智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用与流程

本发明属于防波堤工程领域，涉及防波堤与护岸工程结构断面人工块体，尤其涉及智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用。

背景技术：

斜坡式防波堤具有结构形式简单，适应地基变形能力强，容易制作和安放，消浪性能好等优点，是海岸防护工程中广泛使用的防护结构形式。近年来，由于护面块体断裂破坏引发的事故时有发生，如葡萄牙锡尼斯港(1978)，受风暴潮袭击严重破坏，在防波堤破坏严重段42t扭工字护面块体大部分断裂破坏，其多为中间躯干部位被折断，并全部被波浪移走；阿尔及利亚大的港(1980)，采用48t四角锥体，块体失稳断肢，防波堤遭到破坏；利比亚的黎波里港(1981)，18.8t四脚锥体发生断裂破坏等。这些事故引起国际海岸工程界对人工护面块体强度问题的高度重视，需要对事故中碰撞的技术问题进行专项研究分析，得出极端海况下，部分护面块体会发生摆动、移动或者翻滚，并引起其它块体的不稳定，从而导致护面层发生水力失稳，同时相邻护面块体之间也可能发生接触、挤压或者剧烈撞击，导致块体的局部应力达到破坏应力而断裂损坏，发生结构失稳，并评估所造成具体经济损失的量。

鉴于护面层的重要性，目前仍以波浪物理模型试验、数值模拟计算或现场观测三种手段进行稳定性研究，其中原型试验受到环境和条件的限制很难进行，并且试验经费比较高；数值模拟存在参数选择困难，建模时经常采取概化处理方式，所以很难精确模拟块体碰撞断裂过程；对于传统的按照重力相似准则设计的物理模型试验，受比尺效应的影响，无法模拟材料相似，因此试验往往着重考虑其单块稳定重量，而很少考虑到在风浪作用下块体摆动撞击应力超过了混凝土的极限破坏结果，既使测量，摆动块体应力很难直接在缩尺模型中实现。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是在于提供试验室摇智能块体测量破损率装置及制作方法和应用，真实反映出实际结构的破坏的程度，为评估经济损失提供准确基础数据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用，包括连接为一体结构的上块体和下块体，所述上块体和下块体的内部形成中空的内置空间，所述内置空间内设有集成测量组件，所述集成测量组件的重心与上块体和块体组合后的重心重合设置；

所述集成测量组件包括用泡沫软垫相互独立且隔离设置的ium惯性测量传感器、数据存储器和电池组，所述电池组对所述ium惯性测量传感器和数据存储器进行供电，所述存储器和ium惯性测量传感器电连接，所述存储器接收并存储所述ium惯性测量传感器的感应数据。

进一步的，所述电池组设置在最下方，所述ium惯性测量传感器和数据存储器设在电池组的上方，所述内置空间的四角位置设有对所述泡沫软垫进行定位的圆柱形橡胶垫。

进一步的，所述ium惯性测量传感器为9轴ium惯性测量传感器，用来检测和测量物体的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动，包括加速度计、角速度传感器以及它们的单、双、三轴组合imu，所述电池组为锂电池充电结构。

进一步的，ium惯性测量传感器的z1轴坐标系与护面块体安放时的z2轴方向一致，实际测试时，护面块体安放在防波堤斜坡上，则z1、z2与坡度角θ之间存在一个转换关系即z2＝cosθ×z1，调整集成测量组件的重心与上块体和块体组合后的重心重合后，将整个集成测量组件进行固定。

进一步的，所述上块体和下块体通过螺丝进行固定，所述上块体和下块体的连接处设有密封胶。

进一步的，所述上块体和下块体均3d打印而成，且二者的材质均为铝材质。

进一步的，所述上块体和下块体组成智能块体，多个所述智能块体平行且相拼的依次铺设在防波堤斜坡上，每个智能块体的下块体与所述防波堤斜坡接触设置，在所述防波堤斜坡的正上方设有多个摄像头，用于记录每个所述智能块体的翻滚和运动姿态，以及每组极端波浪作用的起始时间。

智能块体测量破损率装置的制作方法，包括以下步骤，

(1)制作前准备：购买制作块体所用的材料即固态铝，密度为2700kg/m³；imu惯性测量单元传感器、数据存储卡和电池组；

(2)计算护面块体重量、尺寸，并3d打印上块体和下块体：按照试验模拟规程确定试验比尺，并根据原体护面块体重量和尺寸；

(3)集成测量组件制作，包括imu惯性测量单元传感器、数据存储卡、电池组、数据线，其中imu惯性单元传感器，使用9轴imu传感器，检测和测量物体的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动；

