一种实验用三维总力测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种实验用三维总力测量装置及测量方法，括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物，所述固定架设置在水面下方；所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况，所述六分力传感器设置在水面上方；所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。本发明专利技术所述的实验用三维总力测量装置及测量方法采用水上测量的方法，可大大增加六分力传感器的使用寿命；可适用于实验室内不同几何尺寸的受测结构；装置整体外形简洁美观，强度高，安装和拆卸方便，造价低廉且方便维护修理。

A Three-Dimensional Total Force Measuring Device and Measuring Method for Experiments

【技术实现步骤摘要】
一种实验用三维总力测量装置及测量方法
本专利技术属于海洋工程三维总力测量
，尤其是涉及一种海工实验用三维总力测量装置及测量方法。
技术介绍
涉及国外一些海洋工程领域工程实例中，新建港口码头和海洋构筑物逐渐向外海水深区域发展，海洋构筑物所处的自然条件与已建工程相比更为复杂，深水、大浪、长周期涌浪等恶劣自然条件对构筑物的设计和施工等环节带来了严峻的考验。为了抵御外海来浪对近岸港口的影响，常在离岸深水海域建造直立式海洋构筑物，如重力式直立堤依靠结构本身的重量来抵抗波浪的冲击，维持结构本身的稳定性。结构受力(如受到波浪、水流和风等外部荷载)是海洋构筑物设计中重要的环节，关系到构筑物本身安全性和可靠性，也直接影响港口码头的运营效果。在海洋工程
，常用物理模型实验对工程设计进行测量，实验采用一定的相似准则对海洋构筑物及所在海域的外界条件进行模拟，研究波浪分布、越浪及结构受力等。对于构筑物受力，主要有单点波压力测量合成积分和总力测量两种方法。前者主要应用于二维水槽实验中，且测量对象本身常为规则连续结构，可测量构筑物单位长度上的正向受力及力矩情况；后者主要应用于三维港池实验中，可更为真实的测量不同方向的来浪作用下，构筑物三维空间上的力及力矩信息。目前，三维总力测量装置常采用拉压力传感器安装在结构底部的方法来进行，该方法在多次长时间实验后，常出现传感器闭水层腐蚀导致传感器损坏的情况；测量仪器直接安放在受测物上，由于仪器本身的刚度不够，从而导致仪器和受测物之间连接的刚度不够，影响测量结果的准确性；此外，一些测量仪器也存在量程精度低，与实验室测力对象无法安装匹配等问题，大多需要进行二次安装适配。针对上述问题，结合海洋工程实验室内港池实验的现有实际情况，自主研发了一种实验室港池内海洋构筑物所受波浪力的三维总力测量装置。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种实验用三维总力测量装置及测量方法，以解决现有的三维总力测量仪器刚度不够，测量装置容易损坏，测量结果不准确的问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种实验用三维总力测量装置，包括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物，所述固定架设置在水面下方；所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况，所述六分力传感器设置在水面上方；所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。进一步的，所述支撑架包括四根支撑腿、以及设置在支撑腿顶部的矩形方钢框架；所述支撑腿为圆柱型钢管，所述矩形方钢框架为方钢焊接形成的结构件；所述支撑腿与矩形方钢框架焊接固定；所述吊装结构的顶部与矩形方钢框架固定连接。进一步的，所述支撑腿的底部设有调平组件，所述调平组件包括法兰盘、螺纹套筒、调平螺母，所述法兰盘设置在支撑腿的底部，所述螺纹套筒焊接固定在法兰盘上表面的中心位置，所述螺纹套筒的外侧设有外螺纹，所述支撑腿底部内侧设有内螺纹，所述螺纹套筒与支撑腿螺纹连接，所述调平螺母固定安装在螺纹套筒外侧，通过转动调平螺母实现法兰盘的升降。进一步的，所述支撑腿焊接固定在矩形方钢框架的四角处，所述支撑腿与相邻的方钢之间还设有倾斜支撑杆。进一步的，所述吊装结构包括上层钢板和下层钢板、吊杆，所述下层钢板固定安装在矩形方钢框架中间位置的上表面；所述上层钢板设在下层钢板的上方，所述六分力传感器设置在上层钢板和下层钢板之间；所述吊杆的顶部与上层钢板的中间位置固定连接；所述吊杆的底部与固定架固定连接；所述下层钢板上开有圆孔，所述吊杆设置在圆孔内。进一步的，所述上层钢板为正方形钢板，所述六分力传感器包括四个三维力传感器，分别设置在上层钢板上的四角处，四个三维力传感器到上层钢板的中点的距离都相同。进一步的，所述固定架包括固定钢板、角钢、方管，所述固定钢板的顶部中心位置与吊杆的底部焊接固定，所述固定钢板为正方形钢板，所述角钢为两根，两根角钢平行焊接在固定钢板的下表面两侧，两根角钢的凹槽都朝向外侧，一条边与固定钢板固定连接，所述方管为四根，每根角钢的两端各焊接固定一根方管，所述方管竖向设置，所述方管设置在两根角钢相邻的一侧；所述方钢到固定钢板的距离相同，所述角钢两端到固定钢板的距离也都相同。一种三维总力测量方法通过数据采集仪采集四个三维力传感器检测到的数据信息，并上传至计算机，计算机根据六分力三维坐标模型、以及计算公式计算出三维总力；其中六分力三维坐标模型是以四个三维力传感器所在的面为水平面，四个三维力传感器交叉连线的中点为原点建立的三维坐标系，每个三维力传感器检测到的X轴上的力水平横向力，Y轴上的力为水平纵向力，Z轴上的为垂直力，根据每个三维力传感器检测到的不同轴上的力带入计算公式得出三维总力。进一步的，计算公式如下：FZ＝Z1+Z2+Z3+Z4；FX＝X1+X2+X3+X4；FY＝Y1+Y2+Y3+Y4；式中，Fz为垂直总力、Fx为水平横向总力、Fy为水平纵向总力。进一步的，还包括总力矩计算公式，公式如下：MZ＝[(Z3+Z4)－(Z1+Z2)]×LX/2；MX＝[(Z2+Z4)－(Z1+Z3)]×LY/2；MY＝[(Y3+Y4)－(Y1+Y2)]×LX/2+[(X1+X3)－(X2+X4)]×LY/2；式中，Mx为X轴总力矩、My为Y轴总力矩、Mz为Z轴总力矩。相对于现有技术，本专利技术所述的实验用三维总力测量装置及测量方法具有以下优势：本专利技术所述的实验用三维总力测量装置及测量方法采用水上测量的方法，可大大增加六分力传感器的使用寿命；可适用于实验室内不同几何尺寸的受测结构；装置整体外形简洁美观，强度高，安装和拆卸方便，造价低廉且方便维护修理；根据实验室的实际使用效果，该三维总力测量装置稳定，运行良好。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例所述的实验用三维总力测量装置整体结构图；图2为本专利技术实施例所述的实验用三维总力测量装置部分结构图；图3为本专利技术实施例所述的固定架结构图；图4为本专利技术实施例所述的六分力模型原理图；图5为本专利技术实施例所述的实测受力统计值结果图；图6为本专利技术实施例所述的实测受力过程曲线图。附图标记说明：1、矩形方钢框架；2、支撑腿；3、下层钢板；4、三维力传感器；5、上层钢板；6、吊杆；7、固定钢板；8、角钢；9、方管；10、法兰盘；11、调平螺母；12、倾斜支撑杆。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实验用三维总力测量装置，其特征在于：包括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物；所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况；所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。

