CN114166464B - 一种风浪流力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风浪流力测量装置及方法，其中风浪流力测量装置包括装置本体和装置控制器，所述装置本体包括安装平台和支腿，所述支腿的一端连接所述安装平台，所述支腿的另一端设有固定底盘，所述安装平台上安装有多维力传感器和位移监测模块，所述多维力传感器上连接有测量杆，所述测量杆的一端为装置待测位，所述位移监测模块分别与所述支腿和所述装置待测位相对设置，所述多维力传感器和所述位移监测模块分别与所述装置控制器电连接。本发明风浪流力测量装置一次测量即可测量被测结构物所承受的力的方向、大小及力矩，具有严格意义上的实时性，并且不需要后期进行相位合成计算，操作方便、试验测量精度高。

Description

一种风浪流力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及建筑测量装置，具体涉及一种风浪流力测量装置及方法。

背景技术

风浪流力是近海建筑、远海建筑、河工建筑、海工建筑等工程建设都需重点关注解决的问题；在实际的工程设计中，风浪流力的计算正确与否，将会对结构设计的合理性、可靠性、安全性及经济性产生重大影响。由于风浪流力的作用机理较为复杂，其中涉及波浪与构筑物之间的反射、折射及绕射等问题、流对构筑物的压强负载及浮托力问题、风负载及风向问题，更为复杂的是三者的耦合作用，中间设计非常复杂的作用机理研究及计算。

目前风浪流力的获取主要采用两种方式，数值计算及物理模型试验和模型试验：

1.数值计算及物理模型试验是在条件较为单一或者构筑物结构简单的情况下，不考虑绕射情况下，可用Morison方程计算出波流力，然后利用风速结合构筑物截面积计算出风压力，再用统计分析的方式得出构筑物的最大、平均承受的风浪流力；而数值计算对于复杂的构筑物，尤其是构筑物尺寸越来越大、样式越发的多样，现有的公式计算不能有效准确的完成风浪流力的计算。

2.模型试验方式有两种，第一种：直接测量法，采用拉压力传感器配合庞大固定支架的方式测量风浪流力，在整个被测构筑物的外围搭建框架，构筑物越大框架越大，一般采用粗角铁方钢类的金属材质去焊接框架，以保证结构强度；框架与构筑物之间通过拉压力传感器连接，如果是受多个方向的力，需在构筑物可能受力的各个方向布置拉压力传感器，并且因为拉压力传感器只能测量一维方向的受力，试验必须分为不同的组次试验，测量各个方向的受力，然后对各个点受力进行合成及分析；直接测量法模型试验的方式是直接用拉压力传感器的测量方式，由于测量支架庞大臃肿及测量传感器尺寸过大，对风浪流的干扰明显，甚至出现被测结构物体没有传感器本身大的案例，采用的正方形测量支架，侧向受力时会有形变位移，测量准确的受影响，并且，当需要测量的力具有多个力分量时，需要同时安装多个角度的测量点，依次分开测量单一方向受力，然后将分开测量结果合成计算，由于各个测量点之间的数据存在同步性及相互干扰问题，合成的数据不能代表真实的受力过程。

第二种：间接测量法，在构筑物的可能受力点布置点压力探头，测量这些点所承受的压力过程，然后通过一系列的算法换算处构筑物的受力；间接测量法模型试验采用点压力探头的方式，与数值计算有类似之处，依据测点所受的点压强去推算整个构筑物的受力情况，受制于公式的局限性，难以计算复杂的结构受力情况，同时由于是风浪流共同左右，点压力探头受的压力来源有水压、风压、气液混合物质压强，导致点压力测量的数据较为复杂，尤其是气液混合时的压强，水中夹杂气泡导致压力探头测量误差较大，导致计算出现误差。

因此，研发一种测量精度高、适用范围广的风浪流力测量装置是极为必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种风浪流力测量装置，包括装置本体和装置控制器，所述装置本体包括安装平台和支腿，所述支腿的一端连接所述安装平台，所述支腿的另一端设有固定底盘，所述安装平台上安装有多维力传感器和位移监测模块，所述多维力传感器上连接有测量杆，所述测量杆的一端为装置待测位，所述位移监测模块分别与所述支腿和所述装置待测位相对设置，所述多维力传感器和所述位移监测模块分别与所述装置控制器电连接。

本发明进一步设置为所述多维力传感器上设有测量连接孔，所述测量连接孔内设有支柱，所述支柱上设有测量板，所述测量杆连接在所述测量板上。

本发明进一步设置为所述位移监测模块包括支腿位移监测模块和待测位移监测模块，所述支腿位移监测模块设置在所述安装平台上，所述支腿位移监测模块与所述支腿相对设置，所述待测位移监测模块设置在所述测量板上，所述待测位移监测模块与所述装置待测位相对设置。