(4)数据采集和分析：首先对护面块体稳定性试验中，块体失稳时运动的姿态进行分析和统计。通过以往试验观测可知，块体失稳时主要表现为旋转、翻滚、运动撞击的过程。因此在得到上述块体失稳机理，所以可利用集成单元内的imu惯性传感器的加速度计，对块体的x、y、z三个方向加速分量(axi，ayi，azi)进行测量，然后再将三个方向的加速度进行合成得到所测块体运动产生的加速度ai；

(5)安装制作智能护面块体，并进行调试，首先将第(3)中的um惯性测量传感器、数据存储器和电池组之间采用泡沫垫进行分割，并制作成立方体形状，然后整体嵌入至第(2)完成的护面块体内，整个集成单元测量装置重心应与块体重心保持一致，同时使ium惯性测量传感器的z1轴坐标系与护面块体安放时的z2轴方向一致。

进一步的，在步骤(2)中，涉及到以下计算公式，

(v-l³)×ρ1+m＝ρ2×v；(5-1)

式中l为智能块体内部立方体边长，(m)；v为块体外表体积，(m³)，由原体块体，按照试验比尺计算；m为嵌入块体内部电子元件的重量，(kg)，通过天平进行测出；ρ1为铝的密度，取2700kg/m3；ρ2为制作完成块体密度，取2450kg/m³。

进一步的，在步骤(4)中，涉及到以下公式，

vi＝ai×δt；(5-4)

δt：采样间隔，取值0.01s；vi：块体碰撞时的速度；

其中dn是护面块体的厚度，g是重力加速度，hs是波浪有效波高，z是相对于试验静水位的位置高度，vi撞击速度，γ是水的密度，γb是护面块体的密度；≈1.9；vi1是块体开始破损撞击速度，采集撞击速度大于等于vi1的信号峰值；

将每组试验过程中得到的破碎概率序列样本，从大到小排列成p1，p2，p3，p4，p5，……pn序列，n为数据样本总数，从而统计每组试验块体破碎率的特征值。

进一步的，统计每组试验块体破碎率的特征值，包括以下常用四种特征值，具体表达式如下：

式中为平均值；p1/3为1/3大值的平均值；p1/10为1/10大值的平均值；p1/100为1/100大值的平均值。

智能块体测量破损率装置的试验室应用，包括以下步骤，

(1)试验前，智能护面块体断面上安放、调试：首先对智能块体采用红色记号笔进行统一编号(k1、k2、k3……)，然后再将每个智能块体下半部安放在防波堤试验断面斜坡上，待所有块体安放完成后，对每个块体内的测量集成单元再进行调试和线路检测，待传感器全部合格后，将在上、下各半的块体接口涂抹密封胶，并对扣后采用固定螺丝将两者固定，斜坡上块体摆放完成后的试验断面，然后再向试验水槽内注水至设计的静水位，同时在测试断面斜坡的正上方安装一定数量的摄像头，开始准备试验；

(2)试验中，块体撞击数据采集、分析处理：输入相应的造波参数，进行极端波浪作用试验，试验时开启摄像头，同时做好人工详细的记录工作，包括观测每个编号的块体的翻滚、运动的姿态，以及观测每组极端波浪作用的起始时间t，对试验过程中，智能护面块体摆动装置所采集到的撞击速度和破损概率结果进行检验和校准；待所有试验组次的试验完成后，逐一取出发生偏移的护面块体内的sd存储卡，并对其进行处理分析，得出每块护面块体破损概率的结果，从而进一步分析整个护面块体总的破损情况，为极端波浪作用下，评估块体破损所造成经济损失提供准确的基础数据；

(3)试验后，智能块体养护、管理：将智能护面块体运至指定地点，并对试验块体进行表面污泥的清洗和表面吹干，拆除块体内部集成测量组件块，然后对块体和集成单元进行分别养护、管理，并标识该块体的名称、重量和集成单元使用日期和电池的电量，便于下次试验重复使用。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。

1、本发明利用ium惯性测量传感器、数据存储卡、电源嵌入护面块体内部，测量智能块体在受外力作用下产生运动与相邻块体撞击时的速度，并通过建立块体撞击速度与破损概率的函数，统计破损概率特征值，结果更能真实反映出实际结构的破坏的程度，为评估经济损失提供准确基础数据，实现了正确评估失稳的风险；

