CN115307871B - 一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，基于一套装置，装置包括水下结构物模型；测力传感器，内嵌设置在所述水下结构物模型内部；高度可调的伸缩杆，其一端伸入所述水下结构物模型内部与所述测力传感器连接，另一端与一底盘固定连接，所述底盘用于支撑整个装置。本发明通过测力传感器测量内孤立波经过时对结构物模型的三维受力数据；通过高度可调的伸缩杆改变结构物模型在实验室水槽中的深度；通过转动底盘改变内孤立波与结构物模型相互作用的角度，能够保证在不影响整体流场的情况下，精确测量作用于任意形状的水下结构物的作用力，为海洋工程结构物的设计提供可靠的理论依据和技术保障。

Description

一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法
技术领域
本发明涉及水下结构物与内波相互作用机理的研究，具体是一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法。
背景技术
内孤立波的特征波长达上千米，波幅达数百米，这种大幅度的内部波动产生的水下强流产生的冲击载荷是海洋结构物疲劳损伤的主要来源之一，评估内孤立波载荷已成为海洋工程结构物设计中必须考虑的一个重要因素。
由于海洋内孤立波与水下结构物相互作用情况，由于内孤立波难以观测，开展实物试验存在很大困难和花费高昂，在实验室开展物理模型试验便成为必要且可靠的研究方法。
目前针对水下结构物在内孤立波环境中的水动力性能研究，大多数都是测力传感器外置于结构物的形式测力，以细长剑杆两端分别与模型和测力传感器固接的方式间接测量结构物的载荷，
如专利号ZL201810114516.7公开的一种内波与潜体相互作用的实验系统，以及申请号202110436236.X公开的一种双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统和测量方法。
但是上述两个专利公开的测力方式均为外置式测力传感器，外置式测力传感器需要有连接杆连接传感器和实验模型，作用在模型上的受力通过连接杆传递到传感器，传递过程中可能会损失一部分模型受力，同时连接杆受到的内孤立波作用力也会一同被传感器采集，这种测量方式误差较大。
发明内容
针对上述现有测力装置中的不足，本发明提供一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，本发明方法能够保证在不影响整体流场的情况下，精确测量作用于任意形状的水下结构物的作用力，为海洋工程结构物的设计提供可靠的理论依据和技术保障。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，基于一套装置，装置包括：
水下结构物模型；
测力传感器，内嵌设置在所述水下结构物模型内部，并与所述水下结构物模型的内壁固定连接，用于检测所述水下结构物模型的三维受力数据；
高度可调的伸缩杆，其一端伸入所述水下结构物模型内部与所述测力传感器连接，另一端与一底盘固定连接，所述底盘用于支撑整个装置；
通过嵌入结构物模型内部的测力传感器测量内孤立波经过时对结构物模型的三维受力数据；测力传感器通过应变测量仪和信号放大器连接PC端；模型受到的内孤立波作用力传递到测力传感器，测力传感器输出电信号到数据采集器，电信号经过信号放大器处理，最后PC端根据实验前获得的电信号-作用力标定矩阵换算得到内孤立波作用力，对三维作用力测量结果进行无量纲化得到最终结果：
Fx *＝Fx/ΔρgV；
Fy *＝Fy/ΔρgV；
Fz *＝Fz/ΔρgV，其中，
Fx *为水平向作用力无量纲数，Fy *为横向作用力无量纲数，Fz *为垂向作用力无量纲数，Fx为水平作用力测量值，单位N，Fy为水平作用力测量值，单位N，Fz为垂向作用力测量值，单位N，Δρ为上下流体密度差，单位kg/m3，g 是重力加速度，单位kg/m3，V为模型的体积，单位m/s2；
