CN1566916A - 用鼓型离心机模拟海浪的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用鼓型离心机模拟海浪的方法及其装置；该方法在鼓型离心机启动达到给定的离心加速度后，利用鼓型离心机的进水系统将水流入鼓型槽内，启动固定在鼓型槽内壁上的造波机产生行进波浪，并通过固定在鼓型槽内壁另一端的消波器进行消波处理；所述装置包括鼓型离心机和造波装置，其特征在于，造波装置安装在鼓型离心机的鼓型槽内，所述鼓型槽的外径为1－3米、径向深度为20－50厘米、轴向宽度为20－40厘米，所述的造波机包括一伺服电动机、一由曲柄轮和连接杆及摇板组成的曲柄摇板机构，伺服电动机通过一连接块固定于鼓型槽侧壁上，该伺服电动机采用闭环控制，所述的消波器布置在靠近摇板的鼓型槽侧壁上，在其中部设置一隔板。

Description

用鼓型离心机模拟海浪的方法及其装置

技术领域

本发明涉及用于海洋岩土工程、近海结构工程以及水利工程中的模拟海浪技术，特别涉及一种用鼓型离心机模拟海浪的方法及其装置。

背景技术

离心模拟技术的基本原理是将原型材料按照几何相似原理缩小N倍制备模型，并置于离心机所产生的N倍重力加速度的离心力场中进行试验，使模型达到与原型相同的应力状态。利用该项技术，可以在原型应力状态下观测研究与重力相关的岩土工程等问题，特别是可以用来研究工程中的破坏失稳问题，这对原型来说是难以做到的。

土工离心模拟技术已成功用于研究山体滑坡、地震引起的土体液化等重大工程问题。随着海洋石油天然气资源开采工业、港口工程等基础设施建设的迅速发展，建于海床上的海洋平台、海底管道等近海离岸结构物在波浪作用下的稳定性等问题，越来越受到工程界和学术界的重视，而离心机中的海浪模拟技术一直是开展此类研究的关键。目前土工离心机有两种形式：1)梁型离心机，该型离心机是通过梁臂旋转吊篮以产生高离心力场；2)鼓型离心机，该型离心机主要由鼓型槽和中央控制台及其附属部件组成，其中鼓型槽在高速旋转时产生高离心力场，而中央控制台既可与鼓型槽同步旋转，又可有相对运动。

现有的波浪发生装置的设计是基于梁型离心机的，例如，本申请人的专利号为ZL00205689.5的实用新型专利《离心机模拟波浪发生装置》就是在基于“梁型土工离心机”的模拟波浪的装置，利用该装置可以在梁型离心机中产生特定波长的行进波浪，但梁型离心机的构造使得波浪模拟受到很大约束，其主要不足有：(1)梁型离心机吊蓝尺寸小的特点，限制了波浪参数的模拟范围；(2)所采取的格栅式消波器只对特定范围波长(即波长约为格栅与端壁距离的4倍)的波浪有较好的消波效果；(3)梁型离心机的一体式设计约束了试验的可操作性。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有梁型离心机波浪发生装置的模拟波浪参数范围小、试验可操作性差等不足，从而提供一种用鼓型离心机模拟海浪的方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：本发明为一种用鼓型离心机模拟海浪的方法，该方法在鼓型离心机启动达到给定的离心加速度后，利用鼓型离心机的进水系统将水流入鼓型槽内，当鼓型槽内水深达到预定深度时停止进水，启动固定在鼓型槽内壁上的造波机产生行进波浪，并通过固定在鼓型槽内壁另一端的消波器进行消波处理。

在鼓型离心机启动达到给定的离心加速度后，首先通过砂土导管将砂样漏斗中的砂土洒向鼓型槽内制备成一层厚度小于鼓型槽深度的一半的土层，用以模拟海床；再利用鼓型离心机的进水系统将水从鼓型槽底部的进水口缓慢渗入鼓型槽内制备好的土层中，排出土层内部的空气使土层饱和；然后，当鼓型槽内水深达到预定深度时停止进水，启动固定在鼓型槽内壁上的造波机产生行进波浪，并通过固定在鼓型槽内壁另一端的消波器进行消波处理。