2、测量装置采用3d打印护面块体，制作简单快捷，其中imu惯性测量单元内的陀螺仪、加速度计用于确定(运动)撞击速度，读数可以推断出摆动的时间分布以及空间分布，得出摆动事件的时间概率分布是对数的，得到速度与块体破损率的关系，直接得出块体断裂破坏率；

3、本申请可满足试验上相似性、制作可行性、测试结果准确性，并成功在试验水槽内，护面块体断裂破损测量得到应用，很好的完成试验目的，试验完成后，经维护、保养后的装置，又可在后续其它工程项目稳定性试验中再次循环使用，满足节能环保功能；

4、本申请中的制作材料采用铝，方便购买、集成测量组件中电子元件等市场容易购买，且价格便宜，整个测试装置制作方法构思巧妙、易操作，这不仅提高了试验的工作效率，在稳定性试验中，更能真实反映出实际结构的破坏程度，对工程稳定性试验模拟测量技术产生实质性的提升。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

附图1是本发明智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用正视的剖视图；

附图2是本发明智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用俯视的剖视图；

附图3是本发明集成测量组件的结构示意图；

附图4是本发明ium惯性测量传感器的结构示意图；

附图5是本发明ium惯性测量传感器的工作原理图；

附图6是本发明智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用应用的结构示意图。

附图标记：

11、上块体；12、下块体；2、内置空间；3、ium惯性测量传感器；4、数据存储器；5、电池组；6、泡沫软垫；7、圆柱型橡胶垫；8、固定螺栓；9、防波堤斜坡；10、摄像机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

如图1～图6所示，本发明为智能块体测量破损率装置及制作方法和试验室应用，包括连接为一体结构的上块体11和下块体12，上块体11和下块体12的内部形成中空的内置空间2，内置空间2内设有集成测量组件，集成测量组件的重心与上块体11和块体组合后的重心重合设置；

集成测量组件包括用泡沫软垫6相互独立且隔离设置的ium惯性测量传感器3、数据存储器4和电池组5，电池组5对ium惯性测量传感器3和数据存储器4进行供电，存储器和ium惯性测量传感器3电连接，存储器接收并存储ium惯性测量传感器3的感应数据。

优选地，电池组5设置在最下方，ium惯性测量传感器3和数据存储器4设在电池组5的上方，内置空间2的四角位置设有对泡沫软垫6进行定位的圆柱形橡胶垫。

优选地，ium惯性测量传感器3为9轴ium惯性测量传感器3，用来检测和测量物体的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动，包括加速度计、角速度传感器以及它们的单、双、三轴组合imu，电池组5为锂电池充电结构。

优选地，ium惯性测量传感器3的z1轴坐标系与护面块体安放时的z2轴方向一致，实际测试时，护面块体安放在防波堤斜坡9上，则z1、z2与坡度角之间存在一个转换关系即，调整集成测量组件的重心与上块体11和块体组合后的重心重合后，将整个集成测量组件进行固定。

优选地，上块体11和下块体12通过螺丝进行固定，也可以通过固定螺栓8固定连接在一体，上块体11和下块体12的连接处设有密封胶，保证内部的密封性，用来保护内部的集成测量组件，保证结构运行的稳定性和安全性。

优选地，上块体11和下块体12均3d打印而成，制作工艺简单方便，且二者的材质均为铝材质。

优选地，上块体11和下块体12组成智能块体，多个智能块体平行且相拼的依次铺设在防波堤斜坡9上，每个智能块体的下块体12与防波堤斜坡9接触设置，在防波堤斜坡9的正上方设有多个摄像头，用于记录每个智能块体的翻滚和运动姿态，以及每组极端波浪作用的起始时间。

在实际的使用过程中，按照以下步骤进行。

(1)制作前准备：购买制作块体所用的材料即固态铝，密度为2700kg/m³；imu惯性测量单元传感器、数据存储卡、电池组和导线等电子元件；采集数据处理笔记本电脑。

(2)计算护面块体重量、尺寸，并3d打印上块体和下块体：按照试验模拟规程确定试验比尺，并根据原体护面块体重量和尺寸，按照相似关系计算出模型上护面块体重量、尺寸：例如一种20,000kg护面块体，试验模型比尺确定为1:10，则模型上护面块体尺寸、密度和重量计算结果，见表1，即原体护面块体尺寸、重量计算至模型结果

