CN115183693A - 一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，将载体框架吊装于起吊工装上，在载体框架上固定刚性坐标架，并配置加载系统；在加载前和加载时，利用激光跟踪仪同步采集载体框架测点和刚性坐标架测点的三维坐标，根据图形学的三维空间坐标变换方法，基于加载时刚性坐标架的测量值结合加载前的测量值获得载体框架的中间解算值，即载体框架仅平移和偏转带来的位移值，然后再由加载时载体框架的测量值结合中间解算值，获得载体框架的变形值；上述方式能够准确获取承载时载体框架的变形值，并能够用于多个位置的测算，以全面评估框架整体变形情况，大大提高并保证了载体框架变形测量的精度。

Description

一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法

技术领域

本发明涉及潜水器技术领域，尤其是一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法。

背景技术

潜水器载体框架建造完成后，须进行极限承载试验，以验证设计可靠性和制造质量。

现有技术中，承载试验时载体框架变形量的测量方法通常为：载体框架被悬挂半空并调整为水平状态，在起吊点附件安装一激光光源，光源发射的水平光线照射到框架外垂直布置的标有刻度的白纸上；框架底部通过悬挂重物或者液压油缸的方式施加垂直向下的极限载荷，测量加载前和加载时白纸上光源移动的距离，即为框架的变形量。

现有用于测量载体框架变形量的方法，存在一定的不足：第一，起吊状态的载体框架在载荷作用下，会发生不同程度的偏转和移动，导致测量的变形量并非框架自身的变形量，而是叠加了整个起吊系统(载体框架和起吊工况)的偏转和移动的位移值；第二，该方法仅能获取框架艏部的纵倾量，数据单一，无法获取框架在各个位置的变形量。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，从而能够准确获取承载时载体框架的变形值，并能够用于多个位置的测算，以全面评估框架整体变形情况，大大提高并保证了载体框架变形测量的精度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，包括如下步骤：

将载体框架吊装于起吊工装上，并安装加载系统；

将刚性坐标架固定于载体框架前侧面上，在刚性坐标架相互垂直的三个坐标臂端部分别固定激光靶球一，在载体框架底部水平梁上沿着长度方向间隔固定激光靶球二；

在载体框架前方设定角度处固定激光跟踪仪，由激光跟踪仪建立坐标系，并读取所有激光靶球一、激光靶球二的三维坐标，形成加载前刚性坐标架上所有激光靶球一的坐标矩阵G，加载前载体框架上所有激光靶球二的坐标矩阵T；

由加载系统向载体框架施加向下的载荷并保持载荷的施加，待载体框架稳定时，再次由激光跟踪仪读取所有激光靶球一、激光靶球二的三维坐标，形成加载时刚性坐标架上所有激光靶球一的坐标矩阵G′，加载时载体框架上所有激光靶球二的坐标矩阵T′；

由G、G′和T获得T″，T″为载体框架仅发生偏转和平移、而不发生自身形变时所有激光靶球二的坐标矩阵；

由T′和T″获得载体框架形变情况下，所有激光靶球二的变形量矩阵D，实现变形的测量。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述刚性坐标架的其中一个坐标臂垂直于载体框架的前侧面布设，该坐标臂向后延伸有安装臂，安装臂端部与载体框架固定。

所述刚性坐标架的另外两个坐标臂分别呈竖直和水平布设，三个坐标臂端部的前侧面上分别固定激光靶球一。

加载前载体框架底部水平梁与水平布设的坐标臂相互平行设置。

所述加载系统为悬挂的重物或是液压油缸的驱动。

所述激光靶球一的编号分别为G1、G2和G3，激光靶球二的编号分别为T1、T2、T3....Tn；则加载前有：

加载时有：

由矩阵换算G′G^-1T＝T″，获得：

T′为载体框架集平移、偏转和变形在内的各个激光靶球二的坐标矩阵，T″为根据刚性坐标架转换获得的载体框架仅平移、偏转时各个激光靶球二的坐标矩阵，由T′扣除T″获得变形量矩阵D，为：

所述激光靶球二固定于载荷框架上待测量变形的底部水平梁之外的位置。

本发明的有益效果如下：

本发明操作方便，通过在加载前和加载时，利用激光跟踪仪同步采集载体框架测点和刚性坐标架测点的三维坐标，根据图形学的三维空间坐标变换方法，基于加载时刚性坐标架的测量值结合加载前的测量值获得载体框架的中间解算值，即载体框架仅平移和偏转带来的位移值，然后再由加载时载体框架的测量值结合中间解算值，最终获得载体框架的变形值；从而能够准确获得承载时载体框架的变形值，并能够用于多个位置的测算，以全面评估框架整体变形情况，大大提高并保证了载体框架变形测量的精度，有效助力于判断载体框架设计的合理性。

