浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及悬浮隧道物理实验装置领域，具体涉及一种浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法。浮力模拟装置用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，包括吊装件和顶部固定件，吊装件的第一端与顶部固定件相连，吊装件的第二端用于与待研究对象相连；吊装件用于对待研究对象提供与重力反向的拉力，通过所述拉力模拟浮力，吊装件被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。悬浮隧道结构研究装置和研究方法包括上述的浮力模拟装置。本发明专利技术提供的方案中，通过设置吊装件提供拉力，用于模拟待研究对象在液体中时受到的浮力，而由于结构位于空气中，因此摒弃了液体的影响，有利于反映结构本身的力学特性。

Buoyancy simulation device, suspension tunnel structure research device and research method

【技术实现步骤摘要】
浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法
本专利技术涉及一种悬浮隧道物理实验装置，特别是一种浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法。
技术介绍
悬浮隧道由净浮力和锚索索力共同作用，悬浮在水域的一定深度处，浮力是结构平衡体系的重要组成部分。现有技术中对于悬浮隧道的物理实验研究往往局限于水槽试验，但在水下实验中，由于水体对悬浮隧道模型本身存在较为明显的干扰，因此，水下实验虽然是悬浮隧道物理实验研究中的重要一环，但其不利于实验人员了解悬浮隧道结构本身的力学特性，故对于悬浮隧道的物理模型实验研究而言，仅仅有水下实验是不够的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的仅仅存在水槽实验研究的问题，提供一种浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法，以达到研究悬浮隧道结构在无水环境下的受力行为、加深对悬浮隧道结构体系本身特性的认识的目的。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种浮力模拟装置，用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，包括吊装件和顶部固定件，吊装件的第一端与顶部固定件相连，吊装件的第二端用于与待研究对象相连；吊装件用于对待研究对象提供与重力反向的拉力，吊装件被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。本专利技术提供的方案中，浮力模拟装置中设置吊装件，通过吊装件提供拉力，用于模拟待研究对象在水中时受到的浮力，使得结构所受到的外力与在水中时基本相同，而由于结构位于空气中，因此在实验时摒弃了水体的影响，从而有利于反映和研究结构本身的力学特性。上述的浮力模拟装置的使用范围可以不仅限于悬浮隧道的研究中，也可以用于对其他水下或水面结构的结构本身力学特性研究中；上述浮力模拟装置的使用范围可以不限于对待研究对象在水中所受的浮力模拟，也可以用于模拟待研究对象在其他液态流体中所受到的浮力。作为本专利技术的优选方案，顶部固定件包括顶梁和连接件，连接件设于顶梁上，吊装件的第一端与连接件相连。通过上述的方案，在需要通过该浮力模拟装置模拟与重力大小相等的浮力时，即模拟待研究对象漂浮于流体上、或悬浮于与自身密度相等的流体中时，通过该顶部固定件和吊装件连接待研究对象，在待研究对象的重力作用下，吊装件对待研究对象作用与重力大小相等、方向相反的拉力，则该拉力能够用于模拟浮力。作为本专利技术的优选方案，吊装件包括至少两个吊绳，顶梁上设有至少两个用于与吊绳相连的连接件，连接件在顶梁上均匀分布。在上述优选方案中，通过至少两个均匀分布的吊绳连接待研究对象，使得待研究对象上受到的拉力均匀分布，更加接近于浮力的真实作用情况。作为本专利技术的优选方案，吊绳采用柔性材料制成。在上述优选方案中，在吊绳提供拉力的同时，可以避免对待研究对象施加过大的径向力以至于对待研究对象在水平方向上的变形产生超出实验允许误差范围的影响，从而使得吊绳提供的拉力尽可能地接近于浮力。具体的，柔性材料可以选择为：编织麻绳、鱼线、钢丝等等。