表1

由表1计算得到的块体尺寸模型值，再利用工程上常用的三维绘图软件autocad进行护面块体三维立体图绘制，完成后通过slm150型金属3d打印机打出铝质材料护面块体，制作块体需要注意以下几方面：一是，为了保证ium传感器和其它几种电子元件嵌入其中，因此根据几种传感器的大小，需保证制作的块体内部有足够富裕空间；二是，同时护面块体需满足模型试验的相似性即保证制作完成的块体密度为2450kg/m3；三是，由3d打印机打印成上下两半，方便电子元件的安装，见图1和图2，因此最终形成的铝质材料的护面块体，内部为中空，内部空间形状设置为边长为l的立方体形状，边长l大小，具体计算公式见式(5-1)、(5-2)，具体如下：

(v-l³)×ρ1+m＝ρ2×v(5-1)

式中：l为块体内部立方体边长，(m)；v为块体外表体积，(m3)，由原体块体，按照试验比尺计算；m为嵌入块体内部电子元件的重量，(kg)，可通过天平进行测出；ρ1为铝的密度，取2700kg/m3；ρ2为制作完成块体密度，取2450kg/m³。

(3)集成测量组件制作，包括imu惯性测量单元传感器、数据存储卡、电池组、数据线，其中imu惯性单元传感器，使用9轴imu传感器，主要是检测和测量物体的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(dof)运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件，包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合imu(惯性测量单元)，ahrs(包括磁传感器的姿态参考系统)，具体见图3，且根据试验精度，因此集成测量组件选择中级惯性测量传感器，价格在10000元左右，电池组可循环充电、12v50ah锂电池，微型usb连接，传感器，处理器和sd卡(内存可根据采集数据进行选择，一般为了保证足够富裕度，选择足够大的1tb内存，价格为3000元)，大小约为(20～50)×(20～50)×(20～50)mm³，设计最大采样频率为100hz(采用间隔δt＝0.01s)，微型sd卡存储256gb，传感器的工作原理见图4。

(4)数据采集、处理分析系统编辑开发：在编辑开发之前，首先对护面块体稳定性试验中，块体失稳时运动的姿态进行分析和统计。通过以往试验观测可知，块体失稳时主要表现为旋转、翻滚、运动撞击的过程。因此在得到上述块体失稳机理，所以可利用集成单元内的imu惯性传感器的加速度计，对块体的x、y、z三个方向加速分量(axi，ayi，azi)进行测量，然后再将三个方向的加速度进行合成得到所测块体运动产生的加速度ai，计算表达式见(5-3)，具体如下：

利用上述合成的加速度，然后再根据每次试验过程中，设定的采样间隔δt(试验一般采用0.01s)，就可以按照表达式(5-4)进行计算得到块体碰撞时的速度vi，具体计算式如下。

vi＝ai×δt(5-4)

再参考前期国内外大量研究资料得到，块体碰撞速度与破损率的关系计算式见(5-5)，以及国外范德米尔等人(vandermeet，1988)关于块体撞击破损试验结果得到：在极端波浪持续作用时间为1000个波，且波陡度为h/l＝0.02条件下，当稳定度数为时，护面块体就开始发生破坏，我们试验室也同样采用上述条件开展稳定性试验，得到当块体出现晃动至开始破碎时稳定度数为说明晃动将减小块体稳定性，增加块体的破损率，因此采用稳定度数为1.9代入公式(5-5)中，则可以确定块体开始破损撞击速度为vi1。所以试验过程中，在对ium传感器信号采集时，通过低通滤波处理，仅采集撞击速度大于等于vi1的信号峰值，然后再统计其破损概率的结果，最终得到每组试验过程中的一组破损概率序列样本。

式中：其中dn是护面块体的厚度，g是重力加速度，hs是波浪有效波高，z是相对于试验静水位的位置高度，vi撞击速度，γ是水的密度，γb是护面块体的密度。

整个稳定性试验完成后，将每组试验过程中得到的破碎概率序列样本，从大到小排列成p1,p2,p3,p4,p5,……pn序列，n为数据样本总数，从而可统计每组试验块体破碎率的特征值，主要包括以下常用四种特征值，具体表达式如下：

