船舶撞击离心模拟装置和方法与流程

本发明涉及一种土工离心模拟试验装置，尤其是涉及一种船舶撞击离心模拟装置和方法。

背景技术：

相比于现场试验方法，在土工离心机中模拟桥墩、海上平台等结构物基础的船舶撞击响应具有性价比高、工况可变、试验环境稳定、研究成果可靠等诸多优点。目前国内外在土工离心机中用于模拟撞击的试验装置主要有滑轨式和电磁枪式两种，两者都存在一定不足。滑轨式撞击装置占用空间大、装置较复杂，装置安装位置难以灵活调整，对变方向、变位置的撞击试验适用性差。电磁枪式撞击装置存在无法模拟大质量物体、技术要求高等问题，仅适用于高速车辆或快艇等的撞击模拟。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种在土工离心机中模拟船舶撞击的试验装置。本发明的船舶撞击离心模拟装置采用摆锤式设计方案，并使用旋转编码器测量撞击速度；装置的撞击质量可变，撞击速度、位置和方向可调，撞击速度和回弹速度准确测量；装置安装灵活、多套装置联合使用可以在一次离心机运行中完成多组独立撞击试验，提高试验效率。因此，本装置具有模拟船舶吨位和速度范围广、撞击位置和方向灵活可调等明显优势。

本发明可以通过改变摆锤初始扬起角度实现不同撞击速度的调节；可以通过改变装置中撞击块质量实现不同吨位的船舶模拟；可以通过调节摆锤固定梁和角度调节盘位置实现不同撞击位置和角度的控制；可以通过旋转编码器实现试验中的撞击速度和回弹速度的测量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种船舶撞击离心模拟装置

本发明包括加载支架、摆锤运动装置、气缸运动装置、模型箱；

加载支架安装于模型箱上端面，加载支架主要由四根柱、两块水平滑移板、两根梁、两根梁连接杆围成的长方体框架，两块水平滑移板平行布置且底部分别安装于模型箱两侧，每块水平滑移板上表面两端均固定连接有两根平行布置的柱，两块水平滑移板同一端的两根柱顶部均通过梁相连，两根梁的同一端均通过梁连接杆相连；每根梁沿长度方向开有竖直贯穿的条状孔；每块水平滑移板的上底板沿长度方向开有两条分别位于水平滑移板两侧边缘的条状通孔，水平滑移板底部开有嵌装于模型箱箱壁的滑槽，加载支架固定螺栓通过穿过滑槽将水平滑移板固定连接至模型箱；

摆锤运动装置包括角度调节盘、摆锤固定梁、连接板、摆锤转轴、摆杆和撞击块，角度调节盘安装于两根梁上端面，角度调节盘主要由大法兰盘、小法兰盘和连接大小法兰盘的圆环柱组成，大法兰盘内缘与圆环柱上端面相连，小法兰盘外缘与圆环柱下端面相连；大法兰盘两侧分别开有多个与条状孔位置相对应的法兰孔，大法兰盘两侧通过依次穿过法兰孔、条状孔的角度调节盘固定螺栓分别安装于两根梁上端面；小法兰盘上表面通过摆锤固定梁定位螺栓安装有摆锤固定梁，摆锤固定梁下表面中间通过连接板安装螺栓固定有两块平行布置的连接板，两块连接板均开有圆孔且圆孔内均嵌装有轴承，两块连接板之间连接有摆锤转轴，摆锤转轴两端分别安装于两块连接板的轴承内，摆锤转轴中间固定连接有摆杆，摆杆底端固定有撞击块，摆锤转轴通过绕轴承转动带动摆杆来回摆动；

气缸运动装置包括气缸固定块、气缸延长杆、制动气缸、制动气缸作动杆，气缸固定块通过依次穿过气缸固定块底板、条状通孔的气缸固定块定位螺栓安装于其中一块水平滑移板的上表面，气缸固定块内部开有垂直于条状通孔的圆形通孔，圆形通孔内插装有气缸延长杆，通过插装于气缸固定块上端的气缸延长杆固定螺栓实现气缸延长杆与气缸固定块的固定相连，气缸延长杆靠近撞击块的一端通过螺纹与制动气缸一端相连，制动气缸另一端安装有制动气缸作动杆，制动气缸作动杆的长度方向与摆杆长度方向相垂直。

所述装置整体固定于离心机的吊篮中，模型箱朝向靠近离心机一侧布置；离心机旋转时，离心机旋转轴与角度调节盘的中心轴垂直，角度调节盘的中心轴沿离心机的径向方向，加载支架位于模型箱径向的内侧部，离心旋转的离心力如图1的a向所示。

其中一块所述的连接板安装有旋转编码器，靠近旋转编码器的摆锤转轴端部中心开有与旋转编码器的探针紧密连接的圆孔。旋转编码器用于测量摆锤实时角度变化，通过数值微分和转换求得撞击块的速度变化。

