一种水下多点激励拟动力试验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水下多点激励拟动力试验系统，其特征是设置由支座支承的盛有水体的透明水箱，水箱底板为平面结构；在水箱中设置悬浮在水体中的水中悬浮隧道模型；在水中悬浮隧道模型的下方呈水平设置激励机构，并用锚索连接激励机构与水中悬浮隧道模型；多组激励机构沿纵向间隔设置，锚索在各组激励机构与水中悬浮隧道模型上各激励点之间一一对应相连接，形成多点激励机构；设置驱动机构，用于驱动激励机构在横向、纵向和竖直方上的直线往复运动；纵向是指与水中悬浮隧道模型的轴线平行的方向。本发明既能满足大型结构模型尺寸方面的要求，又能够再现地震动和结构反应，为研究水下长细结构地震反应机制和抗震设计提供一个强有力的手段。
【专利说明】一种水下多点激励拟动力试验系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拟动力实验系统，更具体地说是涉及一种水下模拟长细结构在地震作用下结构动力反应的试验系统。
【背景技术】
[0002]近些年来，海洋资源的开采活动日益频繁，海底输油、气管道的数量以惊人的速度增加，海底油气管道的建设蓬勃发展。同时人们也将对于海洋的利用拓展到交通领域，水中悬浮隧道的研究开始步入人们的视野。
[0003]与跨越江河湖海的其他交通方式相比，水中悬浮隧道有其独有的优势，例如运营期间不影响水路航运；能保护原有水域自然风光；不受恶劣气候的影响，保证交通全天候正常通行等。但是，外海地震频繁，尤其是近些年来世界各地地震海嘯的频频发生，给人类带来了极大的灾难，也逐渐引起了人们对海洋地震动力的关注和研究。外海地震所引起的地壳变化对于埋设在海床以下或裸露于海床表面的管线，潜在的危险性非常大。因此，研究水下长细结构在地震作用下的动力反应对于海洋工程建设具有非常重要的意义。
[0004]由于地震机制和结构抗震性能的复杂性以及理论的局限性，仅从理论上分析还不能完全揭示结构在地震作用下的反应过程和破坏机理，特别是对大型复杂结构、超出抗震设计规范规定的结构和新型结构体系，实施前必须进行抗震实验研究。目前国内外陆地上模拟地震试验设备发展已相对比较成熟，现有的模拟地震平台、模拟地震屋等，多点地震输入采用一致的激励方式，在机械结构上实现水平方向筛动，垂直方向升降和震动，以模拟地震横波、纵波和震动效果，造价多达几千万。而对于水下长细结构在地震作用下的动力反应通常是采用理论方法进行研究，虽然目前已有极少数的高校建设有水下振动台，但只能实现同步一致地震输入，不能实现多点多维地震输入，同时由于台面几何尺寸和激励功能的限制，也只能进行缩尺的较短模型结构实验，而且造价昂贵。
[0005]水中长细结构跨度大，锚固点之间距尚相对较大，地震输入呈现多点多维的特征。考虑空间效应的多点地震输入不同锚索处地震波呈现相位差异，且长细结构跨度相对空间较大，振动台实验模拟难度非常大，目前国内尚未见能够实现这一功能的试验设备。
【发明内容】
[0006]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种水下多点激励拟动力试验系统，既能满足大型结构模型尺寸方面的要求，又能够再现地震动和结构反应，为研究水下长细结构地震反应机制和抗震设计提供一个强有力的手段。
[0007]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0008]本发明水下多点激励拟动力试验系统的结构特点是:设置由支座支承的盛有水体的透明水箱，水箱底板为平面结构；在水箱中设置悬浮在水体中的水中悬浮隧道模型；在所述水中悬浮隧道模型的下方呈水平设置激励机构，并用锚索连接所述激励机构与水中悬浮隧道模型；多组激励机构沿纵向间隔设置，锚索在各组激励机构与水中悬浮隧道模型上各激励点之间一一对应相连接，形成多点激励机构；设置驱动机构，用于驱动所述激励机构在横向、纵向和竖直方上的直线往复运动；所述纵向是指与所述水中悬浮隧道模型的轴线平行的方向。
