撞击或敲击力通过传力柱作用到第一结构件上。传力柱与第一结构件和拉力环仅仅保持接触而不连接，既能够保证外力的传递，又能够避免传力柱影响第一结构件和模型整体的抗弯刚度。

优选的，所述管体模型还包括第二结构件，所述第二结构件与所述第三结构件相连，所述第二结构件包括多个配重块。所述第二结构件用于调节所述管体模型的重力，从而满足质量相似。

优选的，所述第三结构件上形成与第二结构件适配的凹槽，所述第二结构件置于所述凹槽中。通过在第三结构件上设置凹槽，既可以为第二结构件的安装留出空间，又能够避免第二结构件的设置影响管体模型的整体外形尺寸。

优选的，所述配重块被构造为环状结构，所述第三结构件包括大直径环和小直径环，所述大直径环和所述小直径环在所述管体模型的轴向方向上分布，在所述小直径环处形成凹槽；所述小直径环的外径与所述配重块的内径适配，所述大直径环的外径与所述配重块的外径适配。通过上述的方案，安装时，各个配重块与小直径环适配，且配重环的内径与大直径环的内径相等，使得安装完成后的管体模型整体的外形呈现出圆柱形，从而较好地模拟原型。

优选的，所述配重块被构造为块状结构，在所述管体模型的圆周方向上，所述配重块均匀分布。

优选的，所述测量装置包括在所述第一结构件上设有的若干个应变片、加速度传感器和轴力测量装置。通过应变片测量管体模型的内部动态应变值，通过加速度传感器测量管体模型的加速度值，通过轴力测量装置测量管体轴力。

优选的，所述测量装置包括在所述撞击物前端安装有的冲击传感器，所述冲击传感器用于测量撞击时间，以及撞击力随时间的变化，即测量每个撞击时间点对应的撞击力大小值。

优选的，所述管体模型利用缆绳固定在水池中，所述测量装置包括在所述缆绳上安装有的拉力计，所述拉力计对缆绳的缆力进行测量。

优选的，所述测量装置包括在所述管体模型上伸出的若干个能够露出水面的测量支架，所述测量支架与所述管体模型固定连接，所述测量支架上设有若干个测量点，以及用于对所述测量点进行实时拍摄的摄像机。通过分析不同测量点在不同时刻的位置，分析所述管体模型的位移姿态，可计算出平动位移、转动位移、平动加速度和转动加速度。

优选的，所述撞击物与海洋生物或潜艇质量相似，且几何相似，使得模拟的撞击过程尽量和实际撞击过程相似，提高试验精度。在满足质量相似，且几何相似的基础上，可尽量实现撞击物和被模拟物(海洋生物或潜艇质量)刚度相似。

优选的，所述撞击物上可拆卸地设有滑块，所述滑块与所述滑道相适配。可通过滑块更换不同质量、形状的撞击物，便于对试验工况进行修改。

优选的，所述撞击物和驱动装置之间连接有拉绳，所述拉绳用于牵引撞击物，通过驱动装置正转和反转，来控制撞击物的前进和后退，并使得撞击结束后，所述撞击物能回到初始位置。

优选的，所述驱动装置位于所述撞击物的上方，所述拉绳穿过若干个定滑轮。为了避免水体对驱动装置可能造成的损坏，本发明将驱动装置设置于水面之上，而撞击物位于水面以下，通过定滑轮来实现牵引方向的变换。

优选的，所述滑道的高度可调，从而可在不同高度对管体模型进行撞击。优选的，所述滑道的倾斜角度可调，从而可实现不同角度的撞击试验。优选的，所述支架为可移动支架，方便移动支架，从而可对管体模型的不同位置进行撞击。优选的，所述驱动装置为电机，也可以是液压驱动装置。

本发明还公开了一种水中悬浮管体水下撞击试验方法，采用任一所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：制作水中悬浮管体模型，使得所述管体模型与水中悬浮管体原型几何相似、质量相似和刚度相似；

