申请/专利权人：西南交通大学

申请日：2018-01-25

公开（公告）日：2024-02-06

公开（公告）号：CN108088651B

主分类号：G01M10/00

分类号：G01M10/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.06#授权;2018.06.22#实质审查的生效;2018.05.29#公开

摘要：本发明提供了一种波浪作用下海床动力响应实验设备，其包括透明且封闭的筒体和伺服荷载施加系统，筒体的底部填充有模拟海床的土层，土层的顶面上填充有水层，土层和水层所对应的筒体壁上间隔设置有压力传感器；伺服荷载施加系统包括伺服电动缸，伺服电动缸内设置有活塞，活塞通过直线电机驱动作往复运动，伺服电动缸通过传压管与筒体内的水层连通；直线电机和压力传感器分别与计算机控制系统电连接。本发明还提供了一种模拟0～100m水深条件下波浪引起海床动力响应的实验方法，通过伺服荷载施加系统给实验设备中的土层施加高静水压力和波浪脉动压力。

主权项：1.一种波浪作用下海床动力响应实验设备的模拟方法，其特征在于，波浪作用下海床动力响应实验设备包括透明且封闭的筒体（1）和伺服荷载施加系统（2），所述筒体（1）的底部填充有模拟海床的土层（11），所述土层（11）的顶面上填充有水层（12），所述水层（12）底端的筒体壁上设置有压力传感器（13）；所述伺服荷载施加系统（2）包括伺服电动缸（21），所述伺服电动缸（21）内设置有活塞（211），所述活塞（211）通过直线电机（22）驱动作往复运动，所述伺服电动缸（21）通过传压管（3）与所述筒体（1）内的水层连通；所述直线电机（22）和压力传感器（13）分别与计算机控制系统（23）电连接；所述计算机控制系统（23）包括工控机（231），所述工控机（231）与所述直线电机（22）之间依次电连接有运动控制器（232）和直线电机驱动器（233），所述活塞（211）上固定连接有光栅尺（234），所述光栅尺（234）与直线电机驱动器（233）电连接；模拟方法包括：工控机根据输入的海床实际受力情况，采用海浪波谱公式计算出压力运动信号发送给运动控制器（232）；运动控制器（232）将所述压力运动信号转换成驱动直线电机的运动的位移量信号，并驱动直线电机运动；直线电机带动伺服电动缸（21）内的活塞（211）移动产生的压力变化通过传压管（3）传入筒体（1）内的水层（12）激发水层（12）产生静水压力和波浪脉动压力；压力传感器（13）采集水层（12）中的静水压力和波浪脉动压力，并将其反馈给运动控制器（232）；运动控制器（232）将接收的静水压力和波浪脉动压力与压力运动信号进行比较，得到两者的位置偏差信号，并将位置偏差信号转换成电流信号；运动控制器（232）根据电流信号对位移量信号进行修正，并采用修正后的位移量信号驱动直线电机（22）运动以修正模拟波浪压力与实际波浪压力之间的差距。

