一种研究破碎波浪对圆柱的砰击荷载及压强分布的实验装置

摘要

本发明公开了一种研究破碎波浪对圆柱的砰击荷载及压强分布的实验装置，包括实验水槽、设于实验水槽底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨、以及设于导轨上的圆柱结构模型；所述的圆柱结构模型可沿实验水槽的导轨滑动，以实现在不移动斜坡模型的情况下，改变圆柱结构与波浪破碎点的相对位置。所述实验装置能够实现波浪沿着不同坡度传播进而破碎的过程，如果需要改变入射波传播坡度，只需调节迎浪向铝合金型材以及铝合金型材上铺设钢板的总长度；所述实验装置能够测量相同波浪条件下不同位置处的波浪砰击荷载，只需通过调节滑块的位置；所述实验装置能够测量波浪砰击压强沿圆柱体表面的分布，只需在预先留好的螺栓孔上安装压强传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型破碎波砰击荷载研究实验装置，尤其是研究波浪在不同坡度上的传播特性、圆柱在不同位置处的受力以及压强分布规律的实验装置。

背景技术

目前，传统关于海上结构物的破碎波砰击研究主要有理论研究、数值模拟研究以及物理模型实验研究。由于波浪破碎过程的复杂性，相应的理论研究较少，且较难应用到实际工程；而破碎波的数值模拟过程所需计算量巨大，同时破碎波与圆柱结构物相互作用时掺气现象较为明显，数值模拟的准确性及精度仍需提高；相较于前两者，物理模型实验研究得到的结果更准确且真实性更高，但目前对波浪荷载的物理模型试验研究通常以研究非破碎波为主，获得作用与圆柱的静力以及沿着圆柱表面的波浪爬升，对于研究破碎波砰击荷载及压强分布规律的物理模型试验装置仍较缺乏。

物理模型实验由于实验场地的限制，无法重现真实的环境条件，通常采用一定的模型缩尺在实验水槽中开展。在实验水槽中开展破碎波对圆柱结构的砰击荷载时，由于波浪破碎过程的复杂性，波浪沿着不同的斜坡传播具有不同的破碎形态，为研究不同破碎类型的波浪的荷载带来了难度；同时波浪所产生的砰击荷载以及底板所受到荷载均较大，对模型的固定要求提出了较大的考验；对于破碎波所产生的荷载，圆柱结构位于不同位置时往往差异较大。基于以上的考虑，需要有一套实验装置可以考虑坡度和圆柱位置的影响测量破碎波砰击荷载以及柱体表面的压强分布。

发明内容

针对传统研究波浪砰击荷载的研究存在的由于砰击荷载瞬时增大导致无法准确测量、圆柱结构表面压强无法捕捉、缺少关于模型坡度及坡高对波浪破碎状态影响等相关问题，本发明设计了一种新型的研究破碎波浪对圆柱的砰击荷载及压强分布的实验装置。本装置不仅可以测量作用在圆柱上的破碎波浪荷载及压强表面分布，而且通过铝合金型材间的组合可以考虑波浪沿着不同坡度传播进行破碎的影响，有利于模拟海上圆柱型结构物在面临不同的海况条件下所受到的荷载及其表面分布规律。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种研究破碎波浪对圆柱的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：包括实验水槽、设于实验水槽底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨、以及设于导轨上的圆柱结构模型；所述的圆柱结构模型可沿实验水槽的导轨滑动，以实现在不移动斜坡模型的情况下，改变圆柱结构与波浪破碎点的相对位置；实验水槽的侧面是透明的；

所述的斜坡模型包括不锈钢固定底板、铝合金型材以及不锈钢板，所述不锈钢板通过铝合金型材与不锈钢固定底板固定连接，铝合金型材的长度可调节，用于改变迎浪向坡度与坡高；不锈钢板通过T形螺栓与螺母固定在铝合金型材上，不锈钢板可根据需要进行更换；

所述的圆柱结构模型包括导轨支架、传感器和圆柱结构，圆柱结构与导轨支架下端连接，实现圆柱结构的悬空布置，测力传感器设于圆柱结构和导轨支架之间，用于测量圆柱结构所受到的波浪荷载；圆柱结构表面设有压强传感器，用于测量破碎波作用于圆柱结构表面的局部砰击压强；所述的圆柱结构模型通过导轨支架与导轨连接。

上述技术方案中，进一步地，所述的导轨支架通过滑块与导轨连接，可以在实验水槽上部自由滑动并在研究所需位置处停靠，利用木工夹进行固定。

进一步地，为保证圆柱结构在受到波浪荷载时不产生过大的晃动，所述的导轨支架由水平、竖直以及倾斜的铝合金型材组成，水平的铝合金型材构成导轨支架的上平面，上平面与导轨相连，可沿导轨滑动，竖直以及倾斜的铝合金型材连接在导轨支架的上平面下方，用以抵消作用在圆柱结构上的骤增荷载，避免圆柱结构产生过大的振动响应。

更进一步地，所示的导轨支架由铝合金型材通过型材连接角件以及螺母和T型螺丝相互连接组成。

进一步地，在圆柱结构表面预先留有螺纹孔，根据研究位置布置压强传感器，对于无需安装压强传感器的位置，可安装内六角螺丝，以保证圆柱结构表面完整无空洞，从而避免孔洞对流场的影响。

