一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统的制作方法

1.本技术涉及土工离心模型试验领域，具体涉及一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统。


背景技术：

2.土工离心模型试验是按照相似准则制备与现有结构和土体等效的缩尺模型，利用土工离心机旋转提供的离心力模拟重力，用以测试实际重力场中土体与结构工程特性的室内模型试验技术；目前在超重力离心机环境下得到应用的动态荷载模拟方法主要包括电磁式、机械式、液压式和伺服电机式。
3.由于电磁式动态荷载模拟方法存在结构复杂且庞大，电磁干扰大等缺点，尤其是在安装空间小且需要实现多向复杂荷载模拟时，应用该方法制成的装置非常不利于实现系统的集成。机械式动态荷载模拟存在循环荷载的调整过程复杂，不易于操作等缺点。液压式动态荷载模拟方法存在液压油在超重力环境下容易产生泄漏，且大行程活塞杆在超重力环境下水平向运动容易变形等缺点，在超重力环境下多用来实现小位移、高频率的地震荷载模拟。电机式动态荷载模拟方法具有电磁干扰大、运动频率相对较低的缺点，所以现有技术无法满足同时模拟风、浪、流共同作用下土体与结构的动力响应，进而无法还原复杂海洋环境下的实际受荷情况。


技术实现要素：

4.本技术具备在超重力离心模拟试验过程中针对海洋结构基础实施海洋风浪流的模拟功能，依靠远程自动控制，能在高达100g的超重力环境下对模型桩基的任意三个位置施加海风荷载、海浪荷载和海流荷载，并可任意组合实现单自由度、双自由度和三自由度的模拟。
5.为实现上述目的，本技术提供了一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，包括：专用模型箱、基座、动态加载装置和控制装置；其中，所述基座与所述动态加载装置均与所述专用模型箱连接；所述动态加载装置还与所述控制装置连接。
6.优选的，所述专用模型箱短边侧壁上表面设有螺孔与所述基座连接固定，长边一侧为可视活动窗口以满足拆装试样及图像采集要求，同时采用高强度铝合金材质以满足超重力场下的抗渗、抗变形能力。
7.优选的，所述动态加载装置包括：海风加载装置、海流加载装置和海浪加载装置；其中，所述海流加载装置安装在所述基座一侧的上表面，用于加载海流荷载；所述海风加载装置和所述海浪加载装置分别安装在所述基座另一侧的上表面和下表面，分别用于加载海风荷载和海浪荷载。
8.优选的，所述海风加载装置包括：第一伺服电机、第一丝杆、第一丝杆螺母、第一可移动件、第一导轨、第一称重传感器、第一限位传感器、第一光电编码器和第一磁栅尺。
9.优选的，所述海流加载装置包括：第二伺服电机、第二丝杆、第二丝杆螺母、第二可
移动件、第二导轨、第二称重传感器、第二限位传感器、第二光电编码器和第二磁栅尺。
10.优选的，所述海浪加载装置包括：第三伺服电机、第三丝杆、第三丝杆螺母、第三可移动件、第三导轨、第三称重传感器、第三限位传感器、第三光电编码器和第三磁栅尺。
11.优选的，所述动态加载装置的工作流程包括：基于不同的实验需求，将所述海流荷载、所述海风荷载和所述海浪荷载做不同的组合，任意实现单自由度模式、双自由度模式和三自由度模式下的模拟。
12.优选的，所述控制装置包括：电机接口、编码接口、限位接口、力接口和位移接口；
13.所述电机接口用于连接所述第一伺服电机、所述第二伺服电机和所述第三伺服电机，用于传输驱动和断电制动信号；
14.所述编码接口用于接收所述第一光电编码器、所述第二光电编码器和所述第三光电编码器的速度反馈信号；
15.所述限位接口用于接收所述第一限位传感器、所述第二限位传感器和所述第三限位传感器的反馈信号；
16.所述力接口用于接收所述第一称重传感器、所述第二称重传感器和所述第三称重传感器的反馈信号；
17.所述位移接口用于接收所述第一磁栅尺、所述第二磁栅尺和所述第三磁栅尺的位置反馈信号。
18.与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
19.(1)模拟系统结构紧凑，能够在有限的土工离心机吊篮空间内安装使用，并实现超重力场下海洋风浪流联合作用的模拟。
20.(2)基于不同的试验需求，该模拟系统可以将海风、海流和海浪这三种不同力学特性的荷载随机组合，即可以任意实现单自由度模式、双自由度模式和三自由度模式下海洋荷载的模拟。
