用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循環(huán)加載裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循環(huán)加載裝置，該裝置利用動滑輪和定滑輪組成滑輪系統(tǒng)，結(jié)合循環(huán)步進電機、彈簧基座以及特殊設(shè)計的模型箱、鋼框架和法蘭盤，通過控制循環(huán)步進電機的移動距離和移動速度可以實現(xiàn)任意周期和任何形式的循環(huán)加載。此外，改變鋼框架與模型箱的連接位置，轉(zhuǎn)動法蘭盤，同時利用控制基座底部的萬向輪，可以實現(xiàn)任意角度的循環(huán)加載。本發(fā)明易于加工安組裝，具有較高的經(jīng)濟性和實用性，可以應(yīng)用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)的室內(nèi)模型試驗研究。
【專利說明】
用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循環(huán)加載裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗多自由度循環(huán)加載裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一 種用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循環(huán)加載裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，沒有燃料風(fēng)險，發(fā)電成本穩(wěn)定， 沒有碳排放等環(huán)境成本，既可并網(wǎng)運行，也可離網(wǎng)獨立運行。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具 有資源儲量大、高風(fēng)速、低風(fēng)切變、低湍流、環(huán)境噪音污染小和不占用耕地等優(yōu)勢，而成為近 些年風(fēng)電開發(fā)的重點。我國海上風(fēng)能資源非常豐富，預(yù)計達7.5億千瓦，是陸地風(fēng)能資源的3 倍，因而大力發(fā)展海上風(fēng)能，對于改善我國能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約土地及實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù) 發(fā)展具有重要意義。而海上風(fēng)機由于工作環(huán)境相對比較特殊，在風(fēng)、波浪、海流的作用下，海 上風(fēng)機基礎(chǔ)在服役期內(nèi)長期受到往復(fù)循環(huán)荷載作用;而由于風(fēng)、浪、流方向的隨機性使得基 礎(chǔ)的循環(huán)荷載表現(xiàn)為多自由度特性。而海上風(fēng)機對于基礎(chǔ)的累積變形有嚴格要求，根據(jù)DNV 規(guī)范要求海上風(fēng)機服役期的累積變形不得超過〇. 25°，我國規(guī)范更要求低于0.17°。而目前 國內(nèi)外對于海上風(fēng)機基礎(chǔ)在多自由度下的循環(huán)響應(yīng)研究十分有限，僅有的研究大多控制裝 置十分復(fù)雜，試驗控制效果也不理想。因此，開發(fā)一套經(jīng)濟、實用和操作簡單的多自由度循 環(huán)加載系統(tǒng)，對認清海上風(fēng)機基礎(chǔ)的循環(huán)響應(yīng)，改善基礎(chǔ)設(shè)計方案，提高基礎(chǔ)設(shè)計的經(jīng)濟性 具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明首旨在提供一種海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗多自由度循環(huán)加載裝置，其操作簡 單，實用性較強，且成本較低，能夠滿足室內(nèi)試驗研究的需要。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循 環(huán)加載裝置，包括圓形模型箱、鋼框架、第一定滑輪、第二定滑輪、第三定滑輪、法蘭盤、第一 載物臺、第二載物臺、第三載物臺、動滑輪、彈簧基座、循環(huán)步進電機、控制基座、第一鋼絞 線、第二鋼絞線、第三鋼絞線；