所述的预定深度小于鼓型槽深度的3/4。

所述的砂土导管的下部安装在位于鼓型离心机中央控制台上的升降装置上，与中央控制台一起转动，并随升降装置沿鼓型槽作轴向运动。

中央控制台通过第二伺服电动机驱动，并通过一离合变速装置与鼓型槽之间产生相对转动；砂土导管的下部出口既可随着中央控制台一起转动，又可随中央控制台上的升降装置一起沿鼓型槽轴向宽度方向作往复运动，以制备均匀的土样；造波装置采用闭环控制的方式准确控制波浪频率，而所产生波浪的波高可通过改变曲柄长度来调节。

一种用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，该装置包括鼓型离心机和造波装置；鼓型离心机固定在井筒型基础上，由鼓型槽和中央控制台组成，造波装置由造波机和消波器组成，其特征在于，造波装置安装在鼓型离心机的鼓型槽内，该鼓型槽和中央控制台分别由各自的伺服电动机驱动，两者之间还设有离合变速装置；所述的造波机包括一伺服电动机通过一连接块固定于鼓型槽侧壁上，该伺服电动机采用闭环控制，摇板通过铰接的方式安装在鼓型离心机鼓型槽的底板上，曲柄轮安装在伺服电动机的主轴上，并通过连接轴和轴承与连接杆的一端连接，连接杆的另一端通过铰链用螺栓和销轴连接在摇板上端，所述的消波器布置在靠近摇板的鼓型槽侧壁上，在其中部设置一隔板。

所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，还包括一砂样制备装置，该砂样制备装置的砂样漏斗通过转向节安装在鼓型离心机的防护罩上，砂土导管的上部与砂样漏斗底部相连接，下部安装在位于鼓型离心机中央控制台上的升降装置上。

所述的曲柄轮分布着两个以上位于不同半径的镙孔，通过调节不同孔位来改变曲柄长度，从而改变摇板的摆角，以产生不同波高的波浪。

所述的鼓型槽内壁上还固定有一激光位移传感器，用于监控摇板的运动。

所述的鼓型槽内壁上还安装有波高仪，用于测量所产生波浪的波高。

所述的砂土导管的下端安装在位于中央控制台上的升降装置上，可沿鼓型槽的轴向运动。

所述的造波机的伺服电动机外面设置有保护罩，起固定电动机和防水的作用，以避免潮湿环境对电动机电路的影响。

所述的消波器由网状不锈钢板制成，呈对称的斜坡形状，上面铺设蜂窝状的织物。

所述的鼓型槽的电动机和中央控制台的电动机同时采用伺服电动机。

所述鼓型槽的外径为1-3米、径向深度为20-50厘米、轴向宽度为20-40厘米。

本发明的优点在于：本发明用鼓型离心机模拟海浪的方法及其装置，利用鼓型离心机的鼓型槽圆周长度较梁型离心机箱型吊篮长度大的优势，并采用闭环控制的曲柄摇板造波方法，可以产生频率范围广而且频率可准确控制的行进波浪；并且，消波器的消波效果不受来所产生波浪的频率或波长限制，达到更好的消波效果，同时，由于鼓型离心机的中央控制台和鼓型槽的分离设计使得土样制备和波浪试验更加便于操作。

