一种波浪砰击载荷测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋工程和机械工程领域，尤其是涉及一种波浪砰击载荷测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]对于恶劣海况中海洋工程结构物的设计，能否精准地测量其在波浪作用下的砰击载荷非常关键。在某些海区，海上结构物是基于千年甚至万年一遇的极端环境来设计，那么极端海浪砰击产生的局部和总体载荷通常被作为重点特征参数，由此能否提供一个砰击载荷方面合理准确的评估对海洋工程结构物的安全设计至关重要。
[0003]迄今为止，还不存在任何可靠的数值预报算法来测定破浪砰击对海上结构物的影响。模型试验这一方法仍是用来确定波浪砰击对海上结构物影响的行业惯例。
[0004]准确地测定波浪砰击载荷的模型试验非常具有挑战性，对压力传感器及其布置要求苛刻。不仅要求传感器大小尺寸适宜、量程足够、采样率高、真实反映砰击过程中的动态特性，更需要整套装置的谐振频率足够大，能够最大程度减弱共振带来的干扰。
[0005]中国专利CN1458506A公开了一种海洋波浪载荷的测量方法，包括下列步骤:a.在海洋平台导管适当位置以悬挂方式套装一刚性圆筒;b.在刚性圆筒与导管之间，沿其轴向间隔适当距离设置有至少两组测力传感器;c.测力传感器检测海洋波浪对刚性圆筒的作用力，并将检测到的数据传递给现有的数据处理装置进行处理。同时该专利还公开了一种悬挂式海洋波浪载荷测力装置，包括刚性圆筒、测力传感器和若干连接装置。该专利采用悬挂式测量方式，易受到风力等其他震动影响，导致测量结果不准确。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种波浪砰击载荷测量装置及方法，以达到精密测定任意区域波浪、水柱作用于海洋结构物、试验模型表面的砰击载荷。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]—种波浪砰击载荷测量装置包括固定壳体，以及分别设于固定壳体内的测力板和单分力传感器，所述单分力传感器为多个，多个单分力传感器沿轴向在固定壳体内均布设置，所述测力板抵着多个单分力传感器的触头，所述固定壳体上设有安置测力板的中空区域。
[0009]所述单分力传感器的数量为四的整数倍。
[0010]所述固定壳体通过预埋件内嵌于海洋平台上，所述测力板外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐。
[0011]所述测力板外表面覆盖有用于防水的橡胶薄膜。
[0012]所述固定壳体包括外壳、固定于外壳内的底座和盖设在外壳顶面的顶盖，所述底座为中空结构，所述测力板和单分力传感器分别设于底座的腔体内，所述中空区域设于顶盖上。
[0013]所述底座的腔体内设有多个固定单分力传感器的固定槽，所述固定槽的内壁上设有侧向固定螺丝孔和微型丝杠，所述微型丝杠设于侧向固定螺丝孔内并在侧向上固定单分力传感器。
[0014]所述测力板上设有多个与单分力传感器的触头对应紧密配合的凹槽。
[0015]—种利用上述装置的波浪砰击载荷测量方法包括以下步骤:
[0016]1)对组装后的波浪砰击载荷测量装置进行指标鉴定；
[0017]2)在海洋平台的待测量区域上内嵌多个指标鉴定合格后的波浪砰击载荷测量装置，测力板外表面与海洋平台待测量区域的外表面平齐；
[0018]3)单分力传感器检测波浪对测力板的单分力数值，通过检测到的单分力数值得到波浪砰击载荷。
[0019]所述步骤1)具体为:
[0020]11)将两个组装后的波浪砰击载荷测量装置对称设于试验楔形体内，该试验楔形体底面设有两个对称、形成尖角的倾斜面，测力板的外表面与倾斜面的外表面平齐；
[0021 ] 12)通过激震力锤鉴定试验和楔形体自由下落鉴定试验进行指标鉴定；