通过所述高度可调的伸缩杆改变结构物模型在实验室水槽中的深度，使其测量水下结构物模型与不同水下深度传播的内孤立波相互作用力；
通过转动底盘改变内孤立波与水下结构物模型相互作用的角度，进而测量处于不同水下深度的水下结构物模型和不同传播角度的内孤立波相互作用时的受力情况。
实验前利用增减砝码和标定系统对测力传感器标定，获得的电信号-作用力标定矩阵，过程如下：
测力传感器测量前标定方法：
标定系统对不同方向上逐渐增加与减少砝码的方法来标定传感器，测力传感器的工作原理为殷钢受力应变，其电力学特性发生改变，
假设测力传感器三个方向上分别测量了n组作用力值，未加作用力方向记为 0，则作用力矩阵可记为：
F＝[Fx Fy Fz]
其中故F＝[Fx Fy Fz]为3n×3的矩阵。
它们对应电信号为：
E＝[Ex Ey Ez]
其中则由E→F的线性回归可由一个矩阵C＝[a1 a2 a3]表示，使得F＝E·C，则C＝E-1·F，即电信号矩阵的广义逆矩阵与力矩阵的内积，由此可求得回归系数，此为最小二乘法简便运算。其中，Ex为水平向作用力通道输出的电信号(mV)，Ey为横向作用力通道输出的电信号(mV)，Ez为水平向作用力通道输出的电信号(mV)，Fx为水平作用力测量值(N)，Fy为水平作用力测量值(N)，Fz为垂向作用力测量值(N)，Δρ为上下两层流体密度差(kg/m3)，g是重力加速度(m/s2)，V为模型的体积(m3)；
所述底盘为圆形底盘，圆形底盘上表面刻有0到360度的角刻度，圆形底盘的底部设有支脚，支脚的数量为3个，3个所述支脚以所述底盘中心呈中心对称布置。
所述高度可调的伸缩杆上刻有毫米级的高度刻度。
所述水下结构物模型为分体式结构，分别是位于最中间的模型中间段和与所述模型中间段一端可拆卸连接的模型首段以及与所述模型中间段另一端可拆卸连接的模型尾段，其中，所述模型中间段的顶部开设有供螺丝的螺纹段穿过的第一通孔，螺丝的螺纹段穿过所述第一通孔后与所述测力传感器顶部的第一螺纹孔螺纹连接；
所述模型中间段的底部设有供所述高度可调的伸缩杆穿过的第二通孔。
所述第一通孔为两个，两个第一通孔以所述模型中间段中心对称布置。
所述高度可调的伸缩杆包括同轴套接的内杆和外杆，内杆和外杆之间通过螺钉固定，位于上部的内杆顶部设有第一螺杆段，所述第一螺杆段穿过模型中间段底部所述第二通孔后与测力传感器底部的第二螺纹孔螺纹连接；
位于下部的外杆底部设有第二螺杆段，第二螺杆段与底盘螺纹连接。
所述模型中间段与模型首段连接的部分、以及模型中间段与模型尾端连接的部分分别设有供螺丝穿过的第三通孔，模型中间段、模型首段以及模型尾端之间通过螺丝固定连接。
所述测力传感器为三分力测力传感器，所述三分力测力传感器的顶端具有弧面，所述模型中间段为筒形，所述弧面与模型中间段的顶部内壁相适配。
所述水下结构物模型采用聚氯乙烯材料制作。
有益效果：
本发明由于采用了以上技术方案，相比于现有水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法具有以下有益效果：
第一.本发明模型直接与嵌入式传感器刚性固接，不需要连接杆，测力传感器将直接采集到模型受力，不会受到其余因素的干扰，相对于外置型测力方法增强了检测精确度和可靠性。
第二.内孤立波传感器通常为微幅传感器，测量量程小，初始状态下，减少了连接杆对传感器的负重，可以保护传感器，延长使用寿命。
第三.通过所述高度可调的伸缩杆改变结构物模型在实验室水槽中的深度，使其测量海洋结构物与不同水下深度传播的内孤立波相互作用力。
第四.通过转动底盘改变内孤立波与结构物模型相互作用的角度，进而测量处于不同水下深度的海洋结构物模型和不同传播角度的内孤立波相互作用时的受力情况。
附图说明
图1为本发明水下结构物与内孤立波相互作用的嵌入式测力装置测量内孤立波对水下结构物作用力的实验原理示意图；
图2为本发明水下结构物与内孤立波相互作用的嵌入式测力装置结构示意图一；
图3为三段式水下结构物模型的结构示意图；
图4为测力传感器示意图；