本发明的目的、特征及优点将通过优选的实施例结合附图加以说明。

图面说明

图1是本发明用鼓型离心机模拟海浪的一装置的结构示意图

图2是本发明用鼓型离心机模拟海浪的又一装置的结构示意图

图3是图1中的鼓型槽沿A-A线的剖面图

图4是图3沿B-B线的剖面图

图5是本发明用鼓型离心机模拟海浪装置中曲柄摇板机构的局部放大示意图

附图标示

砂样漏斗1             转向节2              压缩空气导管3

防护罩4               砂土导管5            鼓型槽6

中央控制台7           升降装置8            中央控制台托板9

鼓型槽托台10          数字采集计算机11     内轴12

外轴13                第一滑环14           第一伺服电动机15

离合变速装置16            第二伺服电动机17           第二滑环18

消波器19                  隔板20                     曲柄轮21

连接杆22                  摇板23                     激光位移传感器24

鼓型槽底板25              波高仪26                   鼓型槽侧壁27

连接块28                  第三伺服电动机29           电动机保护罩30

连接轴31                  轴承32                     铰链用螺栓33

销轴34                    槽形连接块35

具体实施方式

参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案。

实施例1

制作一实施用鼓型离心机模拟海浪方法的专用装置，如附图1、3、4、5所示。该装置由鼓型离心机、造波装置两大部分组成。

如附图1和图3所示，鼓型离心机包括：防护罩4、位于防护罩4内的鼓型槽6、位于鼓型槽6内的中央控制台7、中央控制台7上的升降装置8、中央控制台托板9、鼓型槽托台10、安装在鼓型槽托台10底部的数字采集计算机11、与中央控制台托板9相连的内轴12、与鼓型槽托台10相连的外轴13、用于驱动外轴13的第一伺服电动机15、用于驱动内轴12的第二伺服电动机17、内轴12和外轴13之间还设置一离合变速装置16、安装在外轴13上的第一滑环14和安装在内轴12上的第二滑环18。第一滑环14的内环通过布置于外轴13上的数据传递线和导线分别与数字采集计算机11和第三伺服电动机29相连接，第二滑环18的内环通过布置于内轴12上的导线与中央控制台7上的监控摄像头相连接；而第一滑环14和第二滑环18两者的外环则分别与地面控制室里的电力供给设备、计算机控制系统相连接。

如图3、4、5所示，该造波装置由安装在离心机鼓型槽内的造波机和消波器19组成，造波机包括第三伺服电动机29，该第三伺服电动机29通过电动机保护罩30进行防水设计，并通过连接块28固定于鼓型槽6的侧壁上，第三伺服电动机29主轴上固定有曲柄轮21、曲柄轮21上在不同半径位置处设置多个镙孔，连接杆22的一端穿过连接杆上的轴承32内圈、通过连接轴31与曲柄轮21不同半径处的镙孔连接，另一端与通过铰链用螺栓33和销轴34连接在摇板23的上端，摇板23通过铰接的方式安装在鼓型离心机鼓型槽6的底板上；所述的消波器19由网状不锈钢板制成的呈对称的斜坡形状，其上还铺设有蜂窝状的织物，布置在靠近摇板的鼓型槽侧壁上，在消波器19的中部还设置一隔板20。

本例中，鼓型槽6内壁上还固定有一激光位移传感器24和一波高仪26，激光位移传感器24用于监控摇板23的运动，波高仪26用于测量所产生波浪的波高。

在该装置上，本发明方法是这样实施的：

(1)高离心力场的产生

在第二伺服电动机17的驱动下，鼓型槽6产生旋转。在不同的转速V下，鼓型槽内不同半径r处将产生相应的离心加速度a(a＝V²/r)。

(2)造波系统

开启鼓型槽底板侧壁27上的进水口，使水以较快的速度流入鼓型槽6内，达到预定水深。采用第三伺服电动机29驱动曲柄摇板机构的方式造波，摇板的运动通过固定在鼓型槽壁27的激光位移传感器24监控。曲柄摇板机构主要由曲柄轮21、连接杆22和摇板23组成。摇板23的周期运动在其两侧均会产生波浪。在摇板23的对面偏左位置布置消波器19，以吸收两侧来波的能量。摇板23的右侧为可利用的试验段，该段可取长一些，以充分利用鼓型槽的圆周长度。消波器19设计成对称的斜坡形状，且其中央布置的隔板20，以减少两侧波浪互相干扰。此类消波装置的消波效果不受来波的频率或波长的影响。

波浪试验结束后，水通过排水系统排出鼓型槽6，等到离心机停止运转后再取出土样。

实施例2

制作一实施用鼓型离心机模拟海浪方法的专用装置，如附图2、3、4、5所示。该装置由鼓型离心机、造波装置和砂样制备装置三大部分组成。

如图2所示，砂样漏斗1通过转向节2固定在鼓型离心机防护罩上，砂土导管5经过压缩空气导管3和砂样漏斗1连通，在压缩空气的作用下砂土导管5内的砂土更便于流入离心机鼓型槽6内，砂土导管5的下部出口安装在位于鼓型离心机中央控制台7上的升降装置8上，砂土导管5的下部出口既可随着中央控制台7一起转动，又可随中央控制台7上的升降装置8一起沿鼓型槽6的轴向宽度方向作往复运动，以制备均匀的土样。