步骤二：安装水中悬浮管体模型，并布置若干个临时支架支撑所述管体模型，调整所述管体模型的轴线；

步骤三：在所述管体模型的一侧安装支架，布置滑道、撞击物和驱动装置；

步骤四：在水池中布置各种测量装置，并进行调试；

步骤五：注水至试验水深，撤去临时支架；

步骤六：利用驱动装置驱动撞击物以指定速度沿着滑道滑动，并撞击所述管体模型；

步骤七：采集撞击过程中各个测量装置的测量值，并进行分析。

本发明所述的水中悬浮管体水下撞击试验方法，试验精度高，试验参数可控，且可实现重复试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述的水中悬浮管体水下撞击试验装置，在管体模型的制作上，同时考虑了几何相似、质量相似和刚度相似，更加符合水中悬浮管体的实际情况，从而有助于得到更加准确的试验结果；通过驱动装置对撞击物的撞击速度进行控制，实现了定能量撞击；通过滑道对撞击物的撞击过程进行控制，实现了撞击过程的可重复性；通过测量装置对各种试验参数进行测量，实现了试验参数的精确记录和控制，能真实反映水中悬浮管体受到撞击时的响应规律。

本发明所述的水中悬浮管体水下撞击试验方法，试验精度高，试验参数可控，且可实现重复试验。

附图说明：

图1是本发明实施例1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置的结构示意图。

图2是本发明实施例1所述的支架的三维示意图。

图3是本发明实施例1所述的支架的正视图。

图4是本发明实施例1所述的管体模型在去掉防水层之后的结构示意图。

图5是沿图4中A-A截面的剖视图。

图6是沿图4中B-B截面的剖视图。

图7是沿图5中C-C截面的剖视图。

图8是接头与管段连接处的结构示意图。

图9是接头和防松螺母的剖视图。

图10是本发明实施例1所述的管体模型在包覆防水层之后的结构示意图。

图11是本发明实施例1所述的管体模型被沿轴线方向的平面剖开后的剖视图。

图12是图11中D部的局部放大图。

图13是本发明实施例1所述的管体位移姿态测量装置的结构示意图。

图14是本发明实施例2所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置的结构示意图。

图15是本发明实施例2所述的支架的三维示意图。

图16是本发明实施例2所述的支架的正视图。

图17是本发明实施例2所述的管体模型在去掉防水层之后的结构示意图。

图18是沿图17中E-E截面的剖视图。

图19是本发明实施例2所述的管体模型被沿轴线方向的平面剖开后的剖视图。

图中标记：1-第一结构件，11-管段，12-接头，13-防松螺母，2-第二结构件，21-配重块，3-第三结构件，31-大直径环，32-小直径环，4-拉力环，41-系缆耳，5-传力柱，6-应变片，7-防水层，8-支架，9-驱动装置，10-滑道，14-拉绳，15-撞击物，16-连接件，17-球铰，18-定滑轮，19-安装台，20-竖杆，22-缆绳，23-支撑杆，24-测量支架，25-测量点，26-摄像机。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，包括水中悬浮管体模型，位于所述管体模型一侧的支架8，所述支架上安装有撞击物15，以及测量装置，所述测量装置用于对撞击时间、撞击力、应变、管体位移姿态、加速度进行测量。

如图4-图12所示，所述管体模型与水中悬浮管体原型几何相似、质量相似和刚度相似。质量相似是指模型的质量分布与原型的质量分布之比符合相似准则，所述刚度相似指模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度之比满足弹性力相似准则。具体的，所述管体模型包括第一结构件1、第二结构件2、第三结构件3、传力柱5、拉力环4、应变测量装置和防水层7。

