可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，包括发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系统、数据采集及控制系统等。本装置设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环境的要求，并通过高压水泵装置叠加创造深海高压环境，通过万向转轴调整发射装置的方向，从而控制壳型结构物从指定方向发射，与土体在预定位置进行定向碰撞，并且采用高速摄像机拍摄整个实验过程和应变和加速度传感器采集实验数据。本发明专利技术模拟了深海壳型结构物不同方向入射时，特定的位置与海底土体表面碰撞时的运行速度、加速度和运行轨迹情况，并且获得碰撞时壳型结构物的应变变化，以及碰撞后土体发生的刚度变化。

Directional simulation of dynamic collision test device between deep-sea shell structure and seabed

【技术实现步骤摘要】
可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置
本专利技术涉及一种试验装置，尤其涉及一种用于模拟深海中壳型结构物与海床定向动力碰撞试验装置，通过离心机与高压水泵模拟了深海高压环境，调整发射装置使壳型结构物能够以预估的位置定向碰撞土体，获得壳型结构物的运行速度、加速度和运行轨迹等情况，同时采集壳型结构物碰撞土体时壳型结构物的应变变化，以评估壳型结构物的安全性。
技术介绍
海洋占住了地球表面积的71％，深底蕴藏着丰富的石油、重金属以及其他资源，各个国家都在尝试着进行深海资源开发的技术攻关。深潜技术是进行海洋开发的必要手段，它是由深潜器、工作母船(水面支援船)和陆上基地所组成的一个完整的系统，深潜器是其关键部份。目前国际上的潜水器一般能够下潜至6千米水深，潜水器承受着巨大的压应力，在与海床发生碰撞时极易发生结构屈曲失稳，造成灾难性后果。目前对于潜水器结构受力一般利用高压环境进行强度测试，一般是静态的加载，未涉及到与结构物的碰撞问题，因此亟需开发出能够模拟超高压力条件下潜水器与海床动力碰撞的试验装置。本专利技术提出了可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，通过离心机与高压水泵模拟了深海高压环境，而且能够调整发射装置使壳型结构物能够以预估的位置定向碰撞土体，获得壳型结构物的运行速度、加速度和运行轨迹等情况，同时采集壳型结构物碰撞土体时壳型结构物的应变变化，以评估壳型结构物的安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，该装置设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环境的要求，并通过高压水泵装置叠加创造深海高压环境，通过万向转轴调整发射装置的方向控制胶囊型壳型结构物与土体的碰撞位置进行定向碰撞，并且采用高速摄像机拍摄整个实验过程，采用应变和加速度传感器采集实验数据。本专利技术模拟了深海壳型结构物不同方向入射时，特定的位置与海底土体表面碰撞时的运行速度、加速度和运行轨迹情况，并且获得碰撞时壳型结构物的应变变化，以及碰撞后土体发生的刚度变化。本专利技术采取以下技术方案：一种可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，包括密闭的钢箱水槽、发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系统、数据采集及控制系统；钢箱水槽置于土工离心机中，高压水泵装置通过注水管通入钢箱水槽中，注水管上安装有压力计和流量计，在钢箱水槽内铺设土体，发射装置包括导向杆、发射装置固定槽、弹射器、玻璃纤维绳、电动卷线轴、及钛合金胶囊型的壳型结构物，导向杆一端通过万向转轴与钢箱水槽底面连接，另一端与发射装置固定槽连接，导向杆上固定有电动卷线轴，壳型结构物穿置于导向杆上，通过玻璃纤维绳与电动卷线轴连接，弹射器固定于发射装置固定槽内，发射装置可通过弹射器将壳型结构物弹出，在钢箱水槽上设有观察窗口，高速摄像机通过观察窗口拍照记录实验过程中壳型结构物运动轨迹，传感器系统用于检测装置中的待测数据，并采用无线传输的方式传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。上述技术方案中，所述的钢箱水槽开口处设置有水槽固定法兰盘，水槽顶盖通过高强度螺栓和水槽固定法兰盘紧密压紧。整个实验水箱用于模拟深海高压环境因此对于水箱的密闭性要求极高，采用钢构成水箱的钢箱骨架，同时为了便于观察实验中壳型结构物的运行，将水槽的正面，上面及右面的观察窗口采用高强度玻璃板。此外，由高强度螺栓将水槽顶盖和水槽固定法兰盘紧密的压紧，保证机构能够承受实验过程中产生的高压，需采用泡沫胶等进行封闭以免造成实验误差，影响试验准确性。优选的，为使钛合金壳型结构物能够以指定的方向在特定的胶囊位置碰撞钢箱底部土体，可在水钢箱槽底部的土体中布置转轴固定钢块用于安装万向转轴，万向转轴可以360度旋转转轴至确定方向，并保持固定，从而保证壳型结构物以试验预估位置碰撞底部土体。优选的，为更详细的区分壳型结构物在不同环境下的碰撞情形，钢箱底部土体可以选用砂土、岩石、黏土等，并且可以设置土体的倾斜度，例如平坦土体表面或倾斜土体表面进行试验。优选的，所述的传感器系统包括壳型结构物上的三轴加速度传感器、应变花、倾角仪，以及土体中的加速度传感器、弯曲元；三轴加速度传感器布置于壳型结构物的前部顶端，用于在试验过程中实时连续不断的采集试验过程中壳型结构物的运动三个方向运动加速度，信号通过数据线穿过数据传输口传输到数据采集和控制系统，加速度信号通过积分可以获得速度以及位移信号。壳型结构物在与底部土体碰撞的过程中结构应变局部应变会发生变化，因此沿壳型结构物的轴向轴对称布置4个应变花，每个应变花由三个应变片依次呈45度角扇形排列。倾角仪可以测量在试验过程中壳型结构物倾角的变化，可以大致确定碰撞位置。弯曲元布置在水槽内部的土体中，用于在壳型结构物碰撞时获得土体刚度的变化。土中的加速度传感器用于获得壳型结构物碰撞到土体时土体所产生的加速度。其中传感器的数据传输线通过水槽上部顶板的数据传输口连接至数据采集及处理装置。优选的，在钢箱正面的观察窗前布置高速摄像机用于在实验过程中拍摄壳型结构物的运行轨迹，高速摄像机摄影频率一般高达每秒1000～10000帧的记录速度，可以清楚地描绘整个实验过程。本装置设置在土工离心机中实验，超重力环境以达到模拟深海环境的要求，并且高压水泵装置通过注水管实现在钢箱水槽中创造约40Mpa的深海环境，采用压力计和流量计对高压水泵进行监测，同时为了能够清楚地拍摄到实验过程中壳型结构物的运行，可以将水槽的正面、上面及右面均设置观察窗口，采用高强度玻璃板。控制壳型结构物的发射装置可保证壳型结构物能够以指定的方向在特定的位置碰撞钢箱底部土体。为了便于重复试验，避免多次打开钢箱口进行操作，采用轻质高强度玻璃纤维绳将壳型结构物的尾部和发射装置连接在一起，可以在一次发射结束通过开关控制电动卷线轴后收紧轻质高强度玻璃纤维绳，用发射装置固定槽捕捉壳型结构物重新准备下次试验。本专利技术具有以下特点：1.本专利技术可以准确地通过高压水泵模拟还原深海高压环境，模拟深海中壳型结构物定向与海床的动力碰撞的问题，并且注重密封性的保持。2.壳型结构物可以调整碰撞的位置，通过将理论上最薄弱的位置与海床碰撞，研究壳型结构物的结构安全性。3.本专利技术可以通过轻质高强度玻璃纤维绳牵拉壳型结构物复位进行多次试验，采用万向转轴调整壳型结构物射出时的角度方向，同时可以改变钢箱底部土体的类型，例如岩石、砂土、黏土来研究不同海床条件下壳型结构物碰撞的情况。4.本专利技术中采用加速度传感器和应变片采集实验过程中壳型结构物的运动数据进行分析，并且用高速摄像机记录整个试验过程。附图说明图1为本专利技术一种具体试验装置的主视图；图2为图1的右视图；图3为图1中1-1截面俯视图；图4为壳型结构物发射后碰撞图；图5为发射装置细部示意图；其中，1.弯曲元、2.钢箱水槽、3.观察窗口、4.控制电线、5.数据传输口、6.水槽顶盖、7.高强度螺栓、8.高压水泵装置、9.压力计、10.流量计、11.注水管、12.水槽固定法兰、13.加速度传感器、14.土体、15.转轴固定钢块、16.万向转轴、17.导向杆、18.发射装置固定槽、19.弹射器、20.应变花、21.壳型结构物、22.倾角仪、23.玻璃纤维绳、24本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：包括密闭的钢箱水槽、发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系统、数据采集及控制系统；钢箱水槽(2)置于土工离心机中，高压水泵装置(8)通过注水管(11)通入钢箱水槽(2)中，注水管(13)上安装有压力计(9)和流量计(10)，在钢箱水槽内铺设土体，发射装置包括导向杆(17)、发射装置固定槽(18)、弹射器(19)、玻璃纤维绳(23)、电动卷线轴(24)、及钛合金胶囊型的壳型结构物(21)，导向杆(17)一端通过万向转轴与钢箱水槽底面连接，另一端与发射装置固定槽(18)连接，导向杆上固定有电动卷线轴(24)，壳型结构物(21)穿置于导向杆(17)上，通过玻璃纤维绳(23)与电动卷线轴连接，在钢箱水槽上设有观察窗口(3)，高速摄像机(26)通过观察窗口拍照记录实验过程中壳型结构物运动轨迹，传感器系统用于检测装置中的待测数据，并采用无线传输的方式传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。