[0009]本发明水下多点激励拟动力试验系统的结构特点也在于:
[0010]所述激励机构为三层激励板，分别是在底部以弹簧支撑的下激励板、以配合设置的纵向滑轨和纵向滑块支撑在下激励板顶面上的中激励板，以及以配合设置的横向滑轨和横向滑块支撑在中激励板顶面上的上激励板；所述锚索定位连接在上激励板上；所述驱动机构对应于三层激励板独立设置各作动器，分别是用于驱动上激励板横向直线往复运动的横向作动器、用于驱动中激励板纵向直线往复运动的纵向作动器，以及用于驱动下激励板竖向往复运动的竖向作动器。
[0011]在水箱底板上开设有窗口，上激励板置于所述水箱底板的窗口中，所述上激励板的周边与窗口的周边通过柔性聚合物连接件封闭连接；所述柔性聚合物连接件设置为波浪形，以使上激励板在窗口位置上具有横向、纵向和竖向的直线往复运动裕量；所述中激励板和下激励板，以及各作动器均处在水箱外部。
[0012]本发明水下多点激励拟动力试验系统的结构特点还在于:
[0013]所述纵向滑轨的横断面结构为:“T”形滑轨在两侧对称为以矩形边向内盘旋；所述纵向滑块以相应的形状与纵向滑轨形成套叠；
[0014]所述横向滑轨的横断面结构为:“Τ”形滑轨在两侧对称为以矩形边向内盘旋；所述横向滑块以相应的形成与横向滑轨形成套叠。
[0015]更进一步地:
[0016]所述激励机构共有四组，从左往右依次为第一激励机构、第二激励机构、第三激励机构和第四激励机构，所述第一激励机构、第二激励机构的纵向作动器位于水箱左端，所述第三激励机构和第四激励机构的纵向作动器位于水箱右端；
[0017]用于驱动第四激励机构的第四纵向作动器是通过直杆与所述第四激励机构中的下激励板联动；
[0018]用于驱动第三激励机构的纵向作动器为同步动作的一对第三纵向作动器，设置“Y”形传动杆，所述“Y”形传动杆的直杆端与所述第三激励机构的下激励板相连接，“Y”形传动杆的“V”形杆端分别与所述一对第三纵向作动器相连接。
[0019]更进一步地:
[0020]设置限位结构，是在上激励板的侧部固定设置一碗形盖，在碗形盖的内部空腔中放置滑动板，滑动板的两侧板平面上分别呈阵列设置可定心滚动的钢球；与横向作动器相连接的传动杆固定连接在滑动板的外侧板平面上；碗形盖在沿横向作动器的作用方向上将滑动板抵于上激励板的侧部，避免滑动板在沿横向作动器的作用力方向上形成与上激励板之间的窜动；位于碗形盖中的滑动板能够在垂直于横向作动器的作用力方向的平面上任意平移；在碗形盖的盖板上开设足够大小的盖孔，与横向作动器相连接的传动杆贯穿盖孔，盖孔既满足滑动板在碗形盖中的平移，又要能保证滑动板与上激励板不脱离。
[0021]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0022]1、本发明既能满足大型结构模型尺寸方面的要求，又能够再现地震动和结构反应，为研究水下长细结构地震反应机制和抗震设计提供一个强有力的手段。[0023]2、本发明可用于实现水下多点差异输入地震模拟实验，在给定地震参数下，实现同步或异步位移加载，从而模拟定位在激励机构上的水下结构在地震波作用下的动力反应。
[0024]3、本发明通过设置直线式电液伺服作动器，每个作动器可以由单片机单独控制，可实现同步或异步荷载和位移，不仅能够模拟固定在激励板上的水下结构在地震波作用下的动力反应，而且大大节省了试验成本。
