[发明专利]一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法

说明书

本发明公开了一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，基于一套装置，装置包括水下结构物模型；测力传感器，内嵌设置在所述水下结构物模型内部；高度可调的伸缩杆，其一端伸入所述水下结构物模型内部与所述测力传感器连接，另一端与一底盘固定连接，所述底盘用于支撑整个装置。本发明通过测力传感器测量内孤立波经过时对结构物模型的三维受力数据；通过高度可调的伸缩杆改变结构物模型在实验室水槽中的深度；通过转动底盘改变内孤立波与结构物模型相互作用的角度，能够保证在不影响整体流场的情况下，精确测量作用于任意形状的水下结构物的作用力，为海洋工程结构物的设计提供可靠的理论依据和技术保障。

技术领域

本发明涉及水下结构物与内波相互作用机理的研究，具体是一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法。

背景技术

内孤立波的特征波长达上千米，波幅达数百米，这种大幅度的内部波动产生的水下强流产生的冲击载荷是海洋结构物疲劳损伤的主要来源之一，评估内孤立波载荷已成为海洋工程结构物设计中必须考虑的一个重要因素。

由于海洋内孤立波与水下结构物相互作用情况，由于内孤立波难以观测，开展实物试验存在很大困难和花费高昂，在实验室开展物理模型试验便成为必要且可靠的研究方法。

目前针对水下结构物在内孤立波环境中的水动力性能研究，大多数都是测力传感器外置于结构物的形式测力，以细长剑杆两端分别与模型和测力传感器固接的方式间接测量结构物的载荷，

如专利号ZL201810114516.7公开的一种内波与潜体相互作用的实验系统，以及申请号202110436236.X公开的一种双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统和测量方法。

但是上述两个专利公开的测力方式均为外置式测力传感器，外置式测力传感器需要有连接杆连接传感器和实验模型，作用在模型上的受力通过连接杆传递到传感器，传递过程中可能会损失一部分模型受力，同时连接杆受到的内孤立波作用力也会一同被传感器采集，这种测量方式误差较大。

发明内容

针对上述现有测力装置中的不足，本发明提供一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，本发明方法能够保证在不影响整体流场的情况下，精确测量作用于任意形状的水下结构物的作用力，为海洋工程结构物的设计提供可靠的理论依据和技术保障。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下结构物与内孤立波作用的嵌入式测力方法，基于一套装置，装置包括：

水下结构物模型；

测力传感器，内嵌设置在所述水下结构物模型内部，并与所述水下结构物模型的内壁固定连接，用于检测所述水下结构物模型的三维受力数据；

高度可调的伸缩杆，其一端伸入所述水下结构物模型内部与所述测力传感器连接，另一端与一底盘固定连接，所述底盘用于支撑整个装置；

通过嵌入结构物模型内部的测力传感器测量内孤立波经过时对结构物模型的三维受力数据；测力传感器通过应变测量仪和信号放大器连接PC端；模型受到的内孤立波作用力传递到测力传感器，测力传感器输出电信号到数据采集器，电信号经过信号放大器处理，最后PC端根据实验前获得的电信号-作用力标定矩阵换算得到内孤立波作用力，对三维作用力测量结果进行无量纲化得到最终结果：

F_x^*＝F_x/ΔρgV；

F_y^*＝F_y/ΔρgV；

F_z^*＝F_z/ΔρgV，其中，