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原文传递模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统及方法

专利名称：	模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统及方法
摘要：	本发明提出模拟风‑波浪作用的海工基础多向加载试验系统及方法，包括控制系统、伺服电控制器、加载反力架、模型试验箱和荷载模拟机构；荷载模拟机构模型试验箱中的基础模型输出模拟荷载；荷载模拟机构包括用于模拟竖向荷载的竖向作动器和用于模拟海洋风荷载、海洋波浪荷载的水平做动器；水平做动器包括固定于模拟波浪荷载不同加载方向的转盘处的第一水平作动器和固定于模拟风荷载不同加载方向的转盘处的第二水平作动器；模拟波浪荷载不同加载方向的转盘和模拟风荷载不同加载方向的转盘可模拟出不同的加载模式；本发明可模拟不同模型比尺下，不同荷载频率、幅值的风和波浪荷载在任意加载角度以及加载角度持续变化下的海洋工程结构基础长期加载。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	山东科技大学
发明人：	李大勇;张雨坤;陈福全;白云;黄凌昰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910713475.8
公开号：	CN110439042A
代理机构：	福州元创专利商标代理有限公司
代理人：	郭东亮;蔡学俊
分类号：	E02D33/00(2006.01);E;E02;E02D;E02D33
申请人地址：	266590山东省青岛市黄岛区经济技术开发区前湾港路579号
主权项：	1.模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，可模拟风-波浪联合作用，其特征在于：所述试验系统包括控制系统(3)、伺服电控制器、加载反力架(18)、模型试验箱(1)和荷载模拟机构；所述荷载模拟机构设于加载反力架处且与控制系统及伺服电控制器相连，荷载模拟机构经荷载传动机构向模型试验箱中的基础模型输出模拟荷载以进行试验；所述荷载模拟机构包括用于模拟竖向荷载的竖向作动器(20)和用于模拟海洋风荷载、海洋波浪荷载的水平做动器；所述水平做动器包括固定于模拟波浪荷载不同加载方向的转盘(9)处的第一水平作动器(5)和固定于模拟风荷载不同加载方向的转盘(10)处的第二水平作动器(6)；所述模拟波浪荷载不同加载方向的转盘和模拟风荷载不同加载方向的转盘可在水平面内旋转，以使水平做动器模拟出风荷载与波浪荷载非共向及非共面的加载模式及风及波浪加载方向持续变化的加载模式。 2.根据权利要求1所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述第一水平作动器、第二水平作动器、竖向作动器均为电液伺服作动器；所述模拟波浪荷载不同加载方向的转盘、模拟风荷载不同加载方向的转盘均为齿轮转盘；所述模拟波浪荷载不同加载方向的转盘在第一电机(11)驱动下旋转；所述模拟风荷载不同加载方向的转盘在第二电机(12)驱动下旋转；所述第一水平作动器的力输出用于模拟波浪荷载；所述第二水平作动器的力输出用于模拟风荷载；所述竖向作动器的力输出用于模拟包括自重在内的竖向载荷。 3.根据权利要求2所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述第一水平作动器、第二水平作动器的输出端处均设有拉压传感器；所述荷载传动机构包括加载杆(21)；所述第一水平作动器、第二水平作动器内设磁致伸缩位移传感器，用于测量作动器位移。 4.根据权利要求3所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述第一水平作动器经第一连接阀块(7)与加载杆连接；所述第二水平作动器经第二连接阀块(8)与加载杆连接；所述第一连接阀块、第二连接阀块与加载杆的接触部位处设有滚珠轴承以使加载杆自由上下滑动。 5.根据权利要求4所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述模拟波浪荷载不同加载方向的转盘、模拟风荷载不同加载方向的转盘自下而上安装于加载反力架的固定阀块(15)处；固定阀块(15)设于竖向的滑动导轨(17)处并在控制系统控制下竖向滑移；所述滑动导轨固定于加载反力架处；所述拉压传感器的一端与水平滑动导轨相连。 6.