[0025]4、本发明系统可在一台计算机控制下根据需要对每个独立的控制系统设置控制参数，从而完成给定的波形试验。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明结构示意图；
[0027]图2为本发明中锚索定位结构示意图；
[0028]图3为本发明中上激励板与水箱底板之间连接结构示意图；
[0029]图4为本发明中激励机构主视图；
[0030]图5为本发明中激励机构侧视图；
[0031]图6a为本发明纵向作动器传动杆示意图；
[0032]图6b为本发明纵向作动器传动杆另一形式示意图；
[0033]图7为本发明中针对激励板设置的滚动支撑限位结构示意图；
[0034]图中标号:I支座，2水箱，3悬浮隧道模型，4管段连接件，5消波滤网，6锚索，7柔性聚合物连接件，8密封胶条，9激励机构，IOa “Y”形传动杆，IOb直杆，11横向作动器，12竖向作动器，13纵向作动器，13a第三纵向作动器，13b第四纵向作动器，14连杆，15水箱底板，16a纵向滑块，16b纵向滑轨，16c横向滑块，16d横向滑轨，17弹簧，18碗形盖，19滑动板，20钢球。
【具体实施方式】
[0035]本实施例中水下多点激励拟动力试验系统是针对水中悬浮隧道模型3，也可应用于由单一或多个管道组成的悬浮隧道模型，悬浮隧道模型3采用PVC圆形管道，按悬浮的要求加铅环进行配重，试验过程中水箱中的水面应高于悬浮隧道模型3的顶部。
[0036]参见图1、图2，本实施例中设置盛有水体的透明水箱2，水箱底板15为平面结构，并由支座I支承；在水箱2中设置悬浮在水体中的水中悬浮隧道模型3 ;在水中悬浮隧道模型3的下方呈水平设置激励机构9，并用锚索6连接激励机构9与水中悬浮隧道模型3 ;多组激励机构9沿纵向间隔设置，锚索6在各组激励机构9与水中悬浮隧道模型3上各激励点之间一一对应相连接，形成多点激励机构；设置驱动机构，用于驱动激励机构9在横向、纵向和竖直方上的直线往复运动；纵向是指与水中悬浮隧道模型3的轴线平行的方向。
[0037]图1中所示的水中悬浮隧道模型3是以左段模型和右段模型在中部以管段连接件4相联结形成左右对称结构；多点激励机构对应于左段模型和右段模型呈左右对称分布；在实验水箱的水面位置，位于水箱各周边安装有消波滤网5，消波滤网5的底部朝向水箱内侧倾斜，消波滤网5为多层网栅，各层网栅的网栅格从里层到外层由小到大，用于吸收在实验时由于动力作用引起水面振动而产生的波浪，图1中为便于表达仅在水箱的左侧给出了消波滤网5的示意。
[0038]参见图4、图5和图6，本实施例中激励机构9为三层激励板，分别是在底部以弹簧17支撑的下激励板9c、以配合设置的纵向滑轨16b和纵向滑块16a支撑在下激励板9c顶面上的中激励板％，以及以配合设置的横向滑轨16d和横向滑块16c支撑在中激励板9b顶面上的上激励板9a ;锚索6定位连接在上激励板9a上。如图3所示，在上激励板9a上间隔设置一系列连杆14，在各连杆14上分别设置连接点，锚索6可选择在不同位置的连接点上定位连接，通过改变锚索的固定位置来改变锚索的牵引角度，进行实现不同的锚索布置形式下的实验研究。
[0039]如图1所示，驱动机构对应于三层激励板独立设置各作动器，分别是用于驱动上激励板9a横向直线往复运动的横向作动器11、用于驱动中激励板9b纵向直线往复运动的纵向作动器13，以及用于驱动下激励板9c竖向往复运动的竖向作动器12。
[0040]图1、图3所示，本实施例中在水箱底板15上开设有窗口，上激励板9a置于水箱底板15的窗口中，上激励板9a的周边与窗口的周边通过柔性聚合物连接件7通过密封胶条8密封连接；柔性聚合物连接件7设置为如图3所示的波浪形，以使上激励板9a在窗口位置上具有横向、纵向和竖向的直线往复运动裕量；中激励板9b和下激励板9c，以及各作动器均处在水箱外部，由支座I支撑水箱2在适当高度上，以保证中激励板9b和下激励板9c,以及各作动器的安装和动作位置。