【技术特征摘要】
1.一种实验用三维总力测量装置，其特征在于：包括支撑架、以及在支撑架上的吊装结构，所述吊装结构的底部设有受测物固定架，所述固定架用于固定受测物；所述吊装结构上设有六分力传感器，所述六分力传感器用于测量吊装结构的受力情况；所述六分力传感器的信号输出端连接数据采集仪，数据采集仪还连接计算机。2.根据权利要求1所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述支撑架包括四根支撑腿(2)、以及设置在支撑腿(2)顶部的矩形方钢框架(1)；所述支撑腿(2)为圆柱型钢管，所述矩形方钢框架(1)为方钢焊接形成的结构件；所述支撑腿(2)与矩形方钢框架(1)焊接固定；所述吊装结构的顶部与矩形方钢框架(1)固定连接。3.根据权利要求2所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述支撑腿(2)的底部设有调平组件，所述调平组件包括法兰盘(10)、螺纹套筒、调平螺母(11)，所述法兰盘(10)设置在支撑腿(2)的底部，所述螺纹套筒焊接固定在法兰盘(10)上表面的中心位置，所述螺纹套筒的外侧设有外螺纹，所述支撑腿(2)底部内侧设有内螺纹，所述螺纹套筒与支撑腿(2)螺纹连接，所述调平螺母(11)固定安装在螺纹套筒外侧，通过转动调平螺母(11)实现法兰盘(10)的升降。4.根据权利要求2所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述支撑腿(2)焊接固定在矩形方钢框架(1)的四角处，所述支撑腿(2)与相邻的方钢之间还设有倾斜支撑杆(12)。5.根据权利要求2所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述吊装结构包括上层钢板(5)和下层钢板(3)、吊杆(6)，所述下层钢板(3)固定安装在矩形方钢框架(1)中间位置的上表面；所述上层钢板(5)设在下层钢板(3)的上方，所述六分力传感器设置在上层钢板(5)和下层钢板(3)之间；所述吊杆(6)的顶部与上层钢板(5)的中间位置固定连接；所述吊杆(6)的底部与固定架固定连接；所述下层钢板(3)上开有圆孔，所述吊杆(6)设置在圆孔内。6.根据权利要求5所述的实验用三维总力测量装置，其特征在于：所述上层钢板(5)为正方形钢板，所述六分力传感器包括四...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭程，陈松贵，仇立婕，陈汉宝，刘竞宇，周然，王依娜，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12