角度调节盘固定螺栓在未拧紧状态下在条状孔内滑动带动角度调节盘沿梁长度方向来回移动，从而实现角度调节盘在加载支架上的位置调整，通过拧紧角度调节盘固定螺栓实现角度调节盘的位置固定；气缸固定块定位螺栓在未拧紧状态下在条状通孔内滑动带动气缸固定块沿水平滑移板长度方向来回移动，从而实现气缸固定块在加载支架上的位置调整；通过拧紧气缸固定块定位螺栓实现气缸固定块的位置固定。

制动气缸作动杆未受制动气缸作用时，制动气缸作动杆伸出制动气缸外，通过调节气缸延长杆的位置实现制动气缸作动杆与摆杆接触；制动气缸作动杆通过制动气缸的作用收回进入制动气缸内。

所述小法兰盘开有多个法兰孔，摆锤固定梁两端的通孔通过对准不同的法兰孔改变摆锤固定梁的角度，通过插装于法兰孔的摆锤固定梁定位螺栓将摆锤固定梁与角度调节盘固定相连。

水平滑移板的滑槽沿模型箱两侧箱壁来回移动从而实现加载支架的位置调整。

二、基于上述装置的模拟撞击方法

包括以下步骤：

s1：在模型箱内填筑模型土体，并埋置构筑物模型于模型土体；

s2：根据撞击点位置确定撞击头的位置，通过调节角度调节盘和加载支架调整撞击头的位置；

s3：根据试验撞击角度确定撞击头的摆动方向，通过调节摆锤固定梁的角度位置调整撞击头的摆动方向；

s4：确定气缸延长杆位置：在制动气缸启动前，通过调节气缸延长杆的位置实现制动气缸作动杆与摆杆接触；

s5：推动气缸固定块在水平滑移板上移动，摆杆在制动气缸作动杆的推动下向上摆动，直至摆杆的摆动角度达到设计的初始扬起角度；

s6：开始试验，将装置整体置于离心机内部，启动离心机转动，试验中，远程调节制动气缸的气压控制制动气缸作动杆收回，撞击块撞击构筑物模型，完成一次撞击试验。

试验前，控制制动气缸作动杆伸长，与摆锤摆杆接触，将摆杆约束在一个设定的初始扬起角度；试验中，通过改变气压控制制动气缸作动杆收回，摆锤在离心力作用下产生不断加速，直至与被撞物体发生撞击。

本发明的有益效果：

(1)本发明适用于在土工离心机中模拟船舶撞击试验，可根据船舶撞击速度、船舶吨位等原型参数范围选择摆杆长度、扬起角度、撞击块质量等试验参数；船舶撞击结构物的位置和角度等模拟参数可通过调节角度调节盘位置和摆锤固定梁位置实现。

(2)本发明整套装置集成在加载支架上，可随着加载支架在模型箱上移动，且相关的测试仪器或传感器也可固定在该加载支架上，提高了试验布置的灵活性；在模型箱空间允许的条件下，可安装多套装置，开展多组试验，提高效率。

(3)本发明适用范围广、安装方便、配置灵活、适应性强、可扩展性好，是可靠的船舶撞击离心模拟试验装置。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是图1的a向俯视图

图3是图2的b-b局部剖视图

图4是摆锤和旋转编码器结构安装示意图

图5是角度调节盘示意图

图中：1、加载支架，2、连接板安装螺栓，3、摆锤固定梁，4、角度调节盘，5、角度调节盘固定螺栓，6、连接板，7、旋转编码器，8、摆锤转轴，9、摆杆，10、撞击块，11、制动气缸作动杆，12、制动气缸，13、气缸延长杆，14、气缸固定块定位螺栓，15、气缸固定块，16、气缸延长杆固定螺栓，17、轴承，18、模型箱，19、摆锤固定梁定位螺栓，20、加载支架固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括加载支架1、摆锤运动装置、气缸运动装置、模型箱18；加载支架1安装于模型箱18上端面，加载支架1主要由四根柱、两块水平滑移板、两根梁、两根梁连接杆围成的长方体框架，两块水平滑移板平行布置且底部分别安装于模型箱18两侧，每块水平滑移板上表面两端均固定连接有两根平行布置的柱，两块水平滑移板同一端的两根柱顶部均通过梁相连，两根梁的同一端均通过梁连接杆相连，每根梁沿长度方向开有竖直贯穿的条状孔。

如图1和图2所示，摆锤运动装置包括角度调节盘4、摆锤固定梁3、连接板6、摆锤转轴8、摆杆9和撞击块10，角度调节盘4安装于两根梁上端面，大法兰盘两侧分别开有多个与条状孔位置相对应的法兰孔，大法兰盘两侧通过依次穿过法兰孔、条状孔的角度调节盘固定螺栓5分别安装于两根梁上端面；每块水平滑移板的上底板沿长度方向开有两条分别位于水平滑移板两侧边缘的条状通孔，水平滑移板底部开有嵌装于模型箱18箱壁的滑槽，加载支架固定螺栓20通过穿过滑槽将水平滑移板固定连接至模型箱18；水平滑移板的滑槽沿模型箱18两侧箱壁来回移动从而实现加载支架1的位置调整。