[0022]所述激震力锤鉴定试验为:利用激震力锤敲击单个波浪砰击载荷测量装置的测力板，并实时采集激震力锤输出的敲击力数值和多个单分力传感器检测的单分力数值，通过对比敲击力数值和由单分力数值合成的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置进行校正；
[0023]所述楔形体自由下落鉴定试验为:采用自由落体测试方式，将试验楔形体自由落入水中，实时采集多个单分力传感器检测的单分力数值，通过对比两个波浪砰击载荷测量装置测量的单分力合力对波浪砰击载荷测量装置的结构进行对称性校验，同时将单分力合力与数值仿真计算结果进行对比，验证波浪砰击载荷测量装置的性能和精确性。
[0024]所述多个波浪砰击载荷测量装置从高到低依次设于海洋平台的待测量区域上。
[0025]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0026]1、本发明装置通过设置多个单分力传感器来检测测力板受到的波浪砰击载荷，多个单分力传感器均布设置，由单分力数值合成的单分力合力可精确地反应波浪砰击载荷，结构简单，易于推广利用。
[0027]2、应用本发明装置的波浪砰击载荷测量方法通过国际先进的标准鉴定(激震力锤鉴定和楔形体自由下落鉴定)，能有效捕捉到3微秒间隔以上的砰击力，反映出最真实的物理特性。通过RA0(response amplitude operator，响应幅值算子)曲线中可以看出，安装在浮式海洋结构物模型后仍能保证在1000Hz的振动频率下响应幅值算子接近1，明显高于波浪砰击的特征频率，从而避免发生共振测力过大情况，保证测到的砰击力准确真实。
[0028]3、本发明方法及装置也可精准测定脉冲水射流等一切产生砰击水动力现象中所产生的压力，为基础研究工作提供便利，应用范围广。
[0029]4、测力板外表面覆盖有用于防水的橡胶薄膜，防止单分力传感器进水后影响测量结构的准确性。
[0030]5、固定壳体采用分体式设计，各部件紧密配合，结构可靠，且易加工制作，有效地降低制作难度和成本。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明装置结构的爆炸图；
[0032]图2为底座的结构不意图；
[0033]其中，(2a)为底座的立体示意图，(2b)为底座的主视示意图；(2c)为图(2b)中C-C向剖视示意图；
[0034]图3为本发明装置的激震力锤鉴定试验示意图；
[0035]图4为敲击力数值和单分力合力对比曲线图；
[0036]图5为本发明装置安装在试验木质模型后得到的响应幅值算子曲线示意图；
[0037]图6为图5中低频区域的局部放大图。
[0038]图中:1、测力板，2、顶盖，3、橡胶薄膜，4、单分力传感器，5、底座，6、外壳，7、预埋件，8、激震力锤，9、试验楔形体，10、圆柱体凹槽，11、通线开口槽，12、侧向固定螺丝孔，13、
微型丝杠。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0040]如图1所示，一种波浪砰击载荷测量装置包括固定壳体、测力板1和单分力传感，测力板1和单分力传感器4分别设于固定壳体内，单分力传感器4为多个，多个单分力传感器4沿轴向在固定壳体内均布设置，测力板1抵着多个单分力传感器4的触头，固定壳体上设有安置测力板1的中空区域，其中:
[0041 ]单分力传感器4为高精度的应变式传感器，其数目为四的整数倍，例如4个、8个等等，每个单分力传感器4检测轴向上的作用力，所有单分力传感器4的合力即反应测力板1受到波浪砰击的情况。
[0042]测力板1，采用亚克力板或其它密度小、谐振频率高的材料，可以很好地将其受到的波浪砰击传力到单分力传感器4，且测力板1上设有多个与单分力传感器4的触头对应紧密配合的凹槽，两者紧密配合，保证测量过程中单分力传感器4与测力板不会发生轴向滑移。
[0043]固定壳体包括外壳6、固定于外壳6内的底座5和盖设在外壳6顶面的顶盖2，底座5为中空结构，测力板1和单分力传感器4分别设于底座5的腔体内，中空区域设于顶盖2上。如图2所示，底座5的腔体内设有多个固定单分力传感器4的固定槽，固定槽