一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术是一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法，该装置包括纵向固定机构、绕线夹紧机构和应变传感器系统，纵向固定机构分别安装在控制平台和应变传感器系统上，通过可滑动的电机驱动冰面专用穿透螺丝向下固定装置；绕线夹紧机构用于调节钢丝的长度；应变传感器系统通过钢丝应变仪产生的线位移来换算出浮冰所受应力；本发明专利技术的分析方法通过应变传感器系统测出的线位移与海冰弯曲变形强度计算方法相结合，计算出浮冰产生形变时所受的应力大小，并收集所有器件的实时数据信息，以便全面地研究浮冰的力学物理特性。本发明专利技术采用自动化设备，精确地监测浮冰在受到风浪流载荷时的响应，为更好地总结浮冰力学物理特性提供支撑。性提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法


[0001]本专利技术属于船舶与海洋工程极地装备设计与制造
，具体的说是涉及一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法。

技术介绍

[0002]作为近北极的重要国家，中国于2013年成为了北极理事会永久观察员国，对于维护北极的安全，参与北极的治理，推进北极的发展有重要的责任。随着全球气候变暖，北极冰面缩减，俄罗斯北部沿海区域的“东北航道”有望全面开通，与此同时，较大规模地开发北极资源成为现实可能。北极航道，是欧亚之间最短航道，也是连接太平洋和大西洋的海上捷径，一旦全面开通将成为亚洲、欧洲和北美洲之间的航运核心纽带，具有重要的战略地位。在北冰洋海冰不断消融的同时，北极冰层厚度和覆盖面积正在不断缩减，外加破冰船等极地船舶日益频繁的航行而对冰层造成的挤压破坏，北极地区尤其是航道内出现大量大小不一、厚度不同的浮冰。因此，为了更充分、更便捷地利用好北极丰富的自然资源，离不开研究浮冰的力学物理特性。
[0003]浮冰，也称流冰，是所有自由漂浮于海面、能随风和海流漂移的冰的总称。浮冰及冰山的漂移主要取决于风和海流的共同作用，且漂移方向和速度比较复杂，在不同海流海域、不同厚度、不同大小的情况下，尤其是极地这种极端环境，浮冰漂移速度和方向差异很大，很难找到各个载荷之间的规律并总结浮冰的物理力学特性。目前学术界对于浮冰的物理力学特性研究尚不成熟，做法大多是测量人员在冰面上测量。此种方式不仅工作量大，测量效率低，样本数量少，浮冰受到的各种载荷无法长期被监测、时间一致性很难控制，且一些尺寸较小、测量人员不便长期登陆的浮冰无法被监测研究。
[0004]基于上述背景，迫切需要一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法，对尺寸不同的浮冰所受风浪流环境载荷进行精准高效地测量与分析。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中对于海冰漂移与弯曲变形测量所存在的不足，本专利技术提供了一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法，采用全自动化设备，更加高校精确地检测浮冰各项力学物理特性。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术是一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法，该装置包括纵向固定机构、绕线夹紧机构、应变传感器系统；所述纵向固定机构分别安装在控制平台和应变传感器系统上，通过可滑动的电机驱动冰面专用穿透螺丝向下固定装置；所述绕线夹紧机构用于根据实际场景来调节钢丝的长度；所述应变传感器系统通过钢丝应变仪产生的线位移来换算出浮冰所受应力；本专利技术还提供了一种海冰漂移及弯曲变形的分析方法，具体是通过应变传感器系统测出的线位移与海冰弯曲变形强度计算方法相结合，计算出浮冰产生形变时所受的应力大小，并收集定位及风载荷监测系统和高精度全地形扫描仪所监测
出的实时数据信息，以便更全面的研究浮冰的力学物理特性。其中：