[0005] 所述鋼框架與圓形模型箱頂部螺栓連接，第一定滑輪和第二定滑輪分別固定在鋼 框架的兩端，法蘭盤位于鋼框架的正上方;控制基座位于圓形模型箱的一側(cè)，底部安裝有自 鎖式萬向輪，第三定滑輪固定在控制基座頂部的一端，循環(huán)步進電機安裝在頂部的另一端。
[0006] 第一鋼絞線一端與法蘭盤的一側(cè)相連，另一端繞過第一定滑輪，與第一載物臺相 連;第二鋼絞線一端與法蘭盤的另一側(cè)相連，另一端繞過第二定滑輪，與第二載物臺上端相 連;第三鋼絞線一端與第二載物臺下端相連，另一端依次繞過動滑輪、第三定滑輪，與循環(huán) 步進電機相連;所述第三載物臺頂端與動滑輪中心軸相連，底端與彈簧基座相連。
[0007] 進一步地，還包括安裝在第二鋼絞線上的軸力計。
[0008] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0009] 本發(fā)明利用簡單的滑輪組，配合彈簧基座、質(zhì)量塊和循環(huán)步進電機，可以實現(xiàn)任意 形式和周期下的循環(huán)加載;利用圓形模型箱頂部均勻布置的螺紋孔和控制系做下方的萬向 輪，還可以實現(xiàn)多自由度的循環(huán)加載。相比于目前普遍采用的離心加載裝置和伺服加載系 統(tǒng)，本裝置設(shè)計原理簡單，易于加工組裝，荷載控制精確，具有較高的實用性和經(jīng)濟性。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為0°加載方向整體俯視圖；
[0012]圖3為30°加載方向整體俯視圖；
[0013]圖4為典型荷載形式示意圖；
[0014]圖中，圓形模型箱1、鋼框架2、第一定滑輪31、第二定滑輪32、第三定滑輪12、法蘭 盤11、第一載物臺51、第二載物臺52、第三載物臺53、動滑輪6、彈簧基座7、循環(huán)步進電機8、 控制基座9、自鎖式萬向輪10、第一鋼絞線41、第二鋼絞線42、第三鋼絞線43、軸力計13。
【具體實施方式】：
[0015] 如圖1和2所示，本發(fā)明一種用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循環(huán)加載 裝置，包括圓形模型箱1、鋼框架2、第一定滑輪31、第二定滑輪32、第三定滑輪12、法蘭盤11、 第一載物臺51、第二載物臺52、第三載物臺53、動滑輪6、彈簧基座7、循環(huán)步進電機8、控制基 座9、第一鋼絞線41、第二鋼絞線42、第三鋼絞線43;
[0016] 所述鋼框架與圓形模型箱頂部螺栓連接，圖中，所述圓形模型箱1頂部均勻開有12 個螺孔，鋼框架2與圓形模型箱1頂部的兩個螺孔通過螺栓連接，通過改變鋼框架2與圓形模 型箱1之間連接的螺紋位置，可以實現(xiàn)360°任意方向的循環(huán)加載;第一定滑輪31和第二定滑 輪32分別固定在鋼框架2的兩端，通過兩個定滑輪可以直接將第一載物臺51和第二載物臺 52上的重力轉(zhuǎn)化為水平力作用在試驗基礎(chǔ)上;法蘭盤11位于鋼框架2的正上方，法蘭盤11可 以拆卸和旋轉(zhuǎn)，將鋼絞線固定在法蘭盤11上，從而對試驗基礎(chǔ)施加荷載，轉(zhuǎn)動法蘭盤11又可 以實現(xiàn)多自由度加載;控制基座9位于圓形模型箱1的一側(cè)，底部安裝有自鎖式萬向輪10，萬 向輪10沿著360°任意方向移動，同時可以鎖死固定，從而實現(xiàn)多自由度加載;第三定滑輪12 固定在控制基座9頂部的一端，循環(huán)步進電機8安裝在頂部的另一端，循環(huán)步進電機8可以在 指定移動距離內(nèi)，設(shè)定任意的移動速度，從而實現(xiàn)任意周期的循環(huán)運動。
[0017] 第一鋼絞線41 一端與法蘭盤11的一側(cè)相連，另一端繞過第一定滑輪31，與第一載 物臺51相連;第二鋼絞線42-端與法蘭盤11的另一側(cè)相連，另一端繞過第二定滑輪32,與第 二載物臺52上端相連;第三鋼絞線43-端與第二載物臺52下端相連，另一端依次繞過動滑 輪6、第三定滑輪12，與循環(huán)步進電機8相連;所述第三載物臺53頂端與動滑輪6中心軸相連， 底端與彈簧基座7相連。
[0018] 本發(fā)明的加載原理如下：
[0019]如圖1所示，根據(jù)力的平衡條件：