根据权利要求5所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述控制系统通过设置模拟波浪荷载不同加载方向的转盘、模拟风荷载不同加载方向的转盘的高度及旋转角度，来实现风荷载和波浪荷载任意夹角及任意高度同时加载；所述第一水平作动器(5)模拟海洋波浪荷载；所述第二水平作动器(6)模拟海洋风荷载；所述第一水平作动器、第二水平作动器可协同作业也可独立作业；所述竖向作动器输出端处设有万向球铰(13)；所述万向球铰通过加载平板(14)与加载杆(21)接触；竖向作动器设于固定竖向伺服作动器升降阀块(16)处以调节调节竖向作动器所在高度。 7.根据权利要求6所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述水平作动器可以实现位移控制式以及荷载控制式单调加载和循环加载，循环加载形式可以为三角波形、方波形、正弦加载形；所述控制系统贮有可用于模型试验箱的海洋风荷载和波浪荷载函数；所述试验系统模拟海洋风荷载系统的函数计算公式为式中：ρa-为空气密度，lP-实际工程海上风机叶片长，UR-为实际额定风速，-为实际平均风速，u-为实际狂风风速，圆周率π，λ-试验模型尺寸与原型尺寸比值，nP-原型基础固有频率，nm-模型基础固有频率；所述试验系统模拟波浪荷载系统的函数计算公式为式中：γ-海水重度，CD-拖拽力系数，CM-惯性力系数，DP-海洋工程结构直径，dP-水深，HP-波高，T-波浪周期，k-波数，t-时间，λ-试验模型尺寸与原型尺寸比值。 8.根据权利要求7所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述模型试验箱在竖向上均分为1个底环模型箱和2个标准环模型箱，所述底环模型箱可以单独使用，所述标准环模型箱可以叠加到底环模型箱使用，以满足不同比尺和不同高度基础模型的试验要求；各环模型箱端部焊接法兰盘，用于各环模型箱的连接。 9.根据权利要求1所述的模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统，其特征在于：所述加载反力架后侧处设有梯子(19)。 10.模拟风-波浪作用的海工基础多向加载试验系统的试验方法，其特征在于：根据权利要求8所述的试验系统，其试验方法包括以下步骤；步骤A1、根据试验模型尺寸，确定模型试验箱直径和环数，其中模型试验箱直径至少大于试验模型直径或边长的5倍，模型试验箱高度至少大于试验模型长度的2倍；步骤A2、将模型试验箱移动至加载反力架中间位置，将所述模型试验箱底部万向轮(2)自锁，固定模型试验箱。步骤A3、在所述模型试验箱底部铺设一层碎石，所述碎石层铺设高度高于模型试验箱底部排水口；所述碎石层上部铺设一层土工布作为反滤层；步骤A4、向所述模型试验箱内注水，使模型试验箱内最终水位低于模型试验箱顶部且间距达到预定值；然后向所述模型试验箱内均匀播撒砂土，播撒高度距模型试验箱顶面间距达到预定值；播撒至模型试验箱内砂土面高度距模型试验箱顶面距离达到预定值；步骤A5、启动所述控制系经中的多向复杂联合加载系统，通过操作软件设置两个水平伺服作动器加载高度、加载角度以及加载位置，确保两支水平伺服作动器输出端的加载端头中心位于同一条垂线；步骤A6、将加载杆穿过两支水平伺服作动器的加载端头，然后将加载杆与基础模型连接并固定；步骤A7、采用吸力沉贯或者压力贯入的方法，将基础模型安装至模型试验箱砂土中；步骤A8、操作控制系统，将竖向作动器下降至一定高度，保证竖向伺服作动器加载平板与加载杆顶面接触。然后设置竖向荷载值，模拟工程基础受到上部结构自重及附加荷载值；步骤A9、在控制系统中设置试验加载方式，其中加载方式可设置为风荷载加载、波浪荷载加载，以及力控制和位移控制下的单调加载和循环加载；另外，可分别设置水平伺服作动器按照一定速率进行旋转，实现加载角度持续变化下的模型试验；步骤A10、根据选定的加载方式，在控制系统的软件中设置模型试验加载参数。其中，位移控制式单调加载需要设置参数为加载速度和作动器最终位移；荷载控制式单调加载需要设置的参数为加载速率和最终输出荷载；位移控制式循环加载需要设置参数为加载初位移、加载幅值、加载频率和循环加载次数；荷载控制式循环加载需要设置参数为荷载初始值、加载幅值、加载频率和循环加载次数；风荷载加载需要设置参数为模型试验比尺、空气密度、海上风机叶片长度、额定风速UP、平均风速、狂风风速u、原型基础固有频率、模型基础固有频率、模型基础与原型基础尺寸比；波浪荷载加载需要设置参数为模型基础与原型基础尺寸比、海水重度、拖拽力系数、惯性力系数、海工结构直径、水深、波高、波浪周期、波数、t-时间；步骤A10、模型试验参数设置完毕后，通过软件启动两只水平作动器，开展模型加载试验；试验过程中试验系统自动记录两只水平作动器的位移、受到的荷载、加载角度和循环次数，并将数据实时存入控制系统中，在本步骤中，可视试验需要启动竖向作动器以模拟竖向荷载；步骤A12、试验结束后，通过控制系统控制两只水平作动器回归至初始位置，模型试验结束。
所属类别：	发明专利