式中：为平均值；p1/3为1/3大值的平均值；p1/10为1/10大值的平均值；p1/100为1/100大值的平均值；

因此最终按照上述分析的思路，采用fortan语言程序进行编辑，每次数据处理时，将sd存储卡中的数据文件(test*.dat)调入，就可以进行批处理，直接得到结果文件(result*.dat)，从而得到块体的破碎率四种特征值和撞击速度，整个工作原理见图5。

(5)安装制作智能护面块体，并进行调试：首先将第(3)中的um惯性测量传感器、数据存储器和电池组之间采用泡沫垫进行分割，并制作成立方体形状，具体见图6，然后整体嵌入至第(2)完成的护面块体内。安装时应注意，为了保证测量护面块体摆动坐标位置准确性，整个集成单元测量装置重心应与块体重心保持一致。同时使ium惯性测量传感器的z1轴坐标系与护面块体安放时的z2轴方向一致，如果将护面块体安放在防波堤斜坡式，则z1、z2与坡度角θ之间存在一个转换关系即z2＝cosθ×z1，调整重心后，将整个集成单元测量装置进行固定。

固定完成后对测量装置进行调试，首先打开集成单元电池组电源开关，设定ium惯性测量采样时间间隔δt。然后就可以开始调试采集，将整个制作完成护面块体按顺时针转动30°、90°、180°、270°、360°，然后取出sd数据存储卡，导入数据处理、分析系统，检查ium惯性测量传感器角度测量结果的偏差和方位误差，直到满足误差小于5％满足试验精度要求即可。

智能块体测量破损率装置的实验室应用，具体的试验过程中，按照以下步骤进行：

(1)试验前，智能护面块体断面上安放、调试：首先对智能块体采用红色记号笔进行统一编号(k1、k2、k3……)，然后再将每个智能块体下半部安放在防波堤试验断面斜坡上，待所有块体安放完成后，对每个块体内的测量集成单元再进行调试和线路检测，待传感器全部合格后，将在上、下各半的块体接口涂抹密封胶，并对扣后采用固定螺丝将两者固定，斜坡上块体摆放完成后的试验断面，见图6，然后再向试验水槽内注水至设计的静水位，同时在测试断面斜坡的正上方安装一定数量的摄像头，开始准备试验。

(2)试验中，块体撞击数据采集、分析处理：输入相应的造波参数，进行极端波浪作用试验，试验时开启摄像头，同时做好人工详细的记录工作，包括观测每个编号的块体的翻滚、运动的姿态，以及观测每组极端波浪作用的起始时间t，以便对试验过程中，智能护面块体摆动装置所采集到的撞击速度和破损概率结果进行检验和校准。待所有试验组次的试验完成后，逐一取出发生偏移的护面块体内的sd存储卡，并对其进行处理分析，得出每块护面块体破损概率的结果，从而进一步分析整个护面块体总的破损情况，为极端波浪作用下，评估块体破损所造成经济损失提供准确的基础数据。

(3)试验后，智能块体养护、管理：将智能护面块体运至指定地点，并对试验块体进行表面污泥的清洗和表面吹干，拆除块体内部集成测量组件块，然后对块体和集成单元进行分别养护、管理，并标识该块体的名称、重量和集成单元使用日期和电池的电量，便于下次试验重复使用。由于防波堤与护岸工程的护面块体，常用往往只有5～6种，重复性较高，因此对于在后续其它稳定性项目，首先根据工程设计图纸，判定其采用的护面块体是否为同类型块体，若不是，则进行第ⅰ部分块体制作，进行新智能护面块体的制作。

相对于现场块体碰撞断裂，传统的物理模型试验研究，受比尺效应的影响，无法模拟材料相似，因此试验往往着重考虑的是其单块稳定重量，而很少考虑到在风浪作用下块体摆动撞击应力超过了混凝土的极限破坏结果，既使测量，摆动块体应力很难直接在缩尺模型中实现，为了能真实反映出实际块体的破坏程度和破损造成经济损失评估提供准确的基础数据，本申请采用的结构，首先采用3d打印技术打印护面块体；利用内置于护面块体内集成单元，测量块体摆动撞击速度，按照速度与块体破损率的关系，最后利用自主开发数据处理、分析系统，直接得出块体断裂破坏率各种特征值，该装置构思巧妙、易操作，满足试验上相似性、制作可行性、测试结果准确性、试验实用性和循环节能环保。另外装置中的制作材料、传感器电子元件等市场容易购买，且价格便宜，数据处理与分析系统采用fortan语言自主开发，不仅提高了试验工作效率，对稳定性试验模拟测量技术产生了实质性的提升。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。