本发明进一步设置为所述装置控制器包括信号转化模块、信号处理模块和信号发射模块，所述信号转化模块的输入端分别连接所述多维力传感器的输出端、所述支腿位移监测模块的输出端和所述待测位移监测模块的输出端，所述信号转化模块的输出端连接所述信号处理模块的输入端，所述信号处理模块与所述信号发射模块连接。

本发明进一步设置为还包括终端设备，所述终端设备上设有信号接收模块，所述信号发射模块与所述信号接收模块通信连接。通过无线收发装置可以实时获取被测结构物的试验测量数据，便于分析和记录。

本发明进一步设置为所述安装平台上设置有传感器调节托板，所述传感器调节托板上设有矩阵式的槽型孔，所述多维力传感器通过螺丝连接在所述传感器调节托板的槽型孔上，所述多维力传感器采用的是六维力传感器。针对被测结构物的形状结构，多维力传感器可以通过多组矩阵式的槽型孔，选择不同的槽型孔组，可小范围调节多维力传感器的位置，通过槽型孔的冗余空间可微调传感器的角度及位置，提高测量装置的通用性，能测试更多的被测结构物，六维力传感器可以检查空间任意力系中的三维正交力及三维正交力矩，具有测力信息丰富、测量精度高的特点。

本发明进一步设置为所述支腿上设有辅助杆连接套，所述辅助杆连接套上连接有辅助杆，所述辅助杆与所述装置待测位相对设置。针对复杂的被测结构物，辅助杆可以对其部分结构进行固定。

本发明进一步设置为所述支腿和所述安装平台之间还设置有辅助横撑。辅助横撑进一步提高支腿与安装平台的连接稳定性，保证试验数据的精确性。

本发明进一步设置为所述支腿的数量设置有三根，所述支腿的材质为碳纤维管，所述支腿的横截面呈扁椭圆状；所述测量杆的材质为经过整体淬火处理实心圆柱高碳钢。

一种风浪流力测量方法，采用上述的风浪流力测量装置，包括以下步骤：

将固定底盘安装在模型测量场地上，使装置本体保持固定在模型测量场地；

将被测结构物放置到装置待测位，测量杆与被测结构物刚性连接；根据被测结构物的测量试验部位，采用辅助杆对被测结构物进行固定；

支腿位移监测模块正对支腿，待测位移监测模块正对被测结构物；

在模型测量场地上加风造流造波模拟风浪流的工况；

六维力传感器监测通过测量杆获得被测结构物在笛卡尔坐标系内XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号；支腿位移监测模块监测支腿与安装平台的相对距离，获得各个支腿与安装平台相对距离的模拟信号；待测位移监测模块监测测量板与被测结构物的相对距离，获得测量板与被测结构物相对距离的模拟信号；

信号转化模块将各个支腿与安装平台相对距离的模拟信号、测量板与被测结构物相对距离的模拟信号以及被测结构物在笛卡尔坐标系内XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号进行模数转化，并经信号处理模块进行处理，信号发射模块将信号处理模块处理完的数据以无线通信的方式发送至信号接收模块，终端设备获取并记录被测结构物的试验数据；

根据支腿与安装平台相对距离的模拟信号和测量板与被测结构物相对距离的模拟信号来判断装置本体在模拟过程中是否发生移动，从而对被测结构物在笛卡尔坐标系内XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号数据进行选取，获取装置本体的位移在设定偏移阈值内六维力传感器所测得的力的大小、力的方向和力矩值。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、采用该测量装置一次测量即可测量被测结构物所承受的力的方向、大小及力矩，在模拟风浪流力的工况时，六维力传感器实时采集被测结构物的六个方向上力的大小、方向和力矩值，收集在对应级别风浪流力工况下被测结构物的受力情况，具有严格意义上的实时性，而支腿位移监测模块和待测位移监测模块采集模拟过程中各个支腿与安装平台相对距离以及测量板与被测结构物的相对距离，支腿位移监测模块监测各个支腿与安装平台的相对位置，以此来推断各个支腿的形变程度来反推整个装置的结构刚性，倘若支腿位移监测模块和待测位移监测模块监测到相对距离发生位移，则说明在模拟风浪力工况中装置本体发生了偏移，提示测量人员当前多维力传感器所采集到的受力数据是不准确的，排除该组数据重新进行测量，并且不需要后期进行相位合成计算，提高了测量精度，同时简化了以往需要多个组次测量多个方向力然后合成的步骤。

