CN213397567U - 一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置，包括由四个立柱组成的支撑架，支撑架上设置有纵向撑杆、横向撑杆、垂向运动滑块、纵向运动滑块、横向运动滑块、敲击杆及加载控制台，通过加载控制台实现对垂向运动控制电机、纵向运动控制电机和横向运动控制电机的控制，进而对应的控制垂向运动滑块沿立柱的垂向运动、纵向运动滑块沿纵向撑杆的纵向运动和横向运动滑块沿横向撑杆的横向运动。本方案能够实现模型试验任意位置激励的加载，激励位置精确，重复试验下可保持激励位置和大小的恒定，有效提高模型试验测量精度；自动激励装置通过敲击杆进行激励加载，有效减少模型试验人力/物力成本，并提高安全性，具有更高的实际应用价值。

Description

一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置

技术领域

本实用新型属于船舶与海洋工程领域，具体涉及一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置。

背景技术

海洋平台、海上风机等海洋工程结构长期处于恶劣的海洋环境作用下，极易发生疲劳累积破坏，因而对其进行健康检测具有重要的意义。近年来，基于海洋工程结构动力特性的损伤检测方法得到大力发展，并通过模型试验、海上实测数据进行验证。

对海洋工程结构进行健康监测的基本前提是对结构的动力特性具备充分的认知。数值模拟、模型试验和海上实测是常用的三种技术手段。其中数值模拟过多的简化实际结构的边界条件以及存在模型误差等问题，海上实测环境受海试窗口、测试设备安装等难题的影响较大，因此模型试验是最为常用的技术手段，其基本思路是：根据相似理论设计加工实际海洋工程结构缩尺模型，通过人工施加相应的激励荷载，利用数据采集设备对待测参数进行测量，通过模态参数识别方法进行参数识别，最后对其结构的动力特性进行研究分析。

通过控制模型加工精度、采用先进的测试设备等手段能够保证模型试验测试的精度和稳定性，因此模型试验误差的主要来源是模型试验激励的加载是否准确。现有的模型试验中激励施加方式大都以人工激励为主，由实验人员手持力锤敲击结构施加激励；当前激励方式存在以下不足之处：(1)无法控制激励力的大小；(2)无法保证重复试验中敲击位置恒定准确；(3)结构内部构件复杂时无法实现内部杆件的激励；(4)大量重复试验时，费时费力，经济性差。

实用新型内容

本实用新型针对现有人工激励方式存在的无法保证敲击位置恒定等缺陷，提出一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置，通过垂向运动滑块、横向运动滑块和纵向运动滑块的配合设计实现特定点的激励的精准重复施加。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置，包括由四个立柱组成的支撑架，支撑架上设置有纵向撑杆、横向撑杆、垂向运动滑块、纵向运动滑块、横向运动滑块以及敲击杆，纵向撑杆和横向撑杆位于同一水平面上，所述敲击杆设置在横向运动滑块上，并与横向运动滑块同步运动；

所述横向撑杆包括后端横向撑杆、中部横向撑杆和前端横向撑杆，纵向撑杆与后端横向撑杆和前端横向撑杆通过垂向运动滑块与立柱相连，垂向运动滑块套设在立柱上，并通过一垂向运动控制电机驱动沿立柱进行垂向运动；

所述中部横向撑杆通过纵向运动滑块与纵向撑杆相连，纵向运动滑块套设在两侧的纵向撑杆上，通过一纵向运动控制电机驱动中部横向撑杆沿纵向撑杆进行纵向运动；所述横向运动滑块安装在横向撑杆上，通过一横向运动控制电机驱动沿横向撑杆进行横向运动。

进一步的，所述立柱包括圆柱、设置在圆柱底端的底部固定圆盘和设置在圆柱顶端的限位卡帽，底部固定圆盘上设有螺孔，通过高强螺栓固定于模型试验台或地面，顶部的限位卡帽用以防止垂向运动过大脱离圆柱。

进一步的，所述横向运动滑块包括后端横向运动滑块、中部横向运动滑块和前端横向运动滑块，三个横向运动滑块分别对应的设置在后端横向撑杆、中部横向撑杆和前端横向撑杆上，中部横向运动滑块上还设有纵向螺纹通孔，后端横向运动滑块和前端横向运动滑块上设有纵向通孔；敲击杆中部设有螺纹，敲击杆穿过横向运动滑块、中部横向运动滑块和前端横向运动滑块并通过中部横向运动滑块上的纵向螺纹通孔进行固定，敲击杆随同中部横向运动滑块沿纵向运动滑块进行纵向运动。

进一步的，所述敲击杆前端设置有可拆卸锤头，所述可拆卸锤头处设置有压力传感器，用于测量模型试验激励力的大小，所述可拆卸锤头可以根据模型实验需要，更换不同材质、尺寸和重量。

进一步的，所述垂向运动滑块套设在立柱上，且垂向运动滑块与一同步带固定连接，同步带的两端设置有同步轮，同步带上设置有与同步轮上的齿轮像啮合的齿轮条，其中一个同步轮与垂向运动控制电机相连，通过垂向运动控制电机驱动同步轮转动，进一步带动同步带运动，实现垂向运动滑块沿立柱的垂向运动。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