图5为升降式可调支撑杆示意图；
图6为圆形支撑底盘示意图；
图7为本发明水下结构物模型与内孤立波相互作用的嵌入式测力装置结构示意图二；
图8为内孤立波与模型不同角度时相互作用时的示意图；
图9为内孤立波与不同潜深模型相互作用的示意图；
图10为嵌入式测力和外置型测力方式水平力曲线图；
图11为嵌入式测力和外置型测力方式水平力矩曲线图；
其中，1、水下结构物模型；2、测力传感器；3、高度可调的伸缩杆；4、底盘；5、分层流水槽；6、内孤立波造波装置；7、内孤立波消波装置；8、数据采集器；9、动态应变分析仪；10、计算机PC；11、下凹型内孤立波；12、模型中间段；13、第一通孔；14、第三通孔；15、第二通孔；16、模型首段；17、模型尾段；21、第一螺纹孔；22、第二螺纹孔；31、内杆；32、螺钉；33、外杆；41、底盘上螺纹孔。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明测量内孤立波对水下结构物作用力的方法实施过程：
内孤立波作用力的实验测量在大型重力式分层流水槽中进行，水槽主尺度为1200cm×120cm×100cm(长×宽×高)，分层流水槽右端安装有重力塌陷式造波装置，左端设置三角锲形消波装置。实验采用“双桶”原理制备近似两层流体环境，流体层厚度与密度分别为hi和ρi，其中i＝1,2分别代表上下层流体。
内波作用力测量系统由模型、嵌入式测力装置、数据采集器、动态应变分析仪组成。实验定制的微幅测力传感器量程为0～10N，实验前利用增减砝码和标定系统对传感器标定，获得的电信号-作用力标定矩阵，过程如下：
测力传感器测量前标定方法：
标定系统可对不同方向上逐渐增加与减少砝码的方法来标定传感器，测力传感器的工作原理为殷钢受力应变，其电力学特性发生改变。对于实际工程问题，应变片的方向校准会有一定的误差度，即使仅在水平方向上施加力的作用，其余方向上依然会有电信号的变化，因此在标定时，需要综合考虑所有方向上的电信号特征。
假设测力传感器三个方向上分别测量了n组作用力值，未加作用力方向记为 0，则作用力矩阵可记为：
F＝[Fx Fy Fz]
其中故F＝[Fx Fy Fz]为3n×3的矩阵。
它们对应电信号为
E＝[Ex Ey Ez]
其中则由E→F的线性回归可由一个矩阵C＝[a1 a2 a3]表示，使得F＝E·C，则C＝E-1·F，即电信号矩阵的广义逆矩阵与力矩阵的内积，由此可求得回归系数，此为最小二乘法简便运算。其中，其中，Ex为水平向作用力通道输出的电信号(mV)，Ey为横向作用力通道输出的电信号(mV)， Ez为水平向作用力通道输出的电信号(mV)，Fx为水平作用力测量值(N)， Fy为水平作用力测量值(N)，Fz为垂向作用力测量值(N)。Δρ为上下两层流体密度差(kg/m3)，g是重力加速度(m/s2)，V为模型的体积(m3)；
模型受到的内孤立波作用力传递到测力传感器，传感器输出电信号到数据采集器，电信号经过信号放大器处理，最后计算机软件根据实验前获得的电信号- 作用力标定矩阵换算得到内孤立波作用力。对传感器三维作用力测量结果进行无量纲化得到最终结果：
Fx *＝Fx/ΔρgV，Fy *＝Fy/ΔρgV，Fz *＝Fz/ΔρgV。Fx *为水平向作用力无量纲数， Fy *为横向作用力无量纲数，Fz *为垂向作用力无量纲数，Fx为水平作用力测量值(N)，Fy为水平作用力测量值(N)，Fz为垂向作用力测量值(N)。Δρ为上下两层流体密度差(kg/m3)，g是重力加速度(m/s2)，V为模型的体积 (m3)；
下面根据附图2～图9，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的技术方案。
请参阅图2～图9，本发明一种水下结构物与内孤立波作用的测力装置，包括一水下结构物模型1、测力传感器2、高度可调的伸缩杆3和底盘4；
测力传感器2放置于水下结构物模型1内部；
高度可调的伸缩杆3的上端与测力传感器2连接，高度可调的伸缩杆3的下端与底盘4连接。
