一種水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是設置由支座支承的盛有水體的透明水箱，水箱底板為平面結構；在水箱中設置懸浮在水體中的水中懸浮隧道模型；在水中懸浮隧道模型的下方呈水平設置激勵機構，并用錨索連接激勵機構與水中懸浮隧道模型；多組激勵機構沿縱向間隔設置，錨索在各組激勵機構與水中懸浮隧道模型上各激勵點之間一一對應相連接，形成多點激勵機構；設置驅(qū)動機構，用于驅(qū)動激勵機構在橫向、縱向和豎直方上的直線往復運動；縱向是指與水中懸浮隧道模型的軸線平行的方向。本實用新型既能滿足大型結構模型尺寸方面的要求，又能夠再現(xiàn)地震動和結構反應，為研究水下長細結構地震反應機制和抗震設計提供一個強有力的手段。
【專利說明】一種水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種擬動力實驗系統(tǒng)，更具體地說是涉及一種水下模擬長細結構在地震作用下結構動力反應的試驗系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]近些年來，海洋資源的開采活動日益頻繁，海底輸油、氣管道的數(shù)量以驚人的速度增加，海底油氣管道的建設蓬勃發(fā)展。同時人們也將對于海洋的利用拓展到交通領域，水中懸浮隧道的研究開始步入人們的視野。
[0003]與跨越江河湖海的其他交通方式相比，水中懸浮隧道有其獨有的優(yōu)勢，例如運營期間不影響水路航運；能保護原有水域自然風光；不受惡劣氣候的影響，保證交通全天候正常通行等。但是，外海地震頻繁，尤其是近些年來世界各地地震海嘯的頻頻發(fā)生，給人類帶來了極大的災難，也逐漸引起了人們對海洋地震動力的關注和研究。外海地震所引起的地殼變化對于埋設在海床以下或裸露于海床表面的管線，潛在的危險性非常大。因此，研究水下長細結構在地震作用下的動力反應對于海洋工程建設具有非常重要的意義。
[0004]由于地震機制和結構抗震性能的復雜性以及理論的局限性，僅從理論上分析還不能完全揭示結構在地震作用下的反應過程和破壞機理，特別是對大型復雜結構、超出抗震設計規(guī)范規(guī)定的結構和新型結構體系，實施前必須進行抗震實驗研究。目前國內(nèi)外陸地上模擬地震試驗設備發(fā)展已相對比較成熟，現(xiàn)有的模擬地震平臺、模擬地震屋等，多點地震輸入采用一致的激勵方式，在機械結構上實現(xiàn)水平方向篩動，垂直方向升降和震動，以模擬地震橫波、縱波和震動效果，造價多達幾千萬。而對于水下長細結構在地震作用下的動力反應通常是采用理論方法進行研究，雖然目前已有極少數(shù)的高校建設有水下振動臺，但只能實現(xiàn)同步一致地震輸入，不能實現(xiàn)多點多維地震輸入，同時由于臺面幾何尺寸和激勵功能的限制，也只能進行縮尺的較短模型結構實驗，而且造價昂貴。
[0005]水中長細結構跨度大，錨固點之間距尚相對較大，地震輸入呈現(xiàn)多點多維的特征?？紤]空間效應的多點地震輸入不同錨索處地震波呈現(xiàn)相位差異，且長細結構跨度相對空間較大，振動臺實驗模擬難度非常大，目前國內(nèi)尚未見能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的試驗設備。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，既能滿足大型結構模型尺寸方面的要求，又能夠再現(xiàn)地震動和結構反應，為研究水下長細結構地震反應機制和抗震設計提供一個強有力的手段。
[0007]本實用新型為解決技術問題采用如下技術方案:
[0008]本實用新型水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)的結構特點是:設置由支座支承的盛有水體的透明水箱，水箱底板為平面結構；在水箱中設置懸浮在水體中的水中懸浮隧道模型；在所述水中懸浮隧道模型的下方呈水平設置激勵機構，并用錨索連接所述激勵機構與水中懸浮隧道模型；多組激勵機構沿縱向間隔設置，錨索在各組激勵機構與水中懸浮隧道模型上各激勵點之間一一對應相連接，形成多點激勵機構；設置驅(qū)動機構，用于驅(qū)動所述激勵機構在橫向、縱向和豎直方上的直線往復運動；所述縱向是指與所述水中懸浮隧道模型的軸線平行的方向。