第一结构件1用于提供管体模型的刚度，使管体模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度相似。第一结构件1包括接头12、锁固件和至少两个管段11，至少两个管段11通过接头12相连。在本实施例中，管段11为实心圆柱结构。具体的，管段11一端设有正旋螺纹，管段11另一端设有反旋螺纹。接头12一端设有正旋螺纹，接头12另一端设有反旋螺纹。接头12的抗弯刚度与管段11的抗弯刚度相等。在管段11通过接头12连接在一起时，相邻两根管段11之间存在缝隙。本实施例中，该缝隙的宽度为1mm。在本发明的其他实施方式中，本领域技术人员也可以根据实际情况对缝隙的宽度进行合理的选择。锁固件包括两个防松螺母13，其中一个与接头12一端的端面接触，并与该端的管段11相连；另一个置于与接头12另一端的端面接触，并与该端的管段11相连。由上述结构设置可知，两个防松螺母13的螺纹旋向是相反的，在防松螺母13与接头12抵接时，能够起到对接头12的紧固作用。

考虑到加工的误差等因素，本实施例中所提到的接头12的抗弯刚度与管段11的抗弯刚度相等，并不是指绝对的相等，而是允许有一定的偏差。具体的，接头12的抗弯刚度的取值范围为：大于或等于管段11抗弯刚度的0.95倍，小于或等于管段11刚度的1.05倍。本实施例中，第一结构件1采用304不锈钢制成。基于304不锈钢材料的弹性模量和原型的设计抗弯刚度，能够计算得到在抗弯刚度相似的条件下，第一结构件1应有的截面惯性矩，从而得出第一结构件1的管段11的直径。

第二结构件2用于提供管体模型的质量，使管体模型与原型质量相似。具体的，本实施例中，第二结构件2包括多个配重块21。在本实施例中，配重块21被构造为环状结构。第三结构件3用于提供模型的外形，使管体模型与原型几何相似。在本实施例中，由于第一结构件1选用材料为304不锈钢，在第一结构件1的抗弯刚度与原型的抗弯刚度相似的前提下，第一结构件1的直径远远达不到几何相似的要求，故本实施例中，设置第三结构件3用于满足模型与原型的几何相似。第三结构件3套设于第一结构件1的外侧。

由于第一结构件1上具有接头12结构，即：第一结构件1在接头12处的直径存在不均匀性，因此第三结构件3需要具有易于加工成型的特点，以适应接头12处的形状；又为了避免第三结构件3的设置对模型整体的抗弯刚度产生明显影响，第三结构件3的抗弯刚度需要小于或等于第一结构件1的抗弯刚度的5％；再考虑到实验条件为水下，需要避免第三结构件3的材料吸水过多对模型整体的重量产生影响。综上所述，在本实施例中，第三结构件3的材料选择为吸水率不高于3％的发泡塑料。

进一步的，为了满足第二结构件2的安装要求，第三结构件3这样设置：第三结构件3包括大直径环31和小直径环32。大直径环31的外径与原型的直径之比为缩尺比。小直径环32的外径与配重块21的内径适配，配重块21的外径与原型的直径之比为缩尺比。安装时，小直径环32与配重块21拼接形成一个外径与原型直径之比为缩尺比的圆环，且使配重块21在模型的轴向方向上均匀分布。大直径环31和小直径环32的数量可以设置为若干个，以满足实际的装配需要。本实施例中所阐述的使配重块21在模型的轴向方向上均匀分布，是为了使模型的质量分布在模型的轴向方向上基本均匀。实验时，本领域技术人员可以根据实际情况，对配重块21在模型的轴向方向上的分布位置进行适当的调整或设计，而不是必须保持绝对的均匀分布。

在第三结构件3上还设有用于放置传力柱5的容置槽。该容置槽一端贯通至第三结构件3的内表面，另一端贯通至第三结构件3的外表面。传力柱5置于容置槽中。在模型的轴向方向上，拉力环4的位置与传力柱5的位置对应。传力柱5的一端与第一结构件1的表面接触，传力柱5的另一端与拉力环4的内表面接触。需要说明的是，传力柱5与第一结构件1及拉力环4仅仅保持接触，而不相连。具体的，在本实施例中，传力柱5采用304不锈钢材料制成，拉力环4采用304不锈钢材料制成。设置传力柱5，使得外力能够传递给位于中心处的第一结构件1，避免第二结构件2的设置对外力的径向传递产生的不良影响。通过设置拉力环4，主要由拉力环4承受缆绳22的拉力，避免损坏第三结构件3。