2、装置本体采用高刚性、破水型的三点结构设计，对水流的阻碍扰动较传统框架明显减小，支腿顺水流方向采用流线型的扁椭圆设计以及碳纤维管的材质，尾端紊流极小且距离短，测量小尺寸的构件试验更加准确；由于采用三点稳定结构，支架侧向或者正向受力均转化为支腿的拉力与压力并且将受力传到至地面，与以往角铁或者钢管焊接的测量框架相比，受到大的风浪流力时形变极小，被测结构物体受力可整个传导至传感器，测量更加准确，减少框架本身形变带来的卸力造成的测量误差。

3、采用测量杆测量的方式，可针对性选择测量被测结构物体的受力点，结合测得的力矩值，可更加精确分析被测结构物的受力过程及趋势，尤其是分段式的被测结构物受力试验，可依次加长测杆长度，与不同部位的被测结构物连接，测量杆采用经过整体淬火处理实心圆柱高碳钢，避免在模拟风浪流力过程中测量杆自身发生形变，从而提高被测结构物受力的测量精度与准确性，试验更加方便且测量均采用一个多维力传感器，数据具有极强的一致性。

附图说明

图1为本发明实施例立体图。

图2为本发明实施例主视图。

图3为本发明实施例传感器调节托板主视图。

图4为本发明实施例各个模块、传感器和终端设备连接方框图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

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，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

结合附图1-4，本发明技术方案是一种风浪流力测量装置，包括装置本体、装置控制器和终端设备13，所述装置本体包括安装平台1和支腿2，所述支腿2的一端连接所述安装平台1，所述支腿2的另一端设有固定底盘3，所述安装平台1上安装有多维力传感器4和位移监测模块5，所述多维力传感器4上设有测量连接孔，所述测量连接孔内设有支柱8，所述支柱8上设有测量板9，所述测量板9上连接有测量杆6，所述测量杆6远离所述测量板9的一端为装置待测位7，所述位移监测模块5包括支腿位移监测模块51和待测位移监测模块52，所述支腿位移监测模块51设置在所述安装平台1上，所述支腿位移监测模块51与所述支腿2相对设置，所述待测位移监测模块52设置在所述测量板9上，所述待测位移监测模块9与所述装置待测位7相对设置，所述装置控制器包括信号转化模块10、信号处理模块11和信号发射模块12，所述信号转化模块10的输入端分别连接所述多维力传感器4的输出端、所述支腿位移监测模块51的输出端和所述待测位移监测模块52的输出端，所述信号转化模块10的输出端连接所述信号处理模块11的输入端，所述信号处理模块11与所述信号发射模块12连接，所述终端设备13上设有信号接收模块14，所述信号发射模块12与所述信号接收模块14通信连接。

上述安装平台1上设置有传感器调节托板15，所述传感器调节托板15上设有矩阵式的槽型孔151，所述多维力传感器4通过螺丝连接在所述传感器调节托板15的槽型孔151上，所述多维力传感器4采用的是六维力传感器。

上述支腿2上设有辅助杆连接套16，所述辅助杆连接套16上连接有辅助杆17，所述辅助杆17与所述装置待测位7相对设置。

上述支腿2和所述安装平1台之间还设置有辅助横撑18。

上述支腿2的数量设置有三根，所述支腿2的材质为碳纤维管，所述支腿2的横截面呈扁椭圆状；所述测量杆6的材质为经过整体淬火处理实心圆柱高碳钢。

在本实施例中，被测结构物A以风浪流受力分析较难的桩基承台为例进行说明本风浪流力测量装置的测量方式，桩基承台包括桩基A1、承台A2和桥墩A3三个部件。

首先，把装置本体放到模型测量场地内，将支腿2上的固定底盘通过化学膨胀螺丝固定在模型测量场地上，多维力传感器4一端通过传感器调节托板15与装置本体刚性连接，并将多维力传感器4调节到合适的连接位置，通过自紧螺丝螺丝锁死固定，多维力传感器4另一端与测量杆6刚性连接，测量杆6与被测结构物A的具体部件通过自紧螺丝刚性连接，支腿位移监测模块51正对对应的支腿2，待测位移监测模块52正对被测结构物A的具体部件，然后模拟风浪流的工况，具体对桩基承台的各部位测量连接如下：

当做桩基A1受力试验时，将承台A2、桥墩A3通过辅助杆17固定在支腿2上，将桩基A1通过测量杆6与多维力传感器4连接，然后开始加风造流造波模拟风浪流的工况，当模拟的风浪流完全作用在桩基A1后开始记录测量数据，测量时间依据具体的工况来确定；