[0009]本實用新型水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)的結構特點也在于:
[0010]所述激勵機構為三層激勵板，分別是在底部以彈簧支撐的下激勵板、以配合設置的縱向滑軌和縱向滑塊支撐在下激勵板頂面上的中激勵板，以及以配合設置的橫向滑軌和橫向滑塊支撐在中激勵板頂面上的上激勵板；所述錨索定位連接在上激勵板上；所述驅(qū)動機構對應于三層激勵板獨立設置各作動器，分別是用于驅(qū)動上激勵板橫向直線往復運動的橫向作動器、用于驅(qū)動中激勵板縱向直線往復運動的縱向作動器，以及用于驅(qū)動下激勵板豎向往復運動的豎向作動器。
[0011]在水箱底板上開設有窗口，上激勵板置于所述水箱底板的窗口中，所述上激勵板的周邊與窗口的周邊通過柔性聚合物連接件封閉連接；所述柔性聚合物連接件設置為波浪形，以使上激勵板在窗口位置上具有橫向、縱向和豎向的直線往復運動裕量；所述中激勵板和下激勵板，以及各作動器均處在水箱外部。
[0012]本實用新型水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)的結構特點還在于:
[0013]所述縱向滑軌的橫斷面結構為:“T”形滑軌在兩側對稱為以矩形邊向內(nèi)盤旋；所述縱向滑塊以相應的形狀與縱向滑軌形成套疊；
[0014]所述橫向滑軌的橫斷面結構為:“Τ”形滑軌在兩側對稱為以矩形邊向內(nèi)盤旋；所述橫向滑塊以相應的形成與橫向滑軌形成套疊。
[0015]更進一步地:
[0016]所述激勵機構共有四組，從左往右依次為第一激勵機構、第二激勵機構、第三激勵機構和第四激勵機構，所述第一激勵機構、第二激勵機構的縱向作動器位于水箱左端，所述第三激勵機構和第四激勵機構的縱向作動器位于水箱右端；
[0017]用于驅(qū)動第四激勵機構的第四縱向作動器是通過直桿與所述第四激勵機構中的下激勵板聯(lián)動；
[0018]用于驅(qū)動第三激勵機構的縱向作動器為同步動作的一對第三縱向作動器，設置“Y”形傳動桿，所述“Y”形傳動桿的直桿端與所述第三激勵機構的下激勵板相連接，“Y”形傳動桿的“V”形桿端分別與所述一對第三縱向作動器相連接。
[0019]更進一步地:
[0020]設置限位結構，是在上激勵板的側部固定設置一碗形蓋，在碗形蓋的內(nèi)部空腔中放置滑動板，滑動板的兩側板平面上分別呈陣列設置可定心滾動的鋼球；與橫向作動器相連接的傳動桿固定連接在滑動板的外側板平面上；碗形蓋在沿橫向作動器的作用方向上將滑動板抵于上激勵板的側部，避免滑動板在沿橫向作動器的作用力方向上形成與上激勵板之間的竄動；位于碗形蓋中的滑動板能夠在垂直于橫向作動器的作用力方向的平面上任意平移；在碗形蓋的蓋板上開設足夠大小的蓋孔，與橫向作動器相連接的傳動桿貫穿蓋孔，蓋孔既滿足滑動板在碗形蓋中的平移，又要能保證滑動板與上激勵板不脫離。
[0021]與已有技術相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在:
[0022]1、本實用新型既能滿足大型結構模型尺寸方面的要求，又能夠再現(xiàn)地震動和結構反應，為研究水下長細結構地震反應機制和抗震設計提供一個強有力的手段。[0023]2、本實用新型可用于實現(xiàn)水下多點差異輸入地震模擬實驗，在給定地震參數(shù)下，實現(xiàn)同步或異步位移加載，從而模擬定位在激勵機構上的水下結構在地震波作用下的動力反應。
[0024]3、本實用新型通過設置直線式電液伺服作動器，每個作動器可以由單片機單獨控制，可實現(xiàn)同步或異步荷載和位移，不僅能夠模擬固定在激勵板上的水下結構在地震波作用下的動力反應，而且大大節(jié)省了試驗成本。