[0008]所述控制平台包括定位及风载荷监测系统、集成式控制箱、高精度全地形扫描仪、两根控制平台纵向杆件和两根控制平台横向杆件，所述定位及风载荷监测系统包括北斗定位仪、极地高风速风向仪、组装式监测系统支架；所述极地高风速风向仪监测浮冰所受到的风载荷并反馈实时数据至远端数据记录服务器；所述高精度全地形扫描仪每隔12小时扫描一次浮冰地形并反馈到远端计算机，当所处地形产生裂缝或消融至不适宜继续监测时即发出预警，根据北斗定位仪所显示的位置回收装置；本专利技术所述控制部分及电子设备设定有相关程序、通信模块及电器元件等，皆设置于安装在所述总控制平台一侧的集成式控制箱内，所述集成式控制箱能够控制纵向固定机构、转动机构等设备或结构的运转及工作。
[0009]进一步的，所述纵向固定机构设有滑轨式电动钻机和滑槽式电机框架；所述滑轨式电动钻机包括两根直线滑轨、冰面专用穿透螺丝、大扭矩内四角套筒、两相步进电机；所述滑槽式电机框架内部两侧壁面上刻有两根直线滑槽。所述滑轨式电动钻机安装在滑槽式电机框架上，由安装在两侧的两根直线滑轨所带动沿着内部壁面上的两根直线滑槽上下滑动，冰面专用穿透螺丝被安装在大扭矩内四角套筒内，而大扭矩内四角套筒安装在两相步进电机的转子上，从而随转子一起带动冰面专用穿透螺丝转动，向下钻入冰层，以达到固定装置的目的；所述滑槽式电机框架之间通过应变传感器系统短杆、控制平台纵向杆件和控制平台横向杆件互相可拆卸连接组成固定框架，以保证滑轨式电动钻机工作时装置结构的整体稳定性。
[0010]所述绕线夹紧机构包括棘轮放线机构、电动收线机构、绕线电机支座、直角固定铰片，所述绕线机支座通过螺丝和直角固定铰片可拆卸安装在组装式监测系统支架的右侧壁面上，所述棘轮放线机构和电动收线机构分别安装在绕线机支座的两侧。所述棘轮放线机构包括双齿棘爪、柱形拨柄、棘轮，开始测量前控制棘轮转动释放钢丝，当释放的钢丝长度与被监测的浮冰大小相适宜时再拨动柱形拨柄，放下双齿棘爪卡住棘轮；所述电动收线机构包括两相慢速电机、绕线机套筒，所述绕线机套筒可拆卸安装在两相慢速电机的转子上，所述棘轮安装在绕线机套筒上末端，在测量结束准备回收装置或需要缩短不锈钢丝长度时，由集成式控制箱控制电动收线机构顺时针旋转收回。
[0011]进一步的，所述应变传感器系统包括传感器支座、钢丝应变仪、数字式传感器和两根应变传感器系统短杆，所述传感器支座通过两侧的纵向固定机构安装在冰面上，所述钢丝应变仪通过螺栓可拆卸安装在传感器支座上，所述传感器系统前端与钢丝应变仪相连接，另一端用螺钉可拆卸安装在传感器支座上。所述钢丝应变仪包括不锈钢丝、压头弹簧、弹簧应变片、钢丝穿线器，所述传感器系统包括电位器式位移传感器、电压传感器；当浮冰在各种载荷作用下产生弯曲变形时，所述钢丝应变仪产生位移随即被电位器式位移传感器捕捉转换成电量，再传递给电压传感器，作用是将所接受的电量转换成直流电压并隔离输出数字信号至远端的计算机系统数据记录服务器，再根据本专利技术所提供的海冰弯曲变形强度计算方法进行计算分析。
[0012]本专利技术的有益效果是：与现有的人工方式监测浮冰力学物理各项数据的方法相比，本专利技术所提供的风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置及分析方法，采用全自动化设备，方便安装，实现计算机远端控制，必要时可追踪定位回收装置，更高效、持续、精确地监测浮冰各项力学物理特性，为更好地总结浮冰力学物理特性提供支撑。
附图说明
[0013]图1是本专利技术所述装置结构结构示意图。
[0014]图2是本专利技术所述装置结构的爆炸视图。
[0015]图3是本专利技术所述控制平台结构示意图。
[0016]图4是本专利技术所述定位及风载荷监测系统结构爆炸视图。
[0017]图5是本专利技术所述纵向固定机构结构爆炸视图。
[0018]图6是本专利技术所述绕线夹紧机构结构示意图。
[0019]图7是本专利技术所述应变传感器系统结构示意图。
[0020]图8是本专利技术所述数字式传感器及钢丝应变仪结构示意图。
[0021]图9是本专利技术工作使用流程图。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置，包括控制平台(4)，其特征在于：在所述控制平台(4)的支架上安装绕线夹紧机构(2)，根据实际场景来调节钢丝长度，所述测量装置还包括纵向固定机构(1)和应变传感器系统(3)，所述纵向固定机构(1)为六个，其中四个所述纵向固定机构(1)安装在所述控制平台(4)上且四个所述纵向固定机构(1)之间通过连接杆件组成固定框架，两个所述纵向固定机构(1)安装在所述应变传感器系统(3)上，用杆件互相连接，通过两相步进电机(1