全文数据：波浪作用下海床动力响应实验设备及模拟实验方法技术领域[0001]本发明涉及土木工程中海洋土力学模拟技术领域，特别涉及波浪作用下海床动力响应实验设备及模拟实验方法。背景技术[0002]随着我国经济的快速发展，海洋资源逐渐受到重视，越来越多的海洋结构物在海岸建造出来。沿海岸的工程结构几乎建造在海床中，相当一部分建造在砂质或淤泥质海床中。在波浪作用下，海床表面将受到周期性流体压力作用，土体变形和孔隙水压力也将呈现出周期性变化。在一定条件下，海床可能出现动力失稳，从而造成其上结构物发生安全事故。因此探讨波浪作用下海床土体的动力响应具有重要意义。[0003]目前探讨波浪作用下海床动力响应的已有方法主要有理论分析、数值模拟和试验研宄。上述三种方法各有利弊，均是必不可少的方法。关于试验方法，目前主要有水槽试验和水池试验。然而，由于试验室条件的限制，水槽和水池的水深不能太大，几乎在5tn以下，而实际海洋水深可能在几十米以上，由此模型与原型存在一定差异，必须依靠相似理论来推广模型试验结论。并且由于某些相似条件不能得到完全满足，现场的一些现象在试验室无法模拟。发明内容[0004]针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种可模拟0〜100m水深条件下波浪引起海床动力响应的实验方法，同时提供一种在该方法中使用的模拟实验设备。[0005]为了达到上述发明目的，本发明提供一种波浪作用下海床动力响应实验设备，其包括透明且封闭的筒体和伺服荷载施加系统，筒体的底部填充有模拟海床的土层，土层的顶面上填充有水层，水层底端的筒体壁上设置有压力传感器;伺服荷载施加系统包括伺服电动缸，伺服电动缸内设置有活塞，活塞通过直线电机驱动作往复运动，伺服电动缸通过传压管与筒体内的水层连通;直线电机和压力传感器分别与计算机控制系统电连接。[0006]进一步地，计算机控制系统包括工控机，工控机与直线电机之间依次电连接有运动控制器和直线电机驱动器，活塞上固定连接有光栅尺，光栅尺与直线电机驱动器电连接。[0007]进一步地，筒体固定于可移动推车上，可移动推车的底部设置有脚轮和升降支座。本设备静止时，通过升降支架和脚轮支撑;需要移动本设备时，收起升降支架，通过脚轮将本设备与地面之间的滑动摩擦力变为滚动摩擦力，从而达到省力的目的。[0008]进一步地，筒体顶部设置有自来水入口和排气口，底部设置有抽水口和排水口，抽水口和排水口上安装有过滤网。自来水入口给筒体内注水，在注水的同时从排气口将原筒体内的气体排出，在注水完成后，关闭排气口；过滤网可以防止泥沙进入管道造成堵塞。[0009]进一步地，抽水口上连接有抽水泵，自来水入口、排气口和排水口上均设置有控制开闭的阀门。由于筒体容积大，内装的水较多，抽水泵可以让筒体内的水快速排出，节省实验时间，提高实验效率。[0010]使用上述设备进行的波浪作用下海床动力响应实验模拟方法包括：[0011]工控机根据输入的海床实际受力情况，采用海浪波谱公式计算出压力运动信号发送给运动控制器；[0012]运动控制器将所述压力运动信号转换成驱动直线电机的运动的位移量信号，并驱动直线电机运动；[0013]直线电机带动伺服电动缸内的活塞移动产生的压力变化通过传压管传入筒体内的水层激发水层产生静水压力和波浪脉动压力；[0014]压力传感器采集水层中的静水压力和波浪脉动压力，并将其反馈给运动控制器；[0015]运动控制器将接收的静水压力和波浪脉动压力与压力运动信号进行比较，得到两者的位置偏差信号，并将位置偏差信号转换成电流信号；[0016]运动控制器根据电流信号对位移量信号进行修正，并采用修正后的位移量信号驱动直线电机运动以修正模拟波浪压力与实际波浪压力之间的差距。[0017]本发明的有益效果为:本实验设备通过直线电机直接带动伺服电动缸中的活塞做直线运动，直线电机的位移就等于活塞的位移，并且直线电机的控制精度高，通过运动控制器能够精确控制直线电机的推力和位移量，从而能够精确地控制活塞的推力和位移量。活塞的移动导致伺服电动缸内压力的变化，从而使与伺服电动缸连接的筒体水层内的水压变化，精准控制活塞的推力和位移量即可使水层内产生如实际波浪的波形，给土层表面施加静压力和周期动压力，从而达到精准模拟0〜100m水深条件下波浪引起的海床动力响应。附图说明[0018]图1为波浪作用下海床动力响应实验设备的示意图。[0019]图2为伺服荷载施加系统原理框图。[0020]其中，1、筒体;11、土层；12、水层；13、压力传感器;14、自来水入口；15、排气口；16、抽水口；161、抽水栗；17、排水口；18、过滤网；2、伺服荷载施加系统;21、伺服电动缸;211、活塞；22、直线电机;23、计算机控制系统;231、工控机;232、运动控制器;233、直线电机驱动器;234、光栅尺;3、传压管;4、可移动推车;41、脚轮;42、升降支座；。