21.(3)所研发的系统具有三闭环位置反馈控制模式和双闭环力反馈控制模式，且根据需要两种模式通过编程可实现自由切换。
22.(4)在控制装置的负反馈控制作用下，风浪流动态加载装置均具备循环加载功能，且最大循环力与静力加载相当。
23.(5)所研发的控制装置具有良好的通讯能力，与上位机建立通讯联系，具备远程诊断和系统的维护能力。
24.(6)所研发的模拟系统同时具备自动断电制动、运动行程保护、空间精确定位、动态耦合加载、图像采集监视等功能，能够在远程自动控制下实现海洋风浪流的模拟。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术动态加载装置结构示意图；
27.图2为本技术专用模型箱俯视示意图；
28.图3为本技术动态加载装置结构剖示示意图；
29.图4为本技术控制装置后视示意图。
30.图中：1、专用模型箱；2、基座；3a、海风模拟装置；3b、海流模拟装置；3c、海浪模拟装置；4、控制装置；5、导线；101、可视活动窗口；102、螺孔；301、伺服电机；302、丝杆；303、丝杆螺母；304、可移动件；305、导轨；306、称重传感器；307、限位传感器；308、光电编码器；309、磁栅尺；401、电机接口；402、编码接口；403、限位接口；404、力接口；405、位移接口；a、海风模拟；b、海浪模拟；c、海流模拟。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
33.实施例一
34.在本实施例一中，本技术公开了一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，包括专用模型箱1、基座2、动态加载装置和控制装置4。其中，专用模型箱1放置于土工离心机吊篮内，上部安装基座2和动态加载装置，将动态加载装置与模型桩基相连以施加不同类型的荷载，并通过导线连接动态加载装置和控制装置4，在负反馈控制下实现海洋风浪流的模拟。
35.专用模型箱的短边侧壁上表面设有螺孔与基座连接固定，长边一侧为可视活动窗口以满足拆装试样及图像采集要求，同时采用高强度铝合金材质以满足超重力场下的抗渗、抗变形能力。
36.而动态加载装置包括：海风加载装置3a、海流加载装置3b和海浪加载装置3c，均由功能相同的伺服电机301、丝杆302、丝杆螺母303、可移动件304、导轨305、称重传感器306、限位传感器307、光电编码器308和磁栅尺组成309；其中，海流加载装置3b安装在基座2一侧的上表面，用于加载海流荷载；海风加载装置3a和海浪加载装置3c分别安装于基座2另一侧的上、下表面，分别用于加载海风荷载和海浪荷载。
37.动态加载装置通过伺服电机301驱动丝杆302转动，丝杠螺母303带动可移动件304在导轨305上滑动，同时可移动件304前端安装称重传感器306，通过其反馈的信号实现力控制功能；各轴向均采用磁栅尺309精确定位，同时各轴向行程端头安装正、负限位传感器，以实现运动控制和行程保护功能。
38.动态加载装置可以基于不同的试验需求，将海风、海浪和海流这三种荷载做不同的组合，任意实现单自由度模式、双自由度模式和三自由度模式下的模拟。同时，所述动态加载装置还可以根据需要按照正弦曲线或随机波形曲线进行加载，满足最大速度200mm/s，加载频率20hz以内的循环加载功能。
39.控制装置4包括：电机接口401、编码接口402、限位接口403、力接口404和位移接口405，其中电机接口401连接伺服电机301用于传输驱动和断电制动信号，编码接口402用于接收光电编码器308速度反馈信号，限位接口403用于接收限位传感器307的反馈信号，力接
口404用于接收称重传感器306的反馈信号，位移接口405用于接收磁栅尺309位置的反馈信号。
40.上述装置的工作流程，包括以下步骤：
41.将试验土样填筑于专用模型箱1内并埋设模型桩基，在其上方安装基座及动态加载装置，根据试验需要将动态加载与模型桩基连接固定，进行不同荷载组合下多自由度的模拟；
42.将装配好的专用模型箱移动1并固定于离心机吊篮底板上，分别连接各传感器与控制装置4，开启数据采集和摄像设备，并检查信号是否正常；
43.调整平衡荷重，检查并关闭主机室安全门，采用远程自动控制方式在离心机控制室内设定加载模式并通过设备专用监控软件进行自动操作，监测并记录试验数据，待达到预计历时后停止试验并依次拆卸检查。