‑1‑
4)驱动所述纵向固定机构纵向运动，从而将所述应变传感器系统(3)和控制平台(4)固定在浮冰表面上，所述应变传感器系统(3)与所述控制平台(4)之间通过所述绕线夹紧机构(2)和应变传感器系统(3)共同牵引的钢丝相互连接，用于通过产生的线位移来换算出浮冰所受应力。2.根据权利要求1所述的一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置，其特征在于：所述控制平台(4)包括支撑板，在所述支撑板上设置四根控制平台纵向杆件(4
‑
4)、定位及风载荷监测系统(4
‑
1)、集成式控制箱(4
‑
2)、高精度全地形扫描仪(4
‑
3)和四根控制平台横向杆件(4
‑
5)，所述定位及风载荷监测系统(4
‑
1)装有5G通信模块，监测浮冰所受到的风载荷以及位置并上传实时数据至远端计算机系统数据记录服务器，所述高精度全地形扫描仪(4
‑
3)装有5G通信模块，每隔12小时扫描一次浮冰地形并上传数据到远端计算机系统数据记录服务器，所述集成式控制箱(4
‑
2)控制所述纵向固定机构(1)和绕线夹紧机构(2)运转。3.根据权利要求2所述的一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置，其特征在于：所述定位及风载荷监测系统(4
‑
1)包括固定在所述控制平台(4)的支撑板上的组装式监测系统支架(4
‑1‑
3)，在所述组装式监测系统支架(4
‑1‑
3)上方设置监测系统平台，在所述监测系统平台上方一侧设置极地高风速风向仪(4
‑1‑
2)，在所述监测系统平台上方另一侧设置北斗定位仪(4
‑1‑
1)。4.根据权利要求1所述的一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置，其特征在于：每个所述纵向固定机构(1)包括滑槽式电机框架(1
‑
2)以及安装在所述滑槽式电机框架(1
‑
2)上的滑轨式电动钻机(1
‑
1)，所述滑轨式电动钻机(1
‑
1)包括两根直线滑轨(1
‑1‑
1)、冰面专用穿透螺丝(1
‑1‑
2)、大扭矩内四角套筒(1
‑1‑
3)和两相步进电机(1
‑1‑
4)，所述滑槽式电机框架(1
‑
2)内部两侧壁面上刻有两根直线滑槽，所述滑轨式电动钻机(1
‑
1)由两根直线滑轨(1
‑1‑
1)带动沿着所述滑槽式电机框架(1
‑
2)内部侧壁上的两根直线滑槽上下滑动，所述冰面专用穿透螺丝(1
‑1‑
2)安装在大扭矩内四角套筒(1
‑1‑
3)内，所述大扭矩内四角套筒(1
‑1‑
3)安装在两相步进电机(1
‑1‑
4)的转子上，所述大扭矩内四角套筒(1
‑1‑
3)随转子一起带动所述冰面专用穿透螺丝(1
‑1‑
2)转动，向下钻入冰层，实现固定。5.根据权利要求1所述的一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置，其特征在于：所述应变传感器系统(3)包括传感器支座(3
‑
1)，所述传感器支座(3
‑
1)通过两侧的纵向固定机构(1)安装在冰面上，在所述传感器支座(3
‑
1)上通过螺栓可拆卸的安装钢丝应变仪(3
‑
2)，所述钢丝应变仪(3
‑
2)与数字式传感器(3
‑
3)一端相连接，所述数字式传感器(3
‑
3)的另一端通过螺钉可拆卸安装在传感器支座(3
‑
1)上，所述应变传感器系统(3)还包括设置在所述传感器支座(3
‑
1)两侧的应变传感器系统短杆(3
‑
4)。6.根据权利要求5所述的一种风浪流诱导海冰漂移与弯曲变形测量装置，其特征在于：所述钢丝应变仪(3
‑
2)包括弹簧应变片(3
‑2‑
3)，在所述弹簧应变片(3
‑2‑
3)的一侧设置压头弹簧(3
‑2‑
2)，所述压头弹簧(3
‑2‑
2)的一侧与不锈钢丝(3
‑2‑
1)连接，在所述不锈钢丝

【专利技术属性】
技术研发人员：李志富，孙瑞，石玉云，万兵兵，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：