如图3所示，气缸运动装置包括气缸固定块15、气缸延长杆13、制动气缸12、制动气缸作动杆11，气缸固定块15通过依次穿过气缸固定块15底板、条状通孔的气缸固定块定位螺栓14安装于其中一块水平滑移板的上表面，气缸固定块15内部开有垂直于条状通孔的圆形通孔，圆形通孔内插装有气缸延长杆13，通过插装于气缸固定块15上端的气缸延长杆固定螺栓16实现气缸延长杆13与气缸固定块15的固定相连，气缸延长杆13靠近撞击块10的一端通过螺纹与制动气缸12一端相连，制动气缸12另一端安装有制动气缸作动杆11，制动气缸作动杆11的长度方向与摆杆9长度方向相垂直。气缸固定块定位螺栓14在未拧紧状态下在条状通孔内滑动带动气缸固定块15沿水平滑移板长度方向来回移动，从而实现气缸固定块15在加载支架1上的位置调整；通过拧紧气缸固定块定位螺栓14实现气缸固定块15的位置固定。制动气缸作动杆11未受制动气缸12作用时，制动气缸作动杆11伸出制动气缸12外，通过调节气缸延长杆13的位置实现制动气缸作动杆11与摆杆9接触；制动气缸作动杆11通过制动气缸12的作用收回进入制动气缸12内。

如图4所示，小法兰盘上表面通过摆锤固定梁定位螺栓19安装有摆锤固定梁3，摆锤固定梁3下表面中间通过连接板安装螺栓2固定有两块平行布置的连接板6，两块连接板6均开有圆孔且圆孔内均嵌装有轴承17，两块连接板6之间连接有摆锤转轴8，摆锤转轴8两端分别安装于两块连接板6的轴承17内，摆锤转轴8中间固定连接有摆杆9，摆杆9底端固定有撞击块10，摆锤转轴8通过绕轴承17转动带动摆杆9来回摆动；其中一块连接板6安装有旋转编码器7，靠近旋转编码器7的摆锤转轴8端部中心开有与旋转编码器7的探针紧密连接的圆孔。旋转编码器7用于测量摆锤9实时角度变化，通过数值微分和转换求得撞击块10的速度变化。

如图5所示，角度调节盘4主要由大法兰盘、小法兰盘和连接大小法兰盘的圆环柱组成，大法兰盘内缘与圆环柱上端面相连，小法兰盘外缘与圆环柱下端面相连；小法兰盘开有多个法兰孔，摆锤固定梁3两端的通孔通过对准不同的法兰孔改变摆锤固定梁3的角度，通过插装于法兰孔的摆锤固定梁定位螺栓19将摆锤固定梁3与角度调节盘4固定相连。角度调节盘固定螺栓5在未拧紧状态下在条状孔内滑动带动角度调节盘4沿梁长度方向来回移动，从而实现角度调节盘4在加载支架1上的位置调整，通过拧紧角度调节盘固定螺栓5实现角度调节盘4的位置固定。

具体实施例

本发明装置撞击模拟试验的操作方法包括以下步骤：

s1：在模型箱18内填筑模型土体，并埋置构筑物模型于模型土体；加载支架1放置于模型箱18上，角度调节盘4放置于加载支架1上；依次组装撞击块10、摆杆9、摆锤转轴8、轴承17、连接板6和旋转编码器7，并与摆锤固定梁3连接；

s2：根据撞击点位置确定撞击头10的位置，通过调节角度调节盘4和加载支架1调整撞击头10的位置；

s3：根据试验撞击角度确定撞击头10的摆动方向，通过调节摆锤固定梁3的角度位置调整撞击头10的摆动方向；

s4：确定气缸延长杆13位置：在制动气缸12启动前，通过调节气缸延长杆13的位置实现制动气缸作动杆11与摆杆9接触；

s5：推动气缸固定块15在水平滑移板上移动，摆杆9在制动气缸作动杆11的推动下向上摆动，直至摆杆9的摆动角度达到设计的初始扬起角度；

s6：开始试验，将装置整体置于离心机内部，启动离心机转动，试验中，远程调节制动气缸12的气压控制制动气缸作动杆11收回，撞击块10撞击构筑物模型，完成一次撞击试验。

试验前，控制制动气缸作动杆伸长，与摆锤摆杆接触，将摆杆约束在一个设定的初始扬起角度；试验中，通过改变气压控制制动气缸作动杆收回，摆锤在离心力作用下产生不断加速，直至与被撞物体发生撞击。

在同一模型箱18上可以安装多个加载支架1且在同一加载支架1上可以安装多个撞击机构，实现同一构筑物模型不同位置的多次撞击或多个构筑物模型的独立撞击，具有配置灵活，可扩展性好的优点。