[0025]4、本實用新型系統(tǒng)可在一臺計算機控制下根據(jù)需要對每個獨立的控制系統(tǒng)設置控制參數(shù)，從而完成給定的波形試驗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型結構示意圖；
[0027]圖2為本實用新型中錨索定位結構示意圖；
[0028]圖3為本實用新型中上激勵板與水箱底板之間連接結構示意圖；
[0029]圖4為本實用新型中激勵機構主視圖；
[0030]圖5為本實用新型中激勵機構側視圖；
[0031]圖6a為本實用新型縱向作動器傳動桿示意圖；
[0032]圖6b為本實用新型縱向作動器傳動桿另一形式示意圖；
[0033]圖7為本實用新型中針對激勵板設置的滾動支撐限位結構示意圖；
[0034]圖中標號:I支座，2水箱，3懸浮隧道模型，4管段連接件，5消波濾網(wǎng)，6錨索，7柔性聚合物連接件，8密封膠條，9激勵機構，IOa “Y”形傳動桿，IOb直桿，11橫向作動器，12豎向作動器，13縱向作動器，13a第三縱向作動器，13b第四縱向作動器，14連桿，15水箱底板，16a縱向滑塊，16b縱向滑軌，16c橫向滑塊，16d橫向滑軌，17彈簧，18碗形蓋，19滑動板，20鋼球。
【具體實施方式】
[0035]本實施例中水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)是針對水中懸浮隧道模型3，也可應用于由單一或多個管道組成的懸浮隧道模型，懸浮隧道模型3采用PVC圓形管道，按懸浮的要求加鉛環(huán)進行配重，試驗過程中水箱中的水面應高于懸浮隧道模型3的頂部。
[0036]參見圖1、圖2，本實施例中設置盛有水體的透明水箱2，水箱底板15為平面結構，并由支座I支承；在水箱2中設置懸浮在水體中的水中懸浮隧道模型3 ;在水中懸浮隧道模型3的下方呈水平設置激勵機構9，并用錨索6連接激勵機構9與水中懸浮隧道模型3 ;多組激勵機構9沿縱向間隔設置，錨索6在各組激勵機構9與水中懸浮隧道模型3上各激勵點之間一一對應相連接，形成多點激勵機構；設置驅(qū)動機構，用于驅(qū)動激勵機構9在橫向、縱向和豎直方上的直線往復運動；縱向是指與水中懸浮隧道模型3的軸線平行的方向。
[0037]圖1中所示的水中懸浮隧道模型3是以左段模型和右段模型在中部以管段連接件4相聯(lián)結形成左右對稱結構；多點激勵機構對應于左段模型和右段模型呈左右對稱分布；在實驗水箱的水面位置，位于水箱各周邊安裝有消波濾網(wǎng)5，消波濾網(wǎng)5的底部朝向水箱內(nèi)側傾斜，消波濾網(wǎng)5為多層網(wǎng)柵，各層網(wǎng)柵的網(wǎng)柵格從里層到外層由小到大，用于吸收在實驗時由于動力作用引起水面振動而產(chǎn)生的波浪，圖1中為便于表達僅在水箱的左側給出了消波濾網(wǎng)5的示意。
[0038]參見圖4、圖5和圖6，本實施例中激勵機構9為三層激勵板，分別是在底部以彈簧17支撐的下激勵板9c、以配合設置的縱向滑軌16b和縱向滑塊16a支撐在下激勵板9c頂面上的中激勵板％，以及以配合設置的橫向滑軌16d和橫向滑塊16c支撐在中激勵板9b頂面上的上激勵板9a ;錨索6定位連接在上激勵板9a上。如圖3所示，在上激勵板9a上間隔設置一系列連桿14，在各連桿14上分別設置連接點，錨索6可選擇在不同位置的連接點上定位連接，通過改變錨索的固定位置來改變錨索的牽引角度，進行實現(xiàn)不同的錨索布置形式下的實驗研究。
[0039]如圖1所示，驅(qū)動機構對應于三層激勵板獨立設置各作動器，分別是用于驅(qū)動上激勵板9a橫向直線往復運動的橫向作動器11、用于驅(qū)動中激勵板9b縱向直線往復運動的縱向作動器13，以及用于驅(qū)動下激勵板9c豎向往復運動的豎向作動器12。
[0040]圖1、圖3所示，本實施例中在水箱底板15上開設有窗口，上激勵板9a置于水箱底板15的窗口中，上激勵板9a的周邊與窗口的周邊通過柔性聚合物連接件7通過密封膠條8密封連接；柔性聚合物連接件7設置為如圖3所示的波浪形，以使上激勵板9a在窗口位置上具有橫向、縱向和豎向的直線往復運動裕量；中激勵板9b和下激勵板9c，以及各作動器均處在水箱外部，由支座I支撐水箱2在適當高度上，以保證中激勵板9b和下激勵板9c,以及各作動器的安裝和動作位置。