水下结构物模型1由模型首段16、模型尾段17和模型中间段12组成，模型中间段12顶部有两个第一通孔13，通过两螺丝与测力传感器2顶部的第一螺纹孔21连接。
模型中间段边缘有八个第三通孔14，通过八个螺丝分别与模型首段16和模型尾段17连接。模型中间段12底部设有供所述高度可调的伸缩杆穿过的第二通孔14。
测力传感器2顶部设有两个第一螺纹孔21，测力传感器2底部设有第二螺纹孔22。
高度可调的伸缩杆3由上部内杆31和下部外杆33组成，两者通过四个螺钉固定，上部内杆31顶部设有第一螺杆段，第一螺杆段穿过第二通孔14与测力传感器底部的第二螺纹孔22连接；下部外杆底部有第二螺杆段，第二螺杆段与底盘螺纹连接。
本发明一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法：
实验测量前需要对传感器进行配重，假设待测模型的重量为m1(kg/m3)，配重块重量为m2。待测模型体积为V(m3)，模型周围水体密度为ρ(kg/m3)，重力加速度g(m/s2)。
若模型的重力大于浮力，应该在模型内部去除配重块，直至浮力等于重力，则配重过程可表示为：
(m1-m2)-ρV＝0
若模型的重力小于浮力，应该在模型内部添加配重块，直至浮力等于重力，则配重过程可表示为：
(m1+m2)-ρV＝0。
以圆柱模型为例，本发明通过将测力传感器内置于模型中间段12中，通过将测力传感器2顶端与模型中间段12通过螺丝刚性固接，模型首段16和模型尾段17再分别与模型中间段12通过螺丝刚性固结，由此嵌入水下结构物模型内部的测力传感器可以测量内孤立波经过时对水下结构物模型的三维受力数据；
通过高度可调的伸缩杆3及底盘4刚性固接，由此可以改变水下结构物模型及测力传感器在实验室水槽中的深度，使其可以测量海洋结构物与不同水下深度传播的内孤立波相互作用力；
内孤立波与模型相互作用的角度方法：
底部圆盘上刻有0到360度的角刻度，通过旋转底部圆盘的方式，如图7 所示，可以实现水下结构物与内孤立波任意角度相互作用力的测量，更加贴近真实海洋情况。
内孤立波与不同潜深模型相互作用的方法：
支撑杆上刻有毫米级的刻度，通过改变支撑杆的长度，如图8所示，可以实现不同潜深情况下水下结构物与内孤立波相互作用力的测量，更加贴近真实海洋情况。
本发明装置由于测力传感器内嵌设置在水下结构物模型的内部，避免了水下结构物内孤立波载荷的测量结果受其他因素的干扰，有效保证了水下结构物的内孤立波载荷测量的精确性。
本发明嵌入式测力方式和外置型测力方式效果对比：
如图10和图11所示，波幅为10cm的下凹型内孤立波对方柱实验模型(长40cm×宽5cm×高)的水平力及力矩测量，如图所示，外置式测量方法测得的内孤立波水平力相对实际情况偏大14.5％，水平力矩偏大13％。嵌入式传感器测量方法的测量精度相对于外置式测量方法测量精度更好。

Claims (10)

1.一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，基于一套装置，其特征在于，装置包括：
水下结构物模型；
测力传感器，内嵌设置在所述水下结构物模型内部，并与所述水下结构物模型的内壁固定连接，用于检测所述水下结构物模型的三维受力数据；
高度可调的伸缩杆，其一端伸入所述水下结构物模型内部与所述测力传感器连接，另一端与一底盘固定连接，所述底盘用于支撑整个装置；
通过嵌入结构物模型内部的测力传感器测量内孤立波经过时对结构物模型的三维受力数据；测力传感器通过应变测量仪和信号放大器连接PC端；模型受到的内孤立波作用力传递到测力传感器，测力传感器输出电信号到数据采集器，电信号经过信号放大器处理，最后PC端根据实验前获得的电信号-作用力标定矩阵换算得到内孤立波作用力，对三维作用力测量结果进行无量纲化得到最终结果：
；
；
，其中，
为水平向作用力无量纲数，为横向作用力无量纲数，为垂向作用力无量纲数，为水平作用力测量值（N），为水平作用力测量值（N），为垂向作用力测量值（N），为上下两层流体密度差（）， 是重力加速度（），为模型的体积（）；