为了便于实现拉力环4的连接，在第三结构件3的表面还设有用于连接拉力环4的环形槽。具体的，第三结构件3在环形槽处的外径等于拉力环4的内径，拉力环4的外径与原型的直径之比为缩尺比，使得模型整体的直径是均匀的。即：拉力环4的外径与大直径环31的外径相等，拉力环4的外径与本实施例中的配重块21的外径相等。拉力环4包括至少两个环瓣，至少两个环瓣可拆卸地相连，从而拼接形成拉力环4。拉力环4的外表面设有系缆耳41，系缆耳41用于与缆绳22相连。本实施例中，拉力环4包括两个环瓣，两个环瓣通过螺钉相连。

防水层7包覆于管体模型的表面，从而实现模型整体的防水。具体的，防水层7的材料可选择为具有防水能力的纺织材料，通过粘结的方式包覆于模型的表面。在系缆耳41处，通过将两张防水层7叠加粘接，以使防水层7可以绕过系缆耳41，将系缆耳41暴露于防水层7表面，同时避免水从系缆耳41处渗入模型内部。为了便于实验中对模型的两端施加不同的约束条件，在本实施例中，在第一结构件1的两端还可以添加额外的管段11，便于施加端部约束条件。安装时，所述管体模型利用缆绳22固定在水池中，且在所述缆绳22上安装有的拉力计。

如图2-图3所示，所述支架8为可移动的透水支架，采用若干个圆钢焊接而成。所述支架8包括若干个竖杆20，以及与所述竖杆20相连接的安装台19，所述安装台19用于安装滑道10。在本实施例中，所述安装台19相对于所述竖杆20的倾斜角度和高度可调，具体的，所述安装台19包括四根水平杆，每根水平杆与所述竖杆20可拆卸式连接，比如通过抱箍进行连接，通过调整水平杆在竖杆20上的安装位置，可调节安装台19的高度和倾斜角度，便于调节撞击物的撞击高度和撞击角度。

所述安装架19上安装有滑道10，所述滑道10上安装有撞击物15，所述撞击物15可沿着所述滑道10滑动，为了减少摩擦对撞击速度的影响，所述滑道10应尽量光滑。所述撞击物15上可拆卸地设有滑块，所述滑块与所述滑道10相适配，所述撞击物15与海洋生物或潜艇质量相似，且几何相似，通过所述滑块可方便的更换不同质量、形状的撞击物15。

所述支架8上还设有驱动装置9，以及位于驱动装置9下方的定滑轮18，所述驱动装置9位于水面以上，所述定滑轮18位于水面以下，本实施例中所述驱动装置9为电机。所述撞击物15的一端连接有拉绳14，所述拉绳14穿过所述定滑轮18后，与所述驱动装置9相连接。通过所述拉绳14可以推动所述撞击物15前进，并在撞击结构后，拉动所述撞击物回到初始位置。

所述测量装置包括在所述第一结构件1上设有的若干个应变片6、加速度传感器和轴力测量装置，在所述撞击物15前端安装有的冲击传感器，所述冲击传感器用于测量撞击时间，以及撞击力随时间的变化。多个应变片6在第一结构件1的轴向方向和圆周方向上均匀分布。

所述测量装置还包括管体位移姿态测量装置。如图13所示，管体位移姿态测量装置包括在所述管体模型上伸出的若干个露出水面的测量支架24，所述测量支架24与所述管体模型通过支撑杆13固定连接，所述测量支架24上设有若干个测量点25，以及用于对所述测量点25进行实时拍摄的摄像机26。可采用多种不同形式布置测量支架24和测量点25，具体的结构形式和原理，可参考公开号为CN110108469A的发明专利。

