一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统技术方案

本申请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、基座、动态加载装置和控制装置；其中，基座与动态加载装置均与专用模型箱连接；动态加载装置还与控制装置连接。本申请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。双自由度和三自由度的模拟。双自由度和三自由度的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统


[0001]本申请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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本申请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。
[0005]为实现上述目的，本申请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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
[0019](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。
[0020](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。
[0021](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。
[0022](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。
[0023](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。
[0024](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
[0025]为了更清楚地说明本申请的技术方案，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申请的一些实施例，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。
[0026]图1为本申请动态加载装置结构示意图；
[0027]图2为本申请专用模型箱俯视示意图；
[0028]图3为本申请动态加载装置结构剖示示意图；
[0029]图4为本申请控制装置后视示意图。
[0030]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
[0031]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
[0032]为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。
[0033]实施例一
[0034]在本实施例一中，本申请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，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的土工离心机用的海洋风浪流模拟系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：关云飞，蔡正银，潘卓杰，任国锋，顾行文，朱洵，徐光明，韩迅，韩孝峰，管中林，敬元旭，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：