(1)本方案的激励装置能够实现模型试验任意位置激励的加载；激励位置精确，重复试验下仍可保持激励位置和激励大小的恒定，有效提高模型试验测量精度；

(2)结合加载控制台能够实现多种类型激励荷载的加载，对激励大小和作用时间可进行精确控制，获得更加稳定可靠的测量数据；

(3)自动激励装置通过敲击杆进行激励加载，有效减少模型试验中试验人员的操作环节，大大减少模型试验人力/物力成本，保障试验人员的人身安全，具有更高的实际应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述激励装置整体结构示意图；

图2为图1中立柱结构示意图；

图3为本实用新型实施例激励装置的局部细节示意图；

图4为滑块在电机驱动下的结构原理示意图；

其中，1、立柱；2、垂向运动滑块；3、纵向撑杆；4、纵向运动滑块；5、横向撑杆；6、横向运动滑块；7、冲击杆；8、加载控制台；9、同步带，91、同步轮；11、圆柱；12、底部固定圆盘；13、限位卡帽；51、后端横向撑杆；52、中部横向撑杆；53、前端横向撑杆；61、后端横向运动滑块；62、中部横向运动滑块；63、前端横向运动滑块。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例公开一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置，如图1所示，包括由四个立柱1组成的支撑架，支撑架上设置有纵向撑杆3、横向撑杆5、垂向运动滑块2、纵向运动滑块4、横向运动滑块6、敲击杆7及加载控制台8，纵向撑杆3和横向撑杆5位于同一水平面上；如图2所示，所述立柱1包括圆柱11、设置在圆柱11底端的底部固定圆盘12和设置在圆柱11顶端的限位卡帽13，底部固定圆盘12上设有螺孔，通过高强螺栓固定于模型试验台或地面，顶部的限位卡帽13用以防止垂向运动过大脱离圆柱11；

如图3所示，所述横向撑杆5包括后端横向撑杆51、中部横向撑杆52和前端横向撑杆 53，纵向撑杆3与后端横向撑杆51和前端横向撑杆53通过垂向运动滑块2与立柱1相连，垂向运动滑块2套设在立柱1上，形成整体垂向运动结构框架，通过垂向运动控制电机驱动沿立柱1进行垂向运动；所述中部横向撑杆52通过纵向运动滑块4(2个)与纵向撑杆3 相连，纵向运动滑块4套设在两侧的纵向撑杆3上，通过纵向运动控制电机驱动中部横向撑杆52沿纵向撑杆3进行纵向运动；所述横向运动滑块6安装在横向撑杆5上，通过横向运动控制电机驱动沿横向撑杆5进行横向运动；横向运动滑块6包括后端横向运动滑块61、中部横向运动滑块62和前端横向运动滑块63，三个横向运动滑块分别对应的设置在后端横向撑杆51、中部横向撑杆52和前端横向撑杆53上，中部横向运动滑块62上还设有纵向螺纹通孔，后端横向运动滑块61和前端横向运动滑块63上设有纵向通孔；所述敲击杆7中部设有螺纹，敲击杆7穿过横向运动滑块61、中部横向运动滑块62和前端横向运动滑块63并通过中部横向运动滑块62上的纵向螺纹通孔进行固定，敲击杆7随同中部横向运动滑块62沿纵向运动滑块4进行纵向运动；

继续参考图3，敲击杆7前端设置有可拆卸锤头72，所述可拆卸锤头72处设置有压力传感器，用于测量模型试验激励力的大小，并传输到计算机进行数值显示；所述可拆卸锤头72 可以根据模型实验需要，更换不同材质、尺寸；所述垂向运动滑块2、纵向运动滑块4和横向运动滑块6分别与垂向运动控制电机、纵向运动控制电机和横向运动控制电机相连，通过电脑向相应三个运动方向控制电机发送指令，实现敲击杆在三维空间范围内的自由运动。

通过电机驱动滑块运动的实现方式有多种且技术实现简单，本实施例中对此不做过多限制，如图4所示，对垂向运动滑块的运动原理做简单介绍，垂向运动滑块2套设在立柱1上，且垂向运动滑块2与一同步带9固定连接，同步带9的两端设置有同步轮91，同步带9上设置有与同步轮91上的齿轮相啮合的齿轮条，其中一个同步轮91与垂向运动控制电机相连，则通过垂向运动控制电机即可驱动同步轮转动，进一步通过咬合的齿轮驱动同步带运动，带动与其固定连接的垂向运动滑块在立柱上做垂向运动。四个立柱1均按上述设置，通过垂向运动控制电机控制四个立柱上同步轮同步转动，实现四个立柱上的垂向运动滑块的同步运动。对于纵向运动滑块运动原理和横向运动滑块运动原理与垂向运动控制原理相同，在此不做赘述。