实施例2

如图14所示，本实施例与实施例1的区别，体现在两个方面，一是在管体模型上配重块21的结构有所不同，而是支架8和撞击物15的连接关系有所不同。如图17-图19所示，在本实施例中，配重块21采用块状结构。为了与配重块21的结构适配，第三结构件3不再分为大直径块和小直径块，而是直接在第三结构件3上设置凹槽，凹槽的尺寸与配重块21的尺寸适配。进一步的，凹槽在模型的轴向方向上均匀分布，凹槽在模型的圆周方向上也均匀分布。本实施例中，由于配重块21的结构发生了变化，第三结构件3无需再采用大直径环31和小直径环32拼接的结构，降低了组装模型的难度。

如图15-图16所示，在本实施例中，支架8不再采用竖杆20，而是采用相互铰接的斜杆形式，所述支架8包括两组斜杆，每组斜杆均包括二根斜杆，二根斜杆之间直接通过球铰17相互连接。通过调节两根斜杆之间的夹角，可以调整支架8的高度，从而对撞击高度进行调整。

在本实施例中，提高了安装台20的高度，将所述安装台20设于水面之上，直接与驱动装置9等高，如此可不设置定滑轮18。所述撞击物15通过滑块悬挂在所述滑道10上，并即可沿着所述滑道10滑动。而为了实现水下撞击，在撞击物15上固定有连接件16，所述连接件16可以是钢柱或透水的钢板，所述撞击物15通过连接件16安装在所述滑块上，通过选取合适的连接件16的高度，可以使得所述撞击物15位于水面以下，实现水下撞击。

实施例3

一种水中悬浮管体水下撞击试验方法，包括以下步骤：

步骤一：制作水中悬浮管体模型，使得所述管体模型与水中悬浮管体原型几何相似、质量相似和刚度相似；

本实施例提供的管体模型的组装流程为：通过接头12连接多个管段11，组装形成第一结构件1；在第一结构件1上粘贴应变片6；安装第二结构件2和第三结构件3。具体的，可以根据装配的需要，在轴向上将第二结构件2分隔成多段，依次套设到第一结构件1上。在套设小直径环32的同时，安装对应位置的配重块21；安装传力柱5；安装拉力环4；包覆防水层7。

在确定第一结构件1的材料和尺寸后，需要对第一结构件1进行挠度测试，验证第一结构件1的抗弯刚度是否满足要求，对第一结构件1挠度测试包括：将第一结构件1的一端固定，对另一端施加沿第一结构件1径向的载荷，通过挠度测试仪测量挠度，也可通过加速度测量第一结构件1的自由端上某一点的加速度，则可以得到第一结构件1的抗弯刚度。

在模型组装完成后，需要对管体模型整体进行挠度测试，验证模型整体管道的抗弯刚度是否满足要求，对管体模型整体的挠度测试包括：将管体模型的一端固定，对另一端施加沿管体模型径向的载荷，通过挠度测试仪测量挠度，也可通过加速度测量管体模型的自由端上某一点的加速度，则可以得到管体模型的抗弯刚度。

步骤二：安装水中悬浮管体模型，并布置若干个临时支架支撑所述管体模型，调整所述管体模型的轴线；

步骤三：在所述管体模型的一侧安装支架，布置滑道、撞击物和驱动装置；

步骤四：在水池中布置各种测量装置，并进行调试；

步骤五：注水至试验水深，撤去临时支架；

步骤六：利用驱动装置驱动撞击物以指定速度沿着滑道滑动，并撞击所述管体模型；

步骤七：采集撞击过程中各个测量装置的测量值，并进行分析。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，包括水中悬浮管体模型以及位于所述管体模型一侧的支架，所述支架上安装有撞击物；

所述管体模型包括第一结构件和第三结构件，所述第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，所述第三结构件套设于所述第一结构件上，所述第三结构件用于提供模型的外形；