附图说明

图1为本发明测量状态的示意图。

图2为本发明刚性坐标架的结构示意图。

图3为本发明测量的流程图。

其中：1、起吊工装；2、载体框架；3、刚性坐标架；4、激光靶球一；5、激光靶球二；6、激光跟踪仪；31、坐标臂；32、安装臂。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图3所示，本实施例的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，包括如下步骤：

第一步：将载体框架2吊装于起吊工装1上，并安装加载系统；

本实施例中，加载系统为悬挂的重物或是液压油缸的驱动；

第二步：将刚性坐标架3固定于载体框架2前侧面上，在刚性坐标架3相互垂直的三个坐标臂31端部分别固定激光靶球一4，在载体框架2底部水平梁上沿着长度方向间隔固定激光靶球二5；

本实施例中，可以将刚性坐标架3的其中一个坐标臂31垂直于载体框架2的前侧面布设，该坐标臂31向后延伸有安装臂32，安装臂32端部与载体框架2固定；

进一步地，刚性坐标架3的另外两个坐标臂31分别呈竖直和水平布设，三个坐标臂31端部的前侧面上分别固定激光靶球一4，如图2所示；

进一步地，加载前载体框架2底部水平梁与水平布设的坐标臂31相互平行设置；

第三步：在载体框架2前方设定角度处固定激光跟踪仪6，由激光跟踪仪6建立坐标系，并读取所有激光靶球一4、激光靶球二5的三维坐标，形成加载前刚性坐标架3上所有激光靶球一4的坐标矩阵G，加载前载体框架2上所有激光靶球二5的坐标矩阵T；

具体地，激光靶球一4的编号分别为G1、G2和G3，激光靶球二5的编号分别为T1、T2、T3....Tn；则加载前坐标矩阵G和坐标矩阵T分别为：

第四步：由加载系统向载体框架2施加向下的载荷并保持载荷的施加，待载体框架2稳定时，再次由激光跟踪仪6读取所有激光靶球一4、激光靶球二5的三维坐标，形成加载时刚性坐标架3上所有激光靶球一4的坐标矩阵G′，加载时载体框架2上所有激光靶球二5的坐标矩阵T′；

具体地，加载时坐标矩阵G′和坐标矩阵T′分别为：

第五步：由G、G′和T获得T″，T″为载体框架2仅发生偏转和平移、而不发生自身形变时所有激光靶球二5的坐标矩阵；

具体为：由矩阵换算G′G^-1T＝T″，获得：

本实施例中，由于刚性坐标架3仅随着载体框架2进行偏转和平移而不发生形变，而刚性坐标架3与载体框架2之间为固定安装，因此其偏转和平移的程度上相同的，因此，由刚性坐标架3前后坐标值获得偏转和平移的量值，再结合载体框架2加载前的测量值，从而能够获得加载时载体框架2仅在偏转、平移情况下的量值，即T″。

第六步：由T′和T″获得载体框架2形变情况下，所有激光靶球二5的变形量矩阵D，实现变形的测量；

本实施例中，T′为载体框架2集平移、偏转和变形在内的各个激光靶球二5的坐标矩阵，T″为根据刚性坐标架3转换获得的载体框架2仅平移、偏转时各个激光靶球二5的坐标矩阵，由T′扣除T″获得变形量矩阵D，为：

进一步地，将激光靶球二5固定于载荷框架2上待测量变形的底部水平梁之外的位置，可以是根据实际需求的多个位置，从而获得载荷框架2在加载时多个位置的变形量值，进而能够对载荷框架2进行全面评估。

本实施例的具体测算原理为：

假设不考虑载体框架2和起吊系统的平移和偏转的影响；在载体框架2底部水平纵梁上布置激光靶球二5，编号为激光靶球T1，则加载前的三维坐标可以测量得到为[x,y,z]，加载时，在加载系统向下的载荷作用下，载体框架2底部水平纵梁会发生竖直方向的垂向变形，同样测得激光靶球T1随着载体框架2水平纵梁变形后的三维坐标[x′,y′,z′],则可以根据空间两点间距离公式计算出，激光靶球T1在加载前后的位移量

d_T1也指载体框架2在载荷作用下的变形量。

实际上，由于载荷不平衡、起吊系统变形等原因，载体框架2和起吊系统在载荷作用下，必定会发生不小的偏转和平移。因此加载试验时测量的激光靶球T1三维坐标[x′,y′,z′]，包含了载体框架2和起吊系统的偏转和平移，无法直接用上述空间两点距离公式来计算变形量，而需要在扣除平移和偏转带来的叠加位移值，即转换出仅发生偏转和平移的三维坐标[x″,y″,z″]后，才可以根据空间两点间距离公式计算出