具体实施方式[0021]下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。[0022]如图1、图2所示，该波浪作用下海床动力响应实验设备，其包括透明且封闭的筒体1和伺服荷载施加系统2。筒体1由10个圆筒土槽上下叠层安装而成，处于中间的圆筒土槽为中空且两端开放的圆环形结构，两端设置有不锈钢法兰盘联接，最底层和最顶层的圆筒土槽一端封闭另一端设置不锈钢法兰盘。在每个法兰盘上下设计一个密封槽，用于安装密封圈实现对水体的密封。圆筒土槽采用透明的PVC材质，便于试验观察。每个圆筒土槽里盛装不同的土体，即为土层11。最顶层的1〜3个圆筒土槽可用于盛装水层12。[0023]水层12底端的筒体壁上设置有采集水层12中的水体压力的压力传感器13,具体的可以在筒体壁上开设一个安装孔，压力传感器13采用密封配合的方式安装于安装孔上。[0024]在筒体1的最上层设置有自来水入口14和排气口15。自来水入口14与自来水管连通，并设置有阀门，在需要给筒体1灌入水时，打开阀门。由于筒体1位密封筒体，所以在灌水时必须在顶部设置排气口15供空气排出，当灌水结束后，关闭排水口15上的阀门。[0025]在筒体1的底部设置有抽水口W和排水口17。排水口17上连接有排水阀，打开排水阀可将筒体1内的水层12通过水管引入下水道。抽水口16上通过软管连接有抽水泵161，可快速地将筒体1内的水排出。为了防止土层11中的泥沙进入排水阀和抽水栗161中，在抽水口16和排水口17上安装有过滤网18。[0026]在实验中，将筒体1的1〇层圆筒土槽盛满泥沙和水并安装完成后，整体的重量通常较重，所以将筒体1固定于可移动推车4上，可移动推车4的底部设置有脚轮41和升降支座42。在筒体1静止时，可通过脚轮41和升降支座42固定支撑;需要移动筒体1时，收起升降支座42,通过脚轮41进行移动。在移动推车4上有供人扶住推动的手柄，同时，在移动推车4的中部设有与筒体1外形尺寸对应的安装孔，以固定筒体1并给排水口17和抽水口16留出位置。[0027]伺服荷载施加系统2包括伺服电动缸21，伺服电动缸21采用负载25KG的不锈钢伺服缸，其内设置有活塞211，直线电机22与活塞211连接，直线电机22的位移就等于活塞211的位移。直线电机优选为LMG20系列无铁心小型直线电机，此种类型的直线电机最适用于极高动态性能和运动质量小的应用，由于它完全消除了推力波动，能确保最佳速度稳定性。[0028]伺服电动缸21通过传压管3与筒体1内的水层12连通，通过传压管3将伺服电动缸21内的压力变化传输到水层12中，控制伺服电动缸21内的压力变化即可使水层12内产生规则波和各种不规则波的压力，从而给土层11的表面施加静压力和周期动压力。计算机控制系统23包括工控机231，工控机231与直线电机22之间依次电连接有运动控制器232和直线电机驱动器233，活塞211上固定连接有光栅尺234，光栅尺234与运动控制器232电连接。[0029]光栅尺234采用LIC400系列敞开式光栅尺，其运行时速度更快，精度为3微米，接口为ENDAT2.2,用于测量活塞211的位移信号并将其反馈给运动控制器232。运动控制器232优选型号为UltimETLight运动控制卡，直线电机驱动器233优选为AccurET驱动器。[0030]使用前述设备的波浪作用下海床动力响应实验模拟方法，其包括：[0031]工控机根据海床实际受力情况，采用海浪波谱公式计算出压力运动信号发送给运动控制器。[0032]此处的实际受力可以是产生一定范围水深的静水压力、一定范围波浪高度海浪及一定范围海浪周期，根据实际情况，在工控机可以按照正弦波、P—M谱、MPM谱、B谱、J谱、海港水文规范谱及自定义波谱规律变化生成动压力波谱。[0033]之后根据产生的动压力波谱和海浪波谱公式计算出压力运动信号发送给运动控制器。[0034]运动控制器232将所述压力运动信号转换成驱动直线电机的运动的位移量信号，并驱动直线电机运动；[0035]直线电机带动伺服电动缸内的活塞211移动产生的压力变化通过传压管3传入筒体1内的水层12激发水层12产生静水压力和波浪脉动压力，以产生对应高度的波浪压力。[0036]压力传感器13采集水层12中的静水压力和波浪脉动压力，并将其反馈给运动控制器⑽；[0037]运动控制器232将接收的静水压力和波浪脉动压力与压力运动信号进行比较，得到两者的位置偏差信号，并将位置偏差信号转换成电流信号；[0038]运动控制器232根据电流信号对位移量信号进行修正，并采用修正后的位移量信号驱动直线电机22运动以修正模拟波浪压力与实际波浪压力之间的差距。