所述支架上安装有滑道和驱动装置，所述撞击物可沿着所述滑道滑动，所述驱动装置与所述撞击物相连接，用于控制所述撞击物的撞击速度；

还包括有测量装置，所述测量装置能够对撞击时间、撞击力、应变、管体位移姿态和加速度参数进行测量；

所述第一结构件包括接头和至少两个管段，所述至少两个管段通过所述接头相连；

所述接头的抗拉强度与所述管段的抗拉强度之差与所述管段的抗拉强度的比值小于或等于5%，或所述接头的抗弯刚度与所述管段的抗弯刚度之差与所述管段的抗弯刚度的比值小于或等于5%；

两个所述管段通过所述接头连接在一起时，相邻两个所述管段的端面之间存在缝隙；

所述第三结构件被构造为空心的圆柱筒结构，所述第三结构件的内表面与所述第一结构件的外表面适配；

所述第一结构件被构造为圆柱或圆管结构；

还包括第二结构件，所述第二结构件与所述第三结构件相连，所述第二结构件包括多个配重块；

所述测量装置包括在所述第一结构件上设有的若干个应变片、加速度传感器和轴力测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述测量装置包括在所述撞击物前端安装有的冲击传感器，所述冲击传感器用于测量撞击时间，以及测量每个撞击时间点对应的撞击力大小值。

3.根据权利要求1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述管体模型利用缆绳固定在水池中，所述测量装置包括在所述缆绳上安装有的拉力计。

4.根据权利要求1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述测量装置包括在所述管体模型上伸出的若干个能够露出水面的测量支架，所述测量支架与所述管体模型固定连接，所述测量支架上设有若干个测量点，以及用于对所述测量点进行实时拍摄的摄像机。

5.根据权利要求1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述撞击物与海洋生物或潜艇质量相似，且几何相似。

6.根据权利要求1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述撞击物上可拆卸地设有滑块，所述滑块与所述滑道相适配。

7.根据权利要求1所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述撞击物和驱动装置之间连接有拉绳。

8.根据权利要求7所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述驱动装置位于所述撞击物的上方，所述拉绳穿过若干个定滑轮。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置，其特征在于，所述滑道的高度和/或倾斜角度可调；所述支架为可移动支架；所述驱动装置为电机。

10.一种水中悬浮管体水下撞击试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的一种水中悬浮管体水下撞击试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：制作水中悬浮管体模型；

所述管体模型包括第一结构件和第三结构件，所述第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，所述第三结构件套设于所述第一结构件上，所述第三结构件用于提供模型的外形；所述第一结构件包括接头和至少两个管段，所述至少两个管段通过所述接头相连；

所述接头的抗拉强度与所述管段的抗拉强度之差与所述管段的抗拉强度的比值小于或等于5%，或所述接头的抗弯刚度与所述管段的抗弯刚度之差与所述管段的抗弯刚度的比值小于或等于5%；

两个所述管段通过所述接头连接在一起时，相邻两个所述管段的端面之间存在缝隙；

所述第三结构件被构造为空心的圆柱筒结构，所述第三结构件的内表面与所述第一结构件的外表面适配；

所述第一结构件被构造为圆柱或圆管结构；

还包括第二结构件，所述第二结构件与所述第三结构件相连，所述第二结构件包括多个配重块；

所述测量装置包括在所述第一结构件上设有的若干个应变片、加速度传感器和轴力测量装置；

步骤二：安装水中悬浮管体模型，并布置若干个临时支架支撑所述管体模型，调整所述管体模型的轴线；

步骤三：在所述管体模型的一侧安装支架，布置滑道、撞击物和驱动装置；

步骤四：布置各种测量装置，并进行调试；

步骤五：注水至试验水深，撤去临时支架；

步骤六：利用驱动装置驱动撞击物以指定速度沿着滑道滑动，并撞击所述管体模型；

步骤七：采集撞击过程中各个测量装置的测量值，并进行分析。

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