44.这其中，本装置的控制模式包括：位移控制模式和力控制模式；集成动态循环加载和运动控制功能，其技术特征在于：采用位置控制模式时系统各轴采用电流、速度、位置三环控制结构，满足高精度定位要求，采用力控制模式时将本装置各向测称重传感器306的信号接入核心控制装置4的模拟量输入模块，其反馈值与上位监控软件的力给定值形成闭环反馈。
45.实施例二
46.以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。
47.如图1所示，在专用模型箱1内填筑试验土样及模型桩基，待固结完成后安装基座2与动态加载装置，其中，动态加载装置包括：海风加载装置3a、海流加载装置3b和海浪加载装置3c。其中，海流加载装置3b安装在基座2左侧上表面，海风加载装置3a安装在基座2右侧上表面，海浪加载装置3c安装在基座2右侧下表面，根据需要将其与模型桩基相连接从上至下分别传递海风、海流和海浪荷载，进行任意组合实现单自由度、双自由度或三自由度模拟，同时使用导线5将各传感器与控制装置4相连以实现控制反馈信号的传输。
48.如图2所示，根据离心机吊篮尺寸制备专用模型箱1，本技术中专用模型箱1用于100g土工离心机上，其设计的净空尺寸为1000mm(长)800mm(宽)1000mm(高)，在其前侧(即俯视图下侧面)装有可视活动窗口101，左右侧壁上表面开设螺孔102用以连接基座2。
49.如图3所示，动态加载装置通过伺服电机301驱动丝杆302转动，经丝杆螺母303带动可移动件304在导轨305上运动，可移动件304前端装有称重传感器306，限位传感器307安装在行程端头，光电编码器308安装在伺服电机301上端，磁栅尺309安装在导轨305上。
50.如图4所示，控制装置4后设三排接口，包括了电机接口401、编码接口402、限位接口403、力接口404、位移接口405，且从上至下依次对应海风模拟a、海浪模拟b和海流模拟c。
51.下面将详细介绍本技术系统的使用方法：
52.(1)将专用模型箱1内部净空，根据试验要求确定相似比后，在专用模型箱1内填筑试验土样，对于粘性土采用模型固结仪进行预压固结，对于无粘性土采用砂雨法配合分层夯实，用以模拟实际地基土层。
53.(2)在模型地基土指定位置预先挖槽或钻孔，将按照抗弯刚度相似原理制备的模型桩基埋设至指定位置以减弱插入过程中产生的挤土效应，再将专用模型箱1置于离心超重力场进一步固结以保证结构物与土体密切接触，充分消除固结沉降对试验结果的影响。
54.(3)将海风模拟装置3a、海流模拟装置3b和海浪模拟装置3c依次固定在基座2指定位置后，对照螺孔位置将基座2安装于专用模型箱1上方。
55.(4)根据试验需要从上至下依次将海风模拟装置3a、海流模拟装置3b和海浪模拟装置3c相应的加载装置与模型桩基连接固定，可任意组合实现单自由度、双自由度和三自由度的模拟。
56.(5)将装配好的专用模型箱移动并固定于离心机吊篮底板上，检查保证两者完全接触，不应有起伏或倾斜。
57.(6)分别连接各传感器和摄像机头，将导线5绑扎于吊篮框架上，开启数据采集和摄像设备，并检查信号是否正常。
58.(7)调整平衡荷重，检查并关闭主机室安全门，预试启动设备确认其处于正常工作状态。
59.(8)在离心机控制室内采用远程自动控制方式进行控制操作，根据计算机位置给定值与传感器反馈信号比较，控制轴向准确定位。
60.(9)到位后通过点击自动控制软件界面上的相应按钮转换为力闭环控制模式，设定试验参数和加载方式(静态荷载、随机荷载或简谐振动荷载)后启动电机进行力加载，达到并保持于计算机给定力值，达到保持时间后切换为位置模式，移回初设位置，编写程序语句实现力和位移控制模式间的自动切换，通过监测设备记录试验数据。
61.(10)试验结束后依次关闭转动机构、辅助设备、数据采集系统，开启安全门，拆卸专用模型箱1和平衡荷重并进行安全检查。
62.其中，主要操作辅助机械为起吊设备，为现有土工离心模型试验技术中常用的装置。
63.采用上述方法的注意事项及补充说明如下：
64.a、本系统涉及的专用模型箱应1根据土工离心机吊篮尺寸进行设计，保证在离心机内安全平稳运行；
65.b、连接传感器和控制设备的导线5应尽量缩短并弯成蛇形固定于吊篮架上；
66.c、风浪流三向轴的最大运行速度为200mm/s，能实现20hz以内的循环加载功能，不可超量程使用；
67.d、离心机设备运行期间，不得随意进入控制室或触动控制按钮。
68.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。