当然，除了采用上述齿轮驱动方式外，也可以采用滑轮组合等替代方式实现滑块沿相对应立柱或撑杆的运动。

本方案所提出的海洋工程结构模型试验用激励加载装置的具体实施方法如下：

(1)移动自动激励装置到海洋平台/海上风机结构试验模型待加载激励位置面，通过高强螺栓将圆柱底部固定圆盘固定，从而实现整体激励装置结构的固定；

(2)根据具体模型实验要求，确定实验所使用的可拆卸敲击锤头类型、尺寸，并安装所选择的锤头；

(3)根据实验需要确定激励点，控制各个滑块移动，进而带动敲击杆移动至对应位置；具体实现方式为：实验人员可以向计算机分别输入垂向、纵向、横向的移动距离，计算机将相关指令传输给控制电机，由电机分别驱动垂向运动滑块、纵向运动滑块及横向运动滑块的运动，进而带动敲击杆移动至目标位置；

(4)根据实验要求，在计算机中选择激励力类型，并输入激励力大小、作用时间等相关特征；将指令传输给对应的电机，由电机控制纵向运动滑块运动，带动位于其上的横向运动滑块进行纵向运动，进一步带动固定于横向移动滑块上的敲击杆沿纵向运动，通过敲击杆前端的可拆卸锤头撞击激励点的方式施加相应的激励；

(5)操作人员可以根据实际敲击位置，对于敲击杆位置进行微调；可以根据力传感器传输回的实际产生的力的大小，对于输入计算机的激励力特征进行微调；

(6)根据所施加激励次数的不同，可通过单次敲击与多次重复敲击进行控制；根据所施加激励力的大小不同，可通过控制纵向运动滑块运动速度进行控制；根据所施加激励力的类型不同，可通过敲击次数以及敲击频率来控制。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种海洋工程结构模型试验用激励加载装置，其特征在于，包括由四个立柱(1)组成的支撑架，支撑架上设置有纵向撑杆(3)、横向撑杆(5)、垂向运动滑块(2)、纵向运动滑块(4)、横向运动滑块(6)以及敲击杆(7)，纵向撑杆(3)和横向撑杆(5)位于同一水平面上，所述敲击杆(7)设置在横向运动滑块(6)上，并与横向运动滑块(6)同步运动；

所述横向撑杆(5)包括后端横向撑杆(51)、中部横向撑杆(52)和前端横向撑杆(53)，纵向撑杆(3)与后端横向撑杆(51)和前端横向撑杆(53)通过垂向运动滑块(2)与立柱(1)相连，垂向运动滑块(2)套设在立柱(1)上，并通过一垂向运动控制电机驱动沿立柱(1)进行垂向运动；

所述中部横向撑杆(52)通过纵向运动滑块(4)与纵向撑杆(3)相连，纵向运动滑块(4)套设在两侧的纵向撑杆(3)上，通过一纵向运动控制电机驱动中部横向撑杆(52)沿纵向撑杆(3)进行纵向运动；所述横向运动滑块(6)安装在横向撑杆(5)上，通过一横向运动控制电机驱动沿横向撑杆(5)进行横向运动。

2.根据权利要求1所述的海洋工程结构模型试验用激励加载装置，其特征在于：所述立柱(1)包括圆柱(11)、设置在圆柱(11)底端的底部固定圆盘(12)和设置在圆柱(11)顶端的限位卡帽(13)，底部固定圆盘(12)上设有螺孔。

3.根据权利要求1所述的海洋工程结构模型试验用激励加载装置，其特征在于：所述横向运动滑块(6)包括后端横向运动滑块(61)、中部横向运动滑块(62)和前端横向运动滑块(63)，三个横向运动滑块分别对应的设置在后端横向撑杆(51)、中部横向撑杆(52)和前端横向撑杆(53)上，中部横向运动滑块(62)上还设有纵向螺纹通孔，后端横向运动滑块(61)和前端横向运动滑块(63)上设有纵向通孔；敲击杆(7)中部设有螺纹，敲击杆(7)穿过横向运动滑块(61)、中部横向运动滑块(62)和前端横向运动滑块(63)并通过中部横向运动滑块(62)上的纵向螺纹通孔进行固定，敲击杆(7)随同中部横向运动滑块(62)沿纵向运动滑块(4)进行纵向运动。

4.根据权利要求1所述的海洋工程结构模型试验用激励加载装置，其特征在于：所述敲击杆(7)前端设置有可拆卸锤头(72)，所述可拆卸锤头(72)处设置有压力传感器。

5.根据权利要求1所述的海洋工程结构模型试验用激励加载装置，其特征在于：所述垂向运动滑块(2)套设在立柱(1)上，且垂向运动滑块(2)与一同步带(9)固定连接，同步带(9)的两端设置有同步轮(91)，同步带(9)上设置有与同步轮(91)上的齿轮相啮合的齿轮条，其中一个同步轮(91)与垂向运动控制电机相连，通过垂向运动控制电机驱动同步轮(91)转动，进一步带动同步带(9)运动，实现垂向运动滑块(2)沿立柱(1)的垂向运动。

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