[发明专利]一种超重力场中的摇板式造波机系统

说明书

技术领域

本发明属于土工离心模型试验技术领域，涉及一种可用于离心模型试验中的摇板式造波机系统，专门用于超重力场中波浪荷载的模拟。

背景技术

土工离心模型试验已经广泛应用于多个领域，解决了许多复杂的关键技术问题，特别是土和结构的静力相互作用问题。但对于波浪循环荷载作用下的结构物和地基动力相互作用问题的研究还不够深入，只停留在一些机理的探讨上。在离心模型试验中要研究波浪荷载作用下地基土层与结构的动力相互作用，其技术瓶颈在于超重力作用下波浪的模拟与实现，迫切需要研发一套可在高离心加速度条件下使用的造波机系统。该系统的研发对于探索海洋复杂环境下工程建筑物的变形与受力机理，推动海上建筑物的设计与优化，进而促进我国海洋工程技术的发展具有十分重要的意义。

对于超重力场中波浪荷载的模拟已有一些研究，主要包括三种方法：(1)拟静力法。即将波浪极限荷载作为一个集中力，利用静力加载装置将该荷载施加于结构物上，现行港工规范推荐的波浪荷载计算方法就是拟静力法；(2)模拟波浪力法。即采用某一装置，对工程结构物施加模拟波浪力(循环荷载)。加载装置对于工程结构物施加力的过程可以是接触式(如采用锤击或施加机械力)，也可以是非接触式(如采用交变电磁力施加)。(3)造波设备施加。在离心力场中利用造波设备产生模拟波浪，直接作用于工程建筑物，这种方法在鼓型离心机中研究得较多。就目前的研究来看，由于离心力场中造波的理论与模拟技术还不太完善，离心力场中造波设备也比较复杂，因此绝大多数有关波浪荷载的研究主要采用前面两种方法。离心机造波设备只在个别小型臂式离心机和鼓型离心机中实现，仅限于一些机理性的研究。

近年来世界各国都在加大对海洋的开发力度，迫切需要掌握复杂条件下“波浪—地基—结构物动力相互作用机理，”为离岸结构的设计提供技术支撑。作为唯一能在缩尺模型尺度和真实应力场条件下再现原型过程的有效手段，相应的超重力场中造波机系统是实现这一目的的前沿实验装置。

因此，开发一种超重力场中的造波机系统来模拟超重力场中真实波浪荷载的能力变得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于研发一套与大型土工离心机配套的具有超重力作用下模拟真实波浪能力的造波机系统，在离心模型试验过程中实现波浪—结构—地基动力相互作用的模拟，从而揭示超重力场中波浪的运动规律，为研究海洋建筑物的变形与受力特性提供试验手段。

本发明提供了一种超重力场中的摇板式造波机系统，该系统能反映波浪的所有特征，包括能控制波浪的频率、波长和幅值，能在离心加速度120g条件下正常工作，能模拟超过60m水深条件，波浪作用的长度范围大于120m。

由于是在超重力场环境中，所有模拟装置都要承受巨大的离心力。造波机是超重力场中波浪荷载模拟的关键设备，面临着超重力条件下设备运动能力、运行精度、自动化控制与测试仪器微型化等一系列挑战。

实现本发明目的的技术方案是：一种超重力场中的摇板式造波机系统，包括：离心机系统、电机、皮带、变速器、力转换装置、摇板装置和消浪装置，所述离心机系统包括转臂、支座、吊篮和模型箱；所述模型箱设置在离心机系统的吊篮中；所述造波机系统设置在模型箱上，所述造波机系统的电机、传动轴、变速器、力转换装置固定在模型箱顶盖的上表面，电机、传动轴和变速器的轴向垂直于模型箱顶盖面，电机、传动轴和变速器并列设置；所述电机的输出通过传动轴经过变速器变速输出至力转换装置的输入端；所述力转换装置包括转动圆盘、连杆、连接件、滑动轨道，所述力转换装置将电机输出的旋转运动转换为直线往复运动，再输出至摇板的第二端；所述摇板装置包括摇板、固定板和支座，支座固定在模型箱底板上，摇板的第一端和固定板可转动连接，摇板的第二端穿过模型箱顶盖和力转换装置的输出端可旋转连接。

作为本发明的进一步改进，所述力转换装置由转动圆盘、连接件、连杆和滑动轨道组成，转动圆盘上设有若干与圆心距离不等的偏心孔，连杆水平设置，连杆的第一端和转盘上的其中一个偏心孔可转动连接，连杆的第二端连接至摇板的第一端。

作为本发明的进一步改进，所述模型箱内还设有消浪装置，所述消浪装置包括消浪板和固定座，固定座连接在模型箱底板上，消浪板连接在固定座上。所述消浪板采用开缝的消浪格栅板，结合塑料盲沟，并采用主动消浪技术，形成无反射复合消浪系统。

本发明具有下列优点和积极效果：