[0041]圖5所示的縱向滑軌16b的橫斷面結構為:“T”形滑軌在兩側對稱為以矩形邊向內(nèi)盤旋；縱向滑塊16a以相應的形狀與縱向滑軌16b形成套疊；圖4所示的橫向滑軌16d的橫斷面結構為:“T”形滑軌在兩側對稱為以矩形邊向內(nèi)盤旋；橫向滑塊16c以相應的形成與橫向滑軌16d形成套疊。這樣的結構形式使得各層激勵板在沿各自的滑軌的方向上準確導向、自由滑動，在不同方向上各作動器同時作用時，準確實現(xiàn)由下激勵板帶動中激勵板進而帶動上激勵板的多維運動，避免各不同方向之間的相互影響。
[0042]本實施例中激勵機構9共有四組，從左往右依次為第一激勵機構、第二激勵機構、第三激勵機構和第四激勵機構，第一激勵機構、第二激勵機構的縱向作動器位于水箱左端，第三激勵機構和第四激勵機構的縱向作動器位于水箱右端；
[0043]用于驅(qū)動第四激勵機構的第四縱向作動器13b是通過圖6a所示的直桿IOb與第四激勵機構中的下激勵板實現(xiàn)聯(lián)動；
[0044]用于驅(qū)動第三激勵機構的縱向作動器為同步動作的一對第三縱向作動器13a，設置如圖6b所示的“Y”形傳動桿10a，“Y”形傳動桿IOa的直桿端與第三激勵機構的下激勵板相連接，“Y”形傳動桿IOa的“V”形桿端分別與一對第三縱向作動器13a螺紋連接；這一結構設置使得一對第三縱向作動器13a及第四縱向作動器13b可以布置在同一平面上，并且避免在相互之間形成干擾。
[0045]具體實施中，如圖7所示，以上激勵板9a為例，為了使得上激勵板9a在獲得豎向往復運動的激勵、以及在獲得縱向往復運動的激勵時，與其相連接的橫向作動器11不在豎向和縱向形成隨動，可以設置一限位結構，是在上激勵板9a的側部固定設置一碗形蓋18，在碗形蓋18的內(nèi)部空腔中放置滑動板19，滑動板19的兩側板平面上分別呈陣列設置可定心滾動的鋼球20 ;與橫向作動器11相連接的傳動桿固定連接在滑動板19的外側板平面上；碗形蓋18在沿橫向作動器11的作用方向上將滑動板19抵于上激勵板的側部，避免滑動板19在沿橫向作動器11的作用力方向上形成與上激勵板9a之間的竄動；位于碗形蓋18中的滑動板19能夠在垂直于橫向作動器11的作用力方向的平面上任意平移；在碗形蓋18的蓋板上開設足夠大小的蓋孔，與橫向作動器11相連接的傳動桿貫穿蓋孔，蓋孔既要滿足滑動板在碗形蓋中的平移，又要能保證滑動板與上激勵板不脫離。不僅如此，中激勵板9b在縱向作動器13所在的一側與圖7所示結構相同。
[0046]具體實施中，動力信號的輸入可以由MTS材料試驗機來實現(xiàn)，采用力-位移控制模式，通過電液伺服作動器實現(xiàn)動力加載，作動器或通過傳動桿或直接作用在對應的激勵板上，每個作動器獨立控制，可實現(xiàn)同步或異步荷載與位移，進而實現(xiàn)固定在激勵板上的水下結構沿一個或多個方向的多點多維振動試驗。
[0047]本實施例是以水中懸浮隧道為模型，相應的結構設置也可以是針對以石油、天然氣開采中的各種水下長細結構。
【權利要求】
1.一種水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是:設置由支座(1)支承的盛有水體的透明水箱(2)，水箱底板(15)為平面結構；在水箱(2)中設置懸浮在水體中的水中懸浮隧道模型(3);在所述水中懸浮隧道模型(3)的下方呈水平設置激勵機構(9)，并用錨索(6)連接所述激勵機構(9)與水中懸浮隧道模型(3);多組激勵機構(9)沿縱向間隔設置，錨索(6)在各組激勵機構(9)與水中懸浮隧道模型(3)上各激勵點之間一一對應相連接，形成多點激勵機構；設置驅(qū)動機構，用于驅(qū)動所述激勵機構(9)在橫向、縱向和豎直方上的直線往復運動；所述縱向是指與所述水中懸浮隧道模型(3)的軸線平行的方向。