如图2和图3所示，鼓型离心机包括：位于防护罩4内的鼓型槽6、位于鼓型槽6内的中央控制台7、中央控制台7上的升降装置8、中央控制台托板9、鼓型槽托台10、安装在鼓型槽托台10底部的数字采集计算机11、与中央控制台托板9相连的内轴12、与鼓型槽托台10相连的外轴13、用于驱动外轴13的第一伺服电动机15、用于驱动内轴12的第二伺服电动机17、内轴12和外轴13之间还设置一离合变速装置16、安装在外轴13上的第一滑环14和安装在内轴12上的第二滑环18。第一滑环14的内环通过布置于外轴13上的数据传递线和导线分别与数字采集计算机11和第三伺服电动机29等动力装置相连接，第二滑环18的内环通过布置于内轴12上的导线与中央控制台7上的升降装置8及监控摄像头等电力装置相连接；而第一滑环14和第二滑环18两者的外环则分别与地面控制室里的电力供给设备、计算机控制系统相连接。

如图3、4、5所示，该造波装置由安装在离心机鼓型槽内的造波机和消波器19组成，造波机包括第三伺服电动机29，该第三伺服电动机29通过电动机保护罩30进行防水设计，并通过连接块28固定于鼓型槽6的侧壁上，第三伺服电动机29主轴上固定有曲柄轮21、曲柄轮21上在不同半径位置处设置多个镙孔，连接杆22的一端穿过连接杆上的轴承32内圈、通过连接轴31与曲柄轮21不同半径处的镙孔连接，另一端与通过铰链用螺栓33、销轴34和槽形连接块35连接在摇板23的上端，摇板23通过铰接的方式安装在鼓型离心机鼓型槽6的底板上；所述的消波器19由网状不锈钢板制成的呈对称的斜坡形状，其上还铺设有蜂窝状的织物，布置在靠近摇板的鼓型槽侧壁上，在消波器19的中部还设置一隔板20。

本例中，鼓型槽6内壁上还固定有一激光位移传感器24和一波高仪26，激光位移传感器24用于监控摇板23的运动，波高仪26用于测量所产生波浪的波高。

在该装置上，本发明方法是这样实施的：

(1)高离心力场的产生

在第二伺服电动机17的驱动下，鼓型槽6产生旋转。在不同的转速V下，鼓型槽内不同半径r处将产生相应的离心加速度a(a＝V²/r)。

  (2)模拟海床土样的制备

  在给定的离心加速度下，放置于砂样漏斗1中的砂土在压缩空气导管3内压缩空气的辅助作用下，流经砂土导管5进入鼓型槽6内；砂土导管5安装在位于中央控制台7上的砂土导管升降装置8上，使得砂土导管5可以沿鼓型槽轴向作往复运动。与内轴12连接的中央控制台通过第二伺服电动机17驱动，而与外轴13连接的鼓型槽托台及置于其上的鼓型槽则可通过第一伺服电动机15驱动。通过离合变速装置16，中央控制台7与鼓型槽6之间可以产生相对运动。这样，砂土导管下端可同时沿鼓型槽轴向和环向作往复曲线运动，制备一定厚度的土层，用以模拟海床。

另外，在鼓型离心机的鼓型槽底板25和侧壁27均配有进水和排水系统。当土层制备完成后，水可以从鼓型槽底板的进水口缓慢流入，排出砂土内部的空气使砂土饱和同时注意避免水流冲坏土层结构。利用中央控制台上的摄像头发现水渗出砂土表面后，停止从鼓型槽底板的进水口进水。