[0021]其中：ml，m2分別為兩側(cè)載物臺的載重，X為循環(huán)步進電機移動距離，k為彈簧基座 剛度。通過設(shè)定電機的移動速度v和移動距離L，可以得到：
[0022] x = vt
[0024] 其中：v為電機運動的速度，L為設(shè)定電機移動的距離，T為循環(huán)加載周期。根據(jù)上式 可知：
[0025] 當(dāng)mi=m2時
，作用在基礎(chǔ)上的荷載為單向循環(huán)荷載；
[0026] 當(dāng)mi<m2時，
，作用在基礎(chǔ)上的荷載為雙向循環(huán)荷載;通 過改變電機行進速度v的函數(shù)形式，如三角函數(shù)、線性函數(shù)，可以實現(xiàn)任意形式的荷載工況， 如圖4所示。
[0027]加載過程包括以下步驟：
[0028] 1)選定試驗荷載形式，根據(jù)試驗荷載確定載物臺上重塊的質(zhì)量分布以及循環(huán)步進 電機的移動距離、移動速度和速度的函數(shù)形式；
[0029] 2)確定循環(huán)加載方向，使用螺栓將鋼框架按指定角度固定在圓形模型箱上，根據(jù) 試驗要求方向，利用萬向輪調(diào)整控制基座位置，確定位置后鎖死萬向輪；
[0030] 3)將法蘭盤安裝在試驗基礎(chǔ)上，利用鋼絞線將載物臺、試驗基礎(chǔ)以及循環(huán)步進電 機連接成一個系統(tǒng)，準(zhǔn)備開始試驗；
[0031] 4)安裝軸力計，同時、根據(jù)試驗具體需要可安裝相應(yīng)的其他傳感器，如位移傳感 器、加速度傳感器、孔壓傳感器等等；
[0032] 5)開啟循環(huán)步進電機，進行循環(huán)加載；
[0033] 6)根據(jù)試驗需求，完成相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)（如10000次）加載后，改變鋼框架固定位 置，轉(zhuǎn)動法盤，移動彈簧基座和控制基座，進行其他方向加循環(huán)加載。
【主權(quán)項】
1. 一種用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)室內(nèi)試驗研究的多自由度循環(huán)加載裝置，其特征在于，包括 圓形模型箱（1)、鋼框架（2)、第一定滑輪(31)、第二定滑輪(32)、第三定滑輪（12)、法蘭盤 (11)、第一載物臺（51)、第二載物臺（52)、第三載物臺（53)、動滑輪(6)、彈簧基座(7)、循環(huán) 步進電機(8)、控制基座(9)、第一鋼絞線(41)、第二鋼絞線(42)、第三鋼絞線(43); 鋼框架(2)兩端與圓形模型箱（1)頂部螺栓連接，第一定滑輪(31)和第二定滑輪(32)分 別固定在鋼框架(2)的兩端，法蘭盤(11)位于鋼框架(2)的正上方;控制基座(9)位于圓形模 型箱（1)的一側(cè)，底部安裝有自鎖式萬向輪（10)，第三定滑輪（12)固定在控制基座(9)頂部 的一端，循環(huán)步進電機(8)安裝在頂部的另一端； 第一鋼絞線(41) 一端與法蘭盤（11)的一側(cè)相連，另一端繞過第一定滑輪(31)，與第一 載物臺（51)相連;第二鋼絞線(42)-端與法蘭盤（11)的另一側(cè)相連，另一端繞過第二定滑 輪(32)，與第二載物臺（52)上端相連;第三鋼絞線(43)-端與第二載物臺（52)下端相連，另 一端依次繞過動滑輪(6)、第三定滑輪（12)，與循環(huán)步進電機(8)相連;所述第三載物臺（53) 頂端與動滑輪(6)中心軸相連，底端與彈簧基座(7)相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度循環(huán)加載裝置，其特征在于，還包括安裝在第二鋼絞 線(42)上的軸力計（13)。
【文檔編號】E02D33/00GK106088169SQ201610600393
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610600393.9, CN 106088169 A, CN 106088169A, CN 201610600393, CN-A-106088169, CN106088169 A, CN106088169A, CN201610600393, CN201610600393.9
【發(fā)明人】王歡, 童建國, 王立忠, 龔健, 余智恩, 方偉定, 喬冠銘
【申請人】浙江大學(xué)