通过所述高度可调的伸缩杆改变结构物模型在实验室水槽中的深度，使其测量水下结构物模型与不同水下深度传播的内孤立波相互作用力；
通过转动底盘改变内孤立波与水下结构物模型相互作用的角度，进而测量处于不同水下深度的水下结构物模型和不同传播角度的内孤立波相互作用时的受力情况。
2.根据权利要求1所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，实验前利用增减砝码和标定系统对测力传感器标定，获得的电信号-作用力标定矩阵，过程如下：
测力传感器测量前标定方法：
标定系统对不同方向上逐渐增加与减少砝码的方法来标定传感器，测力传感器的工作原理为殷钢受力应变，其电力学特性发生改变，
假设测力传感器三个方向上分别测量了n组作用力值，未加作用力方向记为0，则作用力矩阵可记为：
，
其中，故为的矩阵，它们对应电信号为：
，
其中，则由的线性回归可由一个矩阵表示，使得，则，即电信号矩阵的广义逆矩阵与力矩阵的内积，由此可求得回归系数，此为最小二乘法简便运算，其中，为水平向作用力通道输出的电信号（mv），为横向作用力通道输出的电信号（mv），为水平向作用力通道输出的电信号（mv），为水平作用力测量值（N），为水平作用力测量值（N），为垂向作用力测量值（N）。
3.根据权利要求1所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述底盘为圆形底盘，圆形底盘上表面刻有0到360度的角刻度，圆形底盘的底部设有支脚，支脚的数量为3个，3个所述支脚以所述底盘中心呈中心对称布置。
4.根据权利要求1所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述高度可调的伸缩杆上刻有毫米级的高度刻度。
5.根据权利要求1所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述水下结构物模型为分体式结构，分别是位于最中间的模型中间段和与所述模型中间段一端可拆卸连接的模型首段以及与所述模型中间段另一端可拆卸连接的模型尾段，其中，所述模型中间段的顶部开设有供螺丝的螺纹段穿过的第一通孔，螺丝的螺纹段穿过所述第一通孔后与所述测力传感器顶部的第一螺纹孔螺纹连接；
所述模型中间段的底部设有供所述高度可调的伸缩杆穿过的第二通孔。
6.根据权利要求5所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述第一通孔为两个，两个第一通孔以所述模型中间段中心对称布置。
7.根据权利要求5所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述高度可调的伸缩杆包括同轴套接的内杆和外杆，内杆和外杆之间通过螺钉固定，位于上部的内杆顶部设有第一螺杆段，所述第一螺杆段穿过模型中间段底部所述第二通孔后与测力传感器底部的第二螺纹孔螺纹连接；
位于下部的外杆底部设有第二螺杆段，第二螺杆段与底盘螺纹连接。
8.根据权利要求5所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述模型中间段与模型首段连接的部分、以及模型中间段与模型尾端连接的部分分别设有供螺丝穿过的第三通孔，模型中间段、模型首段以及模型尾端之间通过螺丝固定连接。
9.根据权利要求5所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述测力传感器为三分力测力传感器，所述三分力测力传感器的顶端具有弧面，所述模型中间段为筒形，所述弧面与模型中间段的顶部内壁相适配。
10.根据权利要求1所述的水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，其特征在于，所述水下结构物模型采用聚氯乙烯材料制作。
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