[0041]图5所示的纵向滑轨16b的横断面结构为:“T”形滑轨在两侧对称为以矩形边向内盘旋；纵向滑块16a以相应的形状与纵向滑轨16b形成套叠；图4所示的横向滑轨16d的横断面结构为:“T”形滑轨在两侧对称为以矩形边向内盘旋；横向滑块16c以相应的形成与横向滑轨16d形成套叠。这样的结构形式使得各层激励板在沿各自的滑轨的方向上准确导向、自由滑动，在不同方向上各作动器同时作用时，准确实现由下激励板带动中激励板进而带动上激励板的多维运动，避免各不同方向之间的相互影响。
[0042]本实施例中激励机构9共有四组，从左往右依次为第一激励机构、第二激励机构、第三激励机构和第四激励机构，第一激励机构、第二激励机构的纵向作动器位于水箱左端，第三激励机构和第四激励机构的纵向作动器位于水箱右端；
[0043]用于驱动第四激励机构的第四纵向作动器13b是通过图6a所示的直杆IOb与第四激励机构中的下激励板实现联动；
[0044]用于驱动第三激励机构的纵向作动器为同步动作的一对第三纵向作动器13a，设置如图6b所示的“Y”形传动杆10a，“Y”形传动杆IOa的直杆端与第三激励机构的下激励板相连接，“Y”形传动杆IOa的“V”形杆端分别与一对第三纵向作动器13a螺纹连接；这一结构设置使得一对第三纵向作动器13a及第四纵向作动器13b可以布置在同一平面上，并且避免在相互之间形成干扰。
[0045]具体实施中，如图7所示，以上激励板9a为例，为了使得上激励板9a在获得竖向往复运动的激励、以及在获得纵向往复运动的激励时，与其相连接的横向作动器11不在竖向和纵向形成随动，可以设置一限位结构，是在上激励板9a的侧部固定设置一碗形盖18，在碗形盖18的内部空腔中放置滑动板19，滑动板19的两侧板平面上分别呈阵列设置可定心滚动的钢球20 ;与横向作动器11相连接的传动杆固定连接在滑动板19的外侧板平面上；碗形盖18在沿横向作动器11的作用方向上将滑动板19抵于上激励板的侧部，避免滑动板19在沿横向作动器11的作用力方向上形成与上激励板9a之间的窜动；位于碗形盖18中的滑动板19能够在垂直于横向作动器11的作用力方向的平面上任意平移；在碗形盖18的盖板上开设足够大小的盖孔，与横向作动器11相连接的传动杆贯穿盖孔，盖孔既要满足滑动板在碗形盖中的平移，又要能保证滑动板与上激励板不脱离。不仅如此，中激励板9b在纵向作动器13所在的一侧与图7所示结构相同。
[0046]具体实施中，动力信号的输入可以由MTS材料试验机来实现，采用力-位移控制模式，通过电液伺服作动器实现动力加载，作动器或通过传动杆或直接作用在对应的激励板上，每个作动器独立控制，可实现同步或异步荷载与位移，进而实现固定在激励板上的水下结构沿一个或多个方向的多点多维振动试验。
[0047]本实施例是以水中悬浮隧道为模型，相应的结构设置也可以是针对以石油、天然气开采中的各种水下长细结构。
【权利要求】
1.一种水下多点激励拟动力试验系统，其特征是:设置由支座(1)支承的盛有水体的透明水箱(2)，水箱底板(15)为平面结构；在水箱(2)中设置悬浮在水体中的水中悬浮隧道模型(3);在所述水中悬浮隧道模型(3)的下方呈水平设置激励机构(9)，并用锚索(6)连接所述激励机构(9)与水中悬浮隧道模型(3);多组激励机构(9)沿纵向间隔设置，锚索(6)在各组激励机构(9)与水中悬浮隧道模型(3)上各激励点之间一一对应相连接，形成多点激励机构；设置驱动机构，用于驱动所述激励机构(9)在横向、纵向和竖直方上的直线往复运动；所述纵向是指与所述水中悬浮隧道模型(3)的轴线平行的方向。