根据图形学中的三维坐标变换原理：

其中

是平移矩阵；

是绕x轴旋转矩阵；

是绕y轴旋转矩阵；

是绕z轴旋转矩阵。

为了求出R_zR_yR_xP，需要引入刚性坐标架3，因为刚性坐标架3在加载过程中，自身不会变形，其仅随着载体框架2和起吊系统一起偏转和平移。

加载前刚性坐标架3三点的坐标矩阵

加载时刚性坐标架3三点的坐标矩阵

则根据图形学中的三维坐标变换原理：G′＝R_zR_yR_xPG,由于刚性坐标架3固定于载体框架2上，与载体框架2一同平移和偏转，两者的R_zR_yR_xP是一致的。由此，R_zR_yR_xP＝G′G^-1，由于刚性坐标架3两阶段(加载前，加载时)的三点坐标G、G′均能由激光跟踪仪6测量出，则

由此，通过刚性坐标架的测点数据和任意一点Tn加载前的三维坐标数据

可以转换Tn获得仅发生偏转和平移的三维坐标

则任意点靶球Tn扣除由于载体框架平移和偏转带来的叠加位移值的变形量为：

其中：

为加载时Tn点的三维坐标值，为激光跟踪仪6测量所得。

由此类推，现在已知

和

则全部靶球T1，T2……Tn扣除由于载体框架平移和偏转带来的叠加位移值的变形量矩阵为

本发明中，通过在加载前和加载时，利用激光跟踪仪6同步采集载体框架2测点和刚性坐标架3测点的三维坐标，根据图形学的三维空间坐标变换方法，基于加载时刚性坐标架3的测量值结合加载前的测量值获得载体框架2的中间解算值，即载体框架2仅平移和偏转带来的位移值，然后再由加载时载体框架2的测量值结合中间解算值，最终获得载体框架2的变形值；从而能够准确获得承载时载体框架2的变形值，并能够用于多个位置的测算，以全面评估框架整体变形情况，大大提高并保证了载体框架2变形测量的精度，有效助力于判断载体框架2设计的合理性，实用性好。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (8)

1.一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

将载体框架(2)吊装于起吊工装(1)上，并安装加载系统；

将刚性坐标架(3)固定于载体框架(2)前侧面上，在刚性坐标架(3)相互垂直的三个坐标臂(31)端部分别固定激光靶球一(4)，在载体框架(2)底部水平梁上沿着长度方向间隔固定激光靶球二(5)；

在载体框架(2)前方设定角度处固定激光跟踪仪(6)，由激光跟踪仪(6)建立坐标系，并读取所有激光靶球一(4)、激光靶球二(5)的三维坐标，形成加载前刚性坐标架(3)上所有激光靶球一(4)的坐标矩阵G，加载前载体框架(2)上所有激光靶球二(5)的坐标矩阵T；

由加载系统向载体框架(2)施加向下的载荷并保持载荷的施加，待载体框架(2)稳定时，再次由激光跟踪仪(6)读取所有激光靶球一(4)、激光靶球二(5)的三维坐标，形成加载时刚性坐标架(3)上所有激光靶球一(4)的坐标矩阵G′，加载时载体框架(2)上所有激光靶球二(5)的坐标矩阵T′；

由G、G′和T获得T″，T″为载体框架(2)仅发生偏转和平移、而不发生自身形变时所有激光靶球二(5)的坐标矩阵；

由T′和T″获得载体框架(2)形变情况下，所有激光靶球二(5)的变形量矩阵D，实现变形的测量。

2.如权利要求1所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：所述刚性坐标架(3)的其中一个坐标臂(31)垂直于载体框架(2)的前侧面布设，该坐标臂(31)向后延伸有安装臂(32)，安装臂(32)端部与载体框架(2)固定。

3.如权利要求2所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：所述刚性坐标架(3)的另外两个坐标臂(31)分别呈竖直和水平布设，三个坐标臂(31)端部的前侧面上分别固定激光靶球一(4)。

4.如权利要求3所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：加载前载体框架(2)底部水平梁与水平布设的坐标臂(31)相互平行设置。

5.如权利要求1所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：所述加载系统为悬挂的重物或是液压油缸的驱动。

6.如权利要求1所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：所述激光靶球一(4)的编号分别为G1、G2和G3，激光靶球二(5)的编号分别为T1、T2、T3....Tn；则加载前有：

加载时有：

由矩阵换算G′G^-1T＝T″，获得：

7.如权利要求6所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：T′为载体框架(2)集平移、偏转和变形在内的各个激光靶球二(5)的坐标矩阵，T″为根据刚性坐标架(3)转换获得的载体框架(2)仅平移、偏转时各个激光靶球二(5)的坐标矩阵，由T′扣除T″获得变形量矩阵D，为：

8.如权利要求1所述的一种用于潜水器载体框架承载试验时的变形测量方法，其特征在于：所述激光靶球二(5)固定于载荷框架(2)上待测量变形的底部水平梁之外的位置。

Images