2.根據(jù)權利要求1所述的水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是:所述激勵機構(9)為三層激勵板，分別是在底部以彈簧(17)支撐的下激勵板(9c)、以配合設置的縱向滑軌(16b)和縱向滑塊(16a)支撐在下激勵板(9c)頂面上的中激勵板(9b)，以及以配合設置的橫向滑軌(16d)和橫向滑塊(16c)支撐在中激勵板(9b)頂面上的上激勵板(9a);所述錨索(6)定位連接在上激勵板(9a)上；所述驅(qū)動機構對應于三層激勵板獨立設置各作動器，分別是用于驅(qū)動上激勵板(9a)橫向直線往復運動的橫向作動器(11)、用于驅(qū)動中激勵板(9b)縱向直線往復運動的縱向作動器(13)，以及用于驅(qū)動下激勵板(9c)豎向往復運動的豎向作動器(12) ο
3.根據(jù)權利要求2所述的水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是:在水箱底板(15)上開設有窗口，上激勵板(9a)置于所述水箱底板(15)的窗口中，所述上激勵板(9a)的周邊與窗口的周邊通過柔性聚合物連接件(7)封閉連接；所述柔性聚合物連接件(7)設置為波浪形，以使上激勵板(9a)在窗口位置上具有橫向、縱向和豎向的直線往復運動裕量；所述中激勵板(％)和下激勵板(9c)，以及各作動器均處在水箱外部。
4.根據(jù)權利要求2所述的水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是: 所述縱向滑軌(16b)的橫斷面結構為:“T”形滑軌在兩側對稱為以矩形邊向內(nèi)盤旋；所述縱向滑塊(16a)以相應的形狀與縱向滑軌(16b)形成套疊； 所述橫向滑軌(16d)的橫斷面結構為:“T”形滑軌在兩側對稱為以矩形邊向內(nèi)盤旋；所述橫向滑塊(16c)以相應的形成與橫向滑軌(16d)形成套疊。
5.根據(jù)權利要求2所述的水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是: 所述激勵機構(9)共有四組，從左往右依次為第一激勵機構、第二激勵機構、第三激勵機構和第四激勵機構，所述第一激勵機構、第二激勵機構的縱向作動器位于水箱左端，所述第三激勵機構和第四激勵機構的縱向作動器位于水箱右端； 用于驅(qū)動第四激勵機構的第四縱向作動器(13b)是通過直桿(IOb)與所述第四激勵機構中的下激勵板聯(lián)動； 用于驅(qū)動第三激勵機構的縱向作動器為同步動作的一對第三縱向作動器(13a)，設置“Y”形傳動桿(10a)，所述“Y”形傳動桿(IOa)的直桿端與所述第三激勵機構的下激勵板相連接，“Y”形傳動桿(IOa)的“V”形桿端分別與所述一對第三縱向作動器(13a)相連接。
6.根據(jù)權利要求2所述的水下多點激勵擬動力試驗系統(tǒng)，其特征是:設置限位結構，是在上激勵板(9a)的側部固定設置一碗形蓋(18)，在碗形蓋(18)的內(nèi)部空腔中放置滑動板(19)，滑動板(19)的兩側板平面上分別呈陣列設置可定心滾動的鋼球(20);與橫向作動器(11)相連接的傳動桿固定連接在滑動板(19)的外側板平面上；碗形蓋(18)在沿橫向作動器(11)的作用方向上將滑動板(19)抵于上激勵板的側部，避免滑動板(19)在沿橫向作動器(11)的作用力方向上形成與上激勵板(9a)之間的竄動；位于碗形蓋(18)中的滑動板(19)能夠在垂直于橫向作動器(11)的作用力方向的平面上任意平移；在碗形蓋(18)的蓋板上開設足夠大小的蓋孔，與橫向作動器(11)相連接的傳動桿貫穿蓋孔，蓋孔既滿足滑動板在碗形蓋中的平移，又 要能保證滑動板與上激勵板不脫離。
【文檔編號】G01M7/06GK203732232SQ201420139016
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權日:2014年3月25日
【發(fā)明者】董滿生, 王利娜, 林志, 蔣樹屏, 李科, 徐忠江, 唐飛, 逄煥平, 侯超群, 孫志彬 申請人:合肥工業(yè)大學, 招商局重慶交通科研設計院有限公司