进一步的，在管体产生的水平位移一定的情况下，吊绳的长度越长，吊绳的变位角度就越小，吊绳拉力在水平方向上的分力就越小。吊绳的变位角度是指：吊绳的水平位移与吊绳长度的比值。进一步的，吊绳的长度这样设置：使得吊绳变位角度余弦值的最大值在0.05以内。作为本专利技术的优选方案，连接件包括定滑轮和重物，吊绳的第一端与重物相连，重物用于与待研究对象置于定滑轮的两侧。在上述优选方案中，通过重物与定滑轮的配合，使得吊装件上施加的拉力恒定，更加接近于浮力作用的真实情况。一旦确定了待研究对象的排水体积和需要模拟的流体环境，即可以计算得到需要模拟的浮力，从而可以据此确定重物的重力，并通过定滑轮将重物的重力施加到待研究对象上。通过这种方案，可以通过调节定滑轮上连接的重物的重力模拟各种待研究对象在各种流体中所受到的浮力，适用范围更广，且吊装件上作用的拉力大小恒定、更接近于真实情况。作为本专利技术的优选方案，顶梁为长条状结构，定滑轮的数量为至少两个，至少两个定滑轮沿顶梁的长度方向均布；至少两个吊绳连接在同一重物上。通过上述的优选方案，每一个重物均与至少两个吊绳配合，调节一个重物的位置，即相当于同时调整至少两吊绳的位置，使得调节难度降低，另外，在同一个重物上相连的各个吊绳的长度相等的情况下，还可以通过观察重物的方向是否与水平面平行，以判定统一重物上相连的各个吊绳上的张力是否相等。作为本专利技术的优选方案，连接件还包括动滑轮，定滑轮和动滑轮组成滑轮组结构，吊绳与滑轮组配合，吊绳一端与重物相连。通过设置动滑轮，通过重量较小的重物可以提供相对较大的拉力，有利于减小成本。作为本专利技术的优选方案，吊装件包括吊杆，吊杆的第一端与连接件铰接。在本专利技术中，除了使用柔性的吊绳，还可以通过吊杆与连接件铰接的方式来实现对浮力的模拟。原因在于，虽然吊杆的刚度往往较大，在实验时无法忽略吊杆刚性的影响，但由于吊杆的上端与连接件采用铰接的方式相连，在外力沿水平方向作用于悬浮隧道模型、且悬浮隧道模型不产生剧烈变形时，吊杆可以允许悬浮隧道模型沿水平方向产生位移，从而吊杆本身的刚性实际上不会对悬浮隧道弹性模型的变形产生明显影响，因此，也可以认为吊杆对悬浮隧道模型的拉力可以模拟竖直向上的浮力。作为本专利技术的优选方案，浮力模拟装置还包括锚固组件，锚固组件一端与地面相连，锚固组件另一端与待研究对象相连。通过上述的方案，待研究对象受到吊装件作用的拉力(该拉力用于模拟浮力)、重力以及锚固组件作用的外力，通过调节锚固组件与待研究对象之间的相互作用力，可以调节吊装件上的拉力，从而调整该浮力模拟装置用于模拟的浮力的大小。在需要通过该浮力模拟装置模拟与重力大小不等的浮力时，即模拟待研究被放置于与自身密度不等的流体中时，可以通过锚固组件对待研究对象施加额外的外力，以调节吊装件上的拉力，从而改变拉力的大小，使吊装件上的拉力与待模拟的浮力大小相等。一种悬浮隧道结构研究装置，包括悬浮隧道模型和上述的浮力模拟装置；悬浮隧道模型作为待研究对象；锚固组件一端与地面相连，锚固组件另一端用于与悬浮隧道模型相连，浮力模拟装置的吊装件与悬浮隧道模型相连。在实验时，锚固组件用于提供悬浮隧道模型的锚固力，通过浮力模拟装置模拟浮力，此时，对悬浮隧道模型施加载荷，即可以模拟出在两端未约束的情况下，悬浮隧道结构本身的受力响应。作为本专利技术的优选方案，悬浮隧道结构研究装置还包括端部约束装置，端部约束装置包括铰接装置和/或固接装置。通过设置端部约束装置，即可以模拟出在端部铰接约束或固接约束下，悬浮隧道结构本身的受力响应。作为本专利技术的优选方案，端部约束装置包括铰接装置和固接装置，铰接装置用于与悬浮隧道模型相连，固接装置包括卡接件和限位件，卡接件上形成可打开的卡合空间，卡合空间用于与悬浮隧道模型适配，限位件用于与悬浮隧道模型可拆卸相连，限位件在与悬浮隧道模型相连的状态下，用于阻止悬浮隧道模型在卡合空间中转动和沿轴向平动。作为本专利技术的优选方案，固接装置包括第一卡块和第二卡块，第一卡块与第二卡块可拆卸地相连，第一卡块与第二卡块用于拼接形成卡合空间。通过上述结构，第一卡块与第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浮力模拟装置，其特征在于，用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，所述浮力模拟装置包括吊装件和顶部固定件，所述吊装件的第一端与所述顶部固定件相连，所述吊装件的第二端用于与待研究对象相连；/n所述吊装件用于对所述待研究对象提供与重力反向的拉力，通过所述拉力模拟浮力，所述吊装件被构造为：允许所述待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。/n