2.根据权利要求1所述的水下多点激励拟动力试验系统，其特征是:所述激励机构(9)为三层激励板，分别是在底部以弹簧(17)支撑的下激励板(9c)、以配合设置的纵向滑轨(16b)和纵向滑块(16a)支撑在下激励板(9c)顶面上的中激励板(9b)，以及以配合设置的横向滑轨(16d)和横向滑块(16c)支撑在中激励板(9b)顶面上的上激励板(9a);所述锚索(6)定位连接在上激励板(9a)上；所述驱动机构对应于三层激励板独立设置各作动器，分别是用于驱动上激励板(9a)横向直线往复运动的横向作动器(11)、用于驱动中激励板(9b)纵向直线往复运动的纵向作动器(13)，以及用于驱动下激励板(9c)竖向往复运动的竖向作动器(12) ο
3.根据权利要求2所述的水下多点激励拟动力试验系统，其特征是:在水箱底板(15)上开设有窗口，上激励板(9a)置于所述水箱底板(15)的窗口中，所述上激励板(9a)的周边与窗口的周边通过柔性聚合物连接件(7)封闭连接；所述柔性聚合物连接件(7)设置为波浪形，以使上激励板(9a)在窗口位置上具有横向、纵向和竖向的直线往复运动裕量；所述中激励板(％)和下激励板(9c)，以及各作动器均处在水箱外部。
4.根据权利要求2所述的水下多点激励拟动力试验系统，其特征是: 所述纵向滑轨(16b)的横断面结构为:“T”形滑轨在两侧对称为以矩形边向内盘旋；所述纵向滑块(16a)以相应的形状`与纵向滑轨(16b)形成套叠； 所述横向滑轨(16d)的横断面结构为:“T”形滑轨在两侧对称为以矩形边向内盘旋；所述横向滑块(16c)以相应的形成与横向滑轨(16d)形成套叠。
5.根据权利要求2所述的水下多点激励拟动力试验系统，其特征是: 所述激励机构(9)共有四组，从左往右依次为第一激励机构、第二激励机构、第三激励机构和第四激励机构，所述第一激励机构、第二激励机构的纵向作动器位于水箱左端，所述第三激励机构和第四激励机构的纵向作动器位于水箱右端； 用于驱动第四激励机构的第四纵向作动器(13b)是通过直杆(IOb)与所述第四激励机构中的下激励板联动； 用于驱动第三激励机构的纵向作动器为同步动作的一对第三纵向作动器(13a)，设置“Y”形传动杆(10a)，所述“Y”形传动杆(IOa)的直杆端与所述第三激励机构的下激励板相连接，“Y”形传动杆(IOa)的“V”形杆端分别与所述一对第三纵向作动器(13a)相连接。
6.根据权利要求2所述的水下多点激励拟动力试验系统，其特征是:设置限位结构，是在上激励板(9a)的侧部固定设置一碗形盖(18)，在碗形盖(18)的内部空腔中放置滑动板(19)，滑动板(19)的两侧板平面上分别呈阵列设置可定心滚动的钢球(20);与横向作动器(11)相连接的传动杆固定连接在滑动板(19)的外侧板平面上；碗形盖(18)在沿横向作动器(11)的作用方向上将滑动板(19)抵于上激励板的侧部，避免滑动板(19)在沿横向作动器(11)的作用力方向上形成与上激励板(9a)之间的窜动；位于碗形盖(18)中的滑动板(19)能够在垂直于横向作动器(11)的作用力方向的平面上任意平移；在碗形盖(18)的盖板上开设足够大小的盖孔，与横向作动器(11)相连接的传动杆贯穿盖孔，盖孔既满足滑动板在碗形盖中的 平移，又要能保证滑动板与上激励板不脱离。
【文档编号】G01M7/06GK103868669SQ201410115122
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】董满生, 王利娜, 林志, 蒋树屏, 李科, 徐忠江, 唐飞, 逄焕平, 侯超群, 孙志彬 申请人:合肥工业大学, 招商局重庆交通科研设计院有限公司