(3)造波系统

开启鼓型槽底板侧壁27上的进水口，使水以较快的速度流入鼓型槽6内，达到预定水深。采用第三伺服电动机29驱动曲柄摇板机构的方式造波，摇板的运动通过固定在鼓型槽壁27的激光位移传感器24监控。曲柄摇板机构主要由曲柄轮21、连接杆22和摇板23组成。摇板23的周期运动在其两侧均会产生波浪。在摇板23的对面偏左位置布置消波器19，以吸收两侧来波的能量。摇板23的右侧为可利用的试验段，该段可取长一些，以充分利用鼓型槽的圆周长度。消波器19设计成对称的斜坡形状，且其中央布置的隔板20，以减少两侧波浪互相干扰。此类消波装置的消波效果不受来波的频率或波长的影响。

波浪试验结束后，水通过排水系统排出鼓型槽6，等到离心机停止运转后再取出土样。

Claims (13)

1、一种用鼓型离心机模拟海浪的方法，该方法在鼓型离心机启动达到给定的离心加速度后，利用鼓型离心机的进水系统将水流入鼓型槽内，当鼓型槽内水深达到预定深度时停止进水，启动固定在鼓型槽内壁上的造波机产生行进波浪，并通过固定在鼓型槽内壁另一端的消波器进行消波处理。

2、按权利要求1所述的用鼓型离心机模拟海浪的方法，其特征在于，在鼓型离心机启动达到给定的离心加速度后，首先通过砂土导管将砂样漏斗中的砂土洒向鼓型槽内制备成一层厚度小于鼓型槽深度的一半的土层，用以模拟海床；再利用鼓型离心机的进水系统将水从鼓型槽底部的进水口缓慢渗入鼓型槽内制备好的土层中，排出土层内部的空气使土层饱和；然后，当鼓型槽内水深达到预定深度时停止进水，启动固定在鼓型槽内壁上的造波机产生行进波浪，并通过固定在鼓型槽内壁另一端的消波器进行消波处理。

3、按权利要求1或2所述的用鼓型离心机模拟海浪的方法，其特征在于，所述的预定深度小于鼓型槽深度的3/4。

4、按权利要求2所述的用鼓型离心机模拟海浪的方法，其特征在于，所述的砂土导管的下部安装在位于鼓型离心机中央控制台上的升降装置上，与中央控制台一起转动，并随升降装置沿鼓型槽作轴向运动。

5、一种权利要求1所述的用鼓型离心机模拟海浪方法的专用装置，该装置包括鼓型离心机和造波装置；鼓型离心机固定在井筒型基础上，由鼓型槽和中央控制台组成，造波装置由造波机和消波器组成，其特征在于，造波装置安装在鼓型离心机的鼓型槽内，该鼓型槽和中央控制台分别由各自的伺服电动机驱动，两者之间还设有离合变速装置；所述的造波机包括一伺服电动机通过一连接块固定于鼓型槽侧壁上，该伺服电动机采用闭环控制，摇板通过铰接的方式安装在鼓型离心机鼓型槽的底板上，曲柄轮安装在伺服电动机的主轴上，并通过连接轴和轴承与连接杆的一端连接，连接杆的另一端通过铰链用螺栓和销轴连接在摇板上端，所述的消波器布置在靠近摇板的鼓型槽侧壁上，在其中部设置一隔板。

6、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，还包括一砂样制备装置，该砂样制备装置的砂样漏斗通过转向节安装在鼓型离心机的防护罩上，砂土导管的上部与砂样漏斗底部相连接，下部安装在位于鼓型离心机中央控制台上的升降装置上。

7、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述的曲柄轮上还分布有两个以上位于不同半径处的镙孔。

8、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述的鼓型槽内壁上还固定有一激光位移传感器。

9、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述的鼓型槽内壁上还安装有波高仪。

10、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述的造波机的伺服电动机外面设置有保护罩。

11、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述的消波器由网状不锈钢板制成，呈对称的斜坡形状，上面铺设蜂窝状的织物。

12、按权利要求5所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述的鼓型槽的电动机和中央控制台的电动机同时采用伺服电动机。

13、按权利要求1-12中的任一项所述的用鼓型离心机模拟海浪的专用装置，其特征在于，所述鼓型槽的外径为1-3米、径向深度为20-50厘米、轴向宽度为20-40厘米。

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