【技术特征摘要】
1.一种浮力模拟装置，其特征在于，用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，所述浮力模拟装置包括吊装件和顶部固定件，所述吊装件的第一端与所述顶部固定件相连，所述吊装件的第二端用于与待研究对象相连；
所述吊装件用于对所述待研究对象提供与重力反向的拉力，通过所述拉力模拟浮力，所述吊装件被构造为：允许所述待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。


2.根据权利要求1所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述顶部固定件包括顶梁和连接件，所述连接件设于所述顶梁上，所述吊装件的第一端与所述连接件相连。


3.根据权利要求2所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述吊装件包括至少两个吊绳，所述顶梁上设有至少两个用于与吊绳相连的连接件，所述连接件在所述顶梁上均匀分布。


4.根据权利要求3所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述吊装件采用柔性材料制成。


5.根据权利要求4所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述连接件包括定滑轮和重物，所述吊绳的第一端与所述重物相连，所述重物用于与所述待研究对象置于所述定滑轮的两侧。


6.根据权利要求5所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述顶梁为长条状结构，所述定滑轮的数量为至少两个，至少两个所述定滑轮沿所述顶梁的长度方向均布；
至少两个所述吊绳连接在同一所述重物上。


7.根据权利要求5所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述连接件还包括动滑轮，所述定滑轮和所述动滑轮组成滑轮组结构，所述吊绳与所述滑轮组配合，所述吊绳一端与所述重物相连。


8.根据权利要求2所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述吊装件包括吊杆，所述吊杆的第一端与连接件铰接。


9.根据权利要求1-8中任意一项所述的浮力模拟装置，其特征在于，还包括锚固组件，所述锚固组件一端与地面相连，所述锚固组件另一端用于与所述待研究对象相连。


10.一种悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，包括悬浮隧道模型和权利要求9所述的浮力模拟装置，所述悬浮隧道模型作为所述待研究对象；
所述浮力模拟装置中的所述锚固组件一端与地面相连，所述锚固组件另一端与所述悬浮隧道模型相连；
所述浮力模拟装置的吊装件与所述悬浮隧道模型相连。


11.根据权利要求10所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，还包括端部约束装置，所述端部约束装置包括铰接装置和/或固接装置。


12.根据权利要求11所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述端部约束装置包括铰接装置和固接装置，所述铰接装置用于与所述悬浮隧道模型相连，所述固接装置包括卡接件和限位件，所述卡接件上形成可打开的卡合空间，所述卡合空间用于与所述悬浮隧道模型适配，所述限位件用于与所述悬浮隧道模型可拆卸相连，所述限位件在与所述悬浮隧道...

【专利技术属性】
技术研发人员：林巍，孙南昌，周卓炜，陈进，梁恩彤，刘凌锋，邹威，曾繁旭，刘傲祥，何萌，魏佳奇，魏丽莹，吴静丽，陈淑莹，
申请(专利权)人：中国交通建设股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11