当做承台A2受力试验时，将桩基A1、桥墩A3通过辅助杆17固定在支腿2上，将承台A2通过测量杆6与多维力传感器4连接，然后开始加风造流造波模拟风浪流的工况，当模拟的风浪流完全作用在承台A2后开始记录测量数据，测量时间依据具体的工况来确定；

当做桥墩A3受力试验时，将桩基A1、承台A2通过辅助杆17固定在支腿2上，将桥墩A3通过测量杆6与多维力传感器4连接，然后开始加风造流造波模拟风浪流的工况，当模拟的风浪流完全作用在桥墩A3后开始记录测量数据，测量时间依据具体的工况来确定；

当做桩基A1、承台A2、桥墩A3一起受力时，将桩基A1、承台A2、桥墩A3通过螺丝锁紧固定，然后将整个结构与多维力传感器4通过测量杆连接，然后开始加风造流造波模拟风浪流的工况，测量时间依据具体的工况来确定。

在具体操作中，例如做位于中间的承台A2和位于底端的桥墩A3受力试验时，如果仅采用直线型的测量杆6，测量杆6难以直接越过桩基A1固定到承台A2或者桥墩A3，需要在结构物上打洞传过去连接被测结构物A的具体部位，增加了试验工作量，这时可以选L型或者Z字型的测量杆6，绕过障碍物与被测结构连接，这样试验更加的便捷。

为了试验的可靠性及科学性，每组试验一般做三次及以上，一方面是观察数据的重复性，组次间是否有明显的差异性，另一方面，去三组的平均值更加能代表试验的真实情况，尽量减少偶然因素带来的误差。

在试验中注意的是，被测结构物A与测量杆6连接点的选择，一般造条允许的情况下，连接点为被测结构物A的重心处，如果是异形结构重心处难受固定，连接点需要重心附近处易固定的点，然后分析力矩的数据对受力分析做补充，力矩值也可由多维力传感器4获得。

在试验时，还需要实时关注支腿位移监测模块51的测距数据，由于多维力传感器4必须在高刚性的连接的环境下才可准确测量数据，在风浪流力极大的组次，如果支腿位移监测模块51监测到支腿2和安装平台1之间或者待测位移监测模块52监测到被测结构物A与测量板9之间的相对位移超高1mm，该组数据不建议使用，在对装置本体加装更多横撑、上托板上方压重物等加固手段后再次进行试验，直到相对位移一直在1mm以内，数据方可使用。

在本实施例中，支腿位移监测模块51和待测位移监测模块52采用的是激光传感器。

在本实施例中，加风造流造波模拟风浪流的工况时，支腿2迎水流方向摆放，以一根支腿2朝前两根支腿靠2后的方式安装，椭圆式支腿2长边与水流平行，减少装置本体形变带来的卸力造成的测量误差。

在本实施例中，桩基A1、承台A2、桥墩A3即可分开又可通过螺丝固定，桩基A1与承台A2与测量杆6连接的地方采用加厚处理来增加刚性，防止受力变形及损坏。

实施例2

结合附图2，本发明技术方案是一种风浪流力测量方法，采用实施例1中所述的风浪流力测量装置，包括以下步骤：

将固定底盘安装在模型测量场地上，使装置本体保持固定在模型测量场地；

将被测结构物放置到装置待测位，测量杆与被测结构物刚性连接；根据被测结构物的测量试验部位，采用辅助杆对被测结构物进行固定；

支腿位移监测模块正对支腿，待测位移监测模块正对被测结构物；

在模型测量场地上加风造流造波模拟风浪流的工况；

六维力传感器监测通过测量杆获得被测结构物在笛卡尔坐标系内XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号；支腿位移监测模块监测支腿与安装平台的相对距离，获得各个支腿与安装平台相对距离的模拟信号；待测位移监测模块监测测量板与被测结构物的相对距离，获得测量板与被测结构物相对距离的模拟信号；

信号转化模块将各个支腿与安装平台相对距离的模拟信号、测量板与被测结构物相对距离的模拟信号以及被测结构物在笛卡尔坐标系内XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号进行模数转化，并经信号处理模块进行处理，信号发射模块将信号处理模块处理完的数据以无线通信的方式发送至信号接收模块，终端设备获取并记录被测结构物的试验数据；