权利要求：1.一种波浪作用下海床动力响应实验设备，其特征在于，包括透明且封闭的筒体1和伺服荷载施加系统2，所述筒体a的底部填充有模拟海床的土层（id，所述土层（id的顶面上填充有水层（12，所述水层（12底端的筒体壁上设置有压力传感器（13;所述伺服荷载施加系统（2包括伺服电动缸21，所述伺服电动缸21内设置有活塞211，所述活塞211通过直线电机22驱动作往复运动，所述伺服电动缸21通过传压管⑶与所述筒体⑴内的水层连通;所述直线电机22和压力传感器13分别与计算机控制系统23电连接。2.根据权利要求3所述的波浪作用下海床动力响应实验设备，其特征在于，所述计算机控制系统23包括工控机231，所述工控机231与所述直线电机22之间依次电连接有运动控制器232和直线电机驱动器233，所述活塞211上固定连接有光栅尺234，所述光栅尺234与直线电机驱动器233电连接。3.根据权利要求2所述的波浪作用下海床动力响应实验设备，其特征在于，所述筒体1固定于可移动推车⑷上，所述可移动推车4的底部设置有脚轮41和升降支座42。4.根据权利要求3所述的波浪作用下海床动力响应实验设备，其特征在于，所述筒体1顶部设置有自来水入口（14和排气口（15，底部设置有抽水口（16和排水口（17，所述抽水口（16和排水口（17上安装有过滤网（18。5.根据权利要求4所述的波浪作用下海床动力响应实验设备，其特征在于，所述抽水口16上连接有抽水泵（161，所述自来水入口（14、排气口（15和排水口（17上均设置有控制开闭的阀门。6.—种使用权利要求4中所述设备的波浪作用下海床动力响应实验模拟方法，其特征在于，包括：工控机根据输入的海床实际受力情况，采用海浪波谱公式计算出压力运动信号发送给运动控制器232;运动控制器232将所述压力运动信号转换成驱动直线电机的运动的位移量信号，并驱动直线电机运动；直线电机带动伺服电动缸21内的活塞211移动产生的压力变化通过传压管3传入筒体1内的水层12激发水层12产生静水压力和波浪脉动压力；压力传感器13采集水层12中的静水压力和波浪脉动压力，并将其反馈给运动控制器（232;运动控制器232将接收的静水压力和波浪脉动压力与压力运动信号进行比较，得到两者的位置偏差信号，并将位置偏差信号转换成电流信号；运动控制器232根据电流信号对位移量信号进行修正，并采用修正后的位移量信号驱动直线电机22运动以修正模拟波浪压力与实际波浪压力之间的差距。

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