进一步地，铝合金型材通过型材连接角件与不锈钢固定底板连接，不锈钢固定底板可通过内六角螺丝固定于实验水槽底部。

不锈钢板上预先留有与铝合金型材组成的斜坡框架相匹配的开孔，并通过T型螺丝与螺母与铝合金型材连接固定，从而实现波浪沿着底部斜坡传播进而产生破碎。

本发明还提供一种研究破碎波浪对圆柱的砰击荷载及压强分布的实验方法，该方法基于上述的装置实现，步骤如下：

首先在实验水槽中进行空水槽滤波，使得造波机在实验水槽中造出特定的波形；随后在试验段的水槽底部加入斜坡模型，运用造波机进行造波，波浪在斜坡模型上传播时由于浅水效应，产生破碎现象；通过架设在水槽侧面的高速相机捕捉波浪破碎点的位置；进而将圆柱模型加入实验水槽中，并将其移动至破碎点位置，通过圆柱模型上方的测力传感器以及圆柱模型侧面布置的压强传感器，测量破碎波作用在圆柱模型上的荷载；最终通过分析数据结果，研究波浪在不同坡度上的传播特性、圆柱在不同位置处的受力以及压强分布规律。

本发明的有益之处在于：

本发明可以在实验水槽的模拟条件下，实现波浪沿着斜坡传播产生破碎并进一步砰击圆柱型结构的研究。本发明设计的底部斜坡模型可以通过改变铝合金型材的连接长度以及坡脚，实现波浪沿着不同倾角斜坡传播并产生破碎现象；进一步通过上部导轨支架位置的移动，实现测量不同位置处的圆柱结构模型所受砰击荷载；同时通过在圆柱结构表面布置的压强传感器，实现柱体表面压强分布的测量。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进行进一步说明

图1是本发明的不锈钢底板与铝合金型材连接示意图；

图2是本发明的底部斜坡模型的框架构造示意图；

图3是本发明的支架-测力传感器-圆柱连接示意图；

图4是本发明的滑块连接示意图；

图5是本发明整套装置的示意图；

1.铝合金型材A、2.型材连接角件A、3.螺母A、4.T型螺丝A、5.不锈钢底板、6.内六角螺丝A、7.铝合金型材B、8.型材连接角件B、9.螺母B、10.T型螺丝B、11.不锈钢板、12.铝合金型材C、13.型材连接角件C、14.螺母C、15.T型螺丝C、16.内六角螺丝B、17.支架-测力传感器连接装置、18.测力传感器、19.圆柱结构、20.导轨支架、21.导轨、22.螺母D、23.T型螺丝D、24.滑块、25.木工夹、26.压强传感器。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

一种研究破碎波浪对圆柱的砰击荷载及压强分布的实验装置，包括实验水槽、设于实验水槽底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨21、以及设于导轨21上的圆柱结构模型；所述的圆柱结构模型可沿实验水槽上的导轨21滑动，以实现在不移动斜坡模型的情况下，改变圆柱结构与波浪破碎点的相对位置。

如图5是本发明整套装置的示意图。铝合金型材A 1通过型材连接角件A 2相互连接，下部通过型材连接角件A 2与不锈钢底板5连接，固定于实验水槽底部。在铝合金型材A1上方铺设不锈钢板11，组成底部斜坡模型。滑块24布置在导轨21上，导轨支架20通过木工夹25固定于水槽上方。导轨支架20通过支架-测力传感器连接装置17与测力传感器18相连接，测力传感器18另一端与圆柱结构19相连接。圆柱结构19表面预先留有若干开孔，在开孔上布置有压力传感器26。

如图1为本发明的不锈钢底板与型材连接示意图。在图1中，不锈钢底板5通过内六角螺丝A 6与实验水槽底部连接固定，铝合金型材A 1通过型材连接角件A 2以及螺母A 3和T型螺丝A 4与不锈钢底板5连接。

如图2是本发明的底部斜坡模型的框架构造示意图。在图2中，铝合金型材B 7通过型材连接角件B 8以及螺母B 9和T型螺丝B10相互连接组成斜坡框架，在斜坡上方铺设不锈钢板11，通过预先留有的开孔，采用螺母B 9和T型螺丝B 10与铝合金型材相连接。

如图3是本发明的支架-测力传感器-圆柱连接示意图。在图3中，水平的铝合金型材构成导轨支架20的上平面，铝合金型材C 12通过型材连接角件C 13以及螺母C 14和T型螺丝C15连接到导轨支架的上平面下方共同组成导轨支架20，并通过支架-测力传感器连接装置17和内六角螺丝B16与测力传感器18连接，测力传感器18再与圆柱结构19连接。

如图4是本发明的滑块连接示意图。在图4中，滑块24布置在导轨21上，通过螺母D22和T型螺丝D 23与导轨支架20相连接。

上述装置的试验过程为：

首先在实验水槽中进行空水槽滤波，使得造波机在水槽中造出特定的波形。随后在试验段的水槽底部加入斜坡模型，运用造波机进行造波，波浪在斜坡模型上传播时由于浅水效应，产生破碎现象。水槽两侧为透明玻璃板，通过架设在水槽侧面的高速相机捕捉波浪破碎点的位置。进而将上方圆柱模型加入实验水槽中，并将其移动至破碎点位置，通过圆柱模型上方的测力传感器以及圆柱模型侧面布置的压强传感器，测量破碎波作用在圆柱模型上的荷载。最终通过分析数据结果，研究波浪在不同坡度上的传播特性、圆柱在不同位置处的受力以及压强分布规律。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。