根据支腿与安装平台相对距离的模拟信号和测量板与被测结构物相对距离的模拟信号来判断装置本体在模拟过程中是否发生移动，从而对被测结构物在笛卡尔坐标系内XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号数据进行选取，获取装置本体的位移在设定偏移阈值内六维力传感器所测得的力的大小、力的方向和力矩值。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种风浪流力测量装置，其特征在于，包括装置本体和装置控制器，所述装置本体包括安装平台和支腿，所述支腿的一端连接所述安装平台，所述支腿的另一端设有固定底盘，所述安装平台上安装有多维力传感器和位移监测模块，所述多维力传感器上连接有测量杆，所述测量杆的一端为装置待测位，所述位移监测模块分别与所述支腿和所述装置待测位相对设置，所述多维力传感器和所述位移监测模块分别与所述装置控制器电连接；所述多维力传感器上设有测量连接孔，所述测量连接孔内设有支柱，所述支柱上设有测量板，所述测量杆连接在所述测量板上；

所述支腿上设有辅助杆连接套，所述辅助杆连接套上连接有辅助杆，所述辅助杆与所述装置待测位相对设置；所述辅助杆用于根据被测结构物的测量试验部位对被测结构物进行固定；

所述位移监测模块包括支腿位移监测模块和待测位移监测模块，所述支腿位移监测模块设置在所述安装平台上，所述支腿位移监测模块与所述支腿相对设置，所述待测位移监测模块设置在所述测量板上，所述待测位移监测模块与所述装置待测位相对设置；

所述安装平台上设置有传感器调节托板，所述传感器调节托板上设有矩阵式的槽型孔，所述多维力传感器通过螺丝连接在所述传感器调节托板的槽型孔上，所述多维力传感器采用的是六维力传感器；

所述支腿的数量设置有三根，所述支腿的材质为碳纤维管，所述支腿的横截面呈扁椭圆状；所述测量杆的材质为经过整体淬火处理实心圆柱高碳钢；

根据支腿与安装平台相对距离的模拟信号和测量板与被测结构物相对距离的模拟信号来判断装置本体在模拟过程中是否发生移动，从而对被测结构物在笛卡尔坐标系内 XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号数据进行选取，获取装置本体的位移在设定偏移阈值内六维力传感器所测得的力的大小、力的方向和力矩值。

2.根据权利要求 1 所述的一种风浪流力测量装置，其特征在于，所述装置控制器包括信号转化模块、信号处理模块和信号发射模块，所述信号转化模块的输入端分别连接所述多维力传感器的输出端、所述支腿位移监测模块的输出端和所述待测位移监测模块的输出端，所述信号转化模块的输出端连接所述信号处理模块的输入端，所述信号处理模块与所述信号发射模块连接。

3.根据权利要求 2 所述的一种风浪流力测量装置，其特征在于，还包括终端设备，所述终端设备上设有信号接收模块，所述信号发射模块与所述信号接收模块通信连接。

4.根据权利要求 1-3 之一所述的一种风浪流力测量装置，其特征在于，所述支腿和所述安装平台之间还设置有辅助横撑。

5.一种风浪流力测量方法，其特征在于，采用权利要求 1-4 中任一项所述的风浪流力测量装置，包括以下步骤：

将固定底盘安装在模型测量场地上，使装置本体保持固定在模型测量场地；

将被测结构物放置到装置待测位，测量杆与被测结构物刚性连接；根据被测结构物的测量试验部位，采用辅助杆对被测结构物进行固定；

支腿位移监测模块正对支腿，待测位移监测模块正对被测结构物；

在模型测量场地上加风造流造波模拟风浪流的工况；

六维力传感器监测通过测量杆获得被测结构物在笛卡尔坐标系内 XYZ 方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号；支腿位移监测模块监测支腿与安装平台的相对距离，获得各个支腿与安装平台相对距离的模拟信号；待测位移监测模块监测测量板与被测结构物的相对距离，获得测量板与被测结构物相对距离的模拟信号；

信号转化模块将各个支腿与安装平台相对距离的模拟信号、测量板与被测结构物相对距离的模拟信号以及被测结构物在笛卡尔坐标系内 XYZ 方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号进行模数转化，并经信号处理模块进行处理，信号发射模块将信号处理模块处理完的数据以无线通信的方式发送至信号接收模块，终端设备获取并记录被测结构物的试验数据；

根据支腿与安装平台相对距离的模拟信号和测量板与被测结构物相对距离的模拟信号来判断装置本体在模拟过程中是否发生移动，从而对被测结构物在笛卡尔坐标系内 XYZ方向上力的大小、力的方向和力矩值模拟信号数据进行选取，获取装置本体的位移在设定偏移阈值内六维力传感器所测得的力的大小、力的方向和力矩值。