【技术特征摘要】
1.一种可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：包括密闭的钢箱水槽、发射装置、高压水泵装置、高速摄像机、传感器系统、数据采集及控制系统；钢箱水槽(2)置于土工离心机中，高压水泵装置(8)通过注水管(11)通入钢箱水槽(2)中，注水管(13)上安装有压力计(9)和流量计(10)，在钢箱水槽内铺设土体，发射装置包括导向杆(17)、发射装置固定槽(18)、弹射器(19)、玻璃纤维绳(23)、电动卷线轴(24)、及钛合金胶囊型的壳型结构物(21)，导向杆(17)一端通过万向转轴与钢箱水槽底面连接，另一端与发射装置固定槽(18)连接，导向杆上固定有电动卷线轴(24)，壳型结构物(21)穿置于导向杆(17)上，通过玻璃纤维绳(23)与电动卷线轴连接，在钢箱水槽上设有观察窗口(3)，高速摄像机(26)通过观察窗口拍照记录实验过程中壳型结构物运动轨迹，传感器系统用于检测装置中的待测数据，并采用无线传输的方式传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。2.根据权利要求1所述的可定向模拟深海中壳型结构物与海床动力碰撞试验装置，其特征在于：所述的钢箱水槽开口处设置有水槽固定法兰...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮圣洁，国振，朱从博，王立忠，李玲玲，周文杰，李雨杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33