CN110319962B - 一种吊物入水砰击力测量装置及方法 - Google Patents

一种吊物入水砰击力测量装置及方法 Download PDF

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CN110319962B CN201910619541.5A CN201910619541A CN110319962B CN 110319962 B CN110319962 B CN 110319962B CN 201910619541 A CN201910619541 A CN 201910619541A CN 110319962 B CN110319962 B CN 110319962B
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Abstract

本发明属于吊物入水试验技术领域，具体涉及能够精确的带动吊物产生竖直的升沉运动，满足吊物入水速度和强度要求的一种吊物入水砰击力测量装置。本装置包括支架5、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，所述动力机构设于所述支架5上，且所述动力机构与所述升降机构连接；所述称重机构设于所述升降机构上；所述线位移检测机构设于所述支架5上，且与所述升降机构连接。本装置能够准确测量不同入水速度下的砰击力，为实际工程提供数据支持；能够模拟极限工况下的吊物入水，测量高速入水时的砰击力，为检验吊物强度和极端海况作业提供指导。

Description

一种吊物入水砰击力测量装置及方法
技术领域
本发明属于吊物入水试验技术领域，具体涉及能够精确的带动吊物产生竖直的升沉运动，满足吊物入水速度和强度要求的一种吊物入水砰击力测量装置及方法。
背景技术
吊物入水过程结构物受力最为复杂，吊索拉力变化最为剧烈，飞溅区的结构物所受的力均为强非线性力，准确计算结构物所受的外力对吊装作业的效率和安全性以及经济性具有重要作用。吊物入水的关键问题是砰击，即吊物表面与自由面接触时产生的强非线性作用问题。在实际的海洋环境中，风浪作用不仅会造成设备的吊装精度降低，甚至还会导致船体与结构物发生碰撞，严重时还会威胁到人员的人身安全，为保证海上吊装作业的成功，正确测量吊物的砰击力具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吊物入水砰击力测量装置。
本发明的目的还在于提供一种吊物入水砰击力测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种吊物入水砰击力测量装置，包括：支架5、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，所述动力机构设于所述支架5上，且所述动力机构与所述升降机构连接；所述称重机构设于所述升降机构上；所述线位移检测机构设于所述支架5上，且与所述升降机构连接；所述升降机构包括升降杆1和横梁，升降杆1的外壁上沿轴向设置有齿条201，动力机构通过齿轮10与齿条201啮合，横梁垂直于升降杆1设于升降杆1的底部，称重机构设于横梁上；所述线位移检测机构包括线位移传感器9，线位移传感器9固定在支架5上，且与升降杆1连接，可检测升降杆1在竖直方向的位移，即吊物8在竖直方向的位移。
本装置升降杆1和横梁呈倒T字形设置，两个称重机构对称的设于横梁的两端，也可以设置多根横梁，多根横梁在中心处交叉设置，每根横梁上设有多个称重机构。
本装置还包括固定夹具，固定夹具与支架5连接，用于将支架5固定在拖车臂6上，相当于将整个测量装置固定在拖车臂6上，由拖车带动测量装置移动。
本装置5上还设有齿轮箱3，齿轮箱3内设有可转动的齿轮10轴，齿轮10设于齿轮10轴上，动力机构通过皮带11待定齿轮10轴转动。
本装置包括升降杆鞘2，升降杆鞘2套设于升降杆1上，且升降杆鞘2的侧壁与齿轮箱3 的内部连通，齿轮10自连通处与齿条201啮合；升降杆鞘2与齿轮箱3连接，在齿轮箱3的侧壁和升降杆鞘2的侧壁上均设有连接孔，二者的连接孔对接，将齿轮箱3的内部空间与升降杆鞘2的内部空间连通，齿轮10从二者的连通处伸入到升降杆鞘2的内部空间中，与升降杆1上的齿条201啮合，进而带动升降杆1的上下移动。
一种吊物入水抨击力的测量方法，采用上述测量装置，通过所述称重机构将待测吊物固定，包括如下步骤：
(1)待吊物和水面稳定后控制动力机构以恒定速度释放吊物，到达指定深度后停止；
(2)在释放吊物期间通过线位移测量机构测量吊物垂向位移h，通过称重机构测量拉力或压力F，F1吊物入水前的读数和F2吊物触水时的读数；
(3)吊物入水30秒后按入水速度提升吊物至初始位置；
(4)控制动力机构，使吊物以不同速度入水，完成所有实验工况。
本发明的有益效果在于：
(1)能够准确测量不同入水速度下的砰击力，为实际工程提供数据支持；
(2)能够模拟极限工况下的吊物入水，测量高速入水时的砰击力，为检验吊物强度和极端海况作业提供指导；
(3)能够支持大尺寸吊物的入水试验，满足大尺度吊物入水时对设备的强度要求，减少构件尺度对试验数据的影响。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的吊物入水砰击力测量装置的侧视结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的吊物入水砰击力测量装置的前视结构示意图；
图3是本发明一个实施例提供的齿轮箱部分示意图；
图4是吊物入水试验时入水速度为0.01m/s时的线位移检测机构检测到的位移随时间变化图；
图5是吊物入水试验时入水速度为0.01m/s时的称重机构检测到的拉力随时间变化图；
图6是吊物入水试验时入水速度为0.10m/s时的线位移检测机构检测到的位移随时间变化图；
图7是吊物入水试验时入水速度为0.10m/s时的称重机构检测到的拉力随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
附图中1：升降杆，2：升降杆鞘，3：齿轮箱，4：电机，5：支架，6：拖车臂，7：测力天平，8：吊物，9：线位移传感器，10：齿轮；11：皮带；201：齿条。
本发明涉及吊物入水试验技术领域，具体涉及一种吊物入水砰击力测量装置及方法。
本发明公开了一种吊物入水砰击力测量装置及方法，包括：支架、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，所述动力机构设于所述支架上，且所述动力机构与所述升降机构连接，用于带动所述升降机构上下移动；所述称重机构设于所述升降机构上，用于称量待测吊物；所述线位移检测机构设于所述支架上，且与所述升降机构连接，用于测量所述升降机构的线性位移。本发明还提供了利用上述装置进行吊物入水砰击力的测试方法，能够精确测量吊物尤其是大尺寸吊物的入水砰击力。
下面详细介绍本装置，包括：支架、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，所述动力机构设于所述支架上，且所述动力机构与所述升降机构连接，用于带动所述升降机构上下移动；所述称重机构设于所述升降机构上，用于称量待测吊物；所述线位移检测机构设于所述支架上，且与所述升降机构连接，用于测量所述升降机构的线性位移。
在测量时，通过所述称重机构将待测吊物固定；待吊物和水面稳定后控制动力机构以恒定速度释放吊物，到达指定深度后停止；在释放吊物期间通过线位移测量机构测量吊物垂向位移h，通过称重机构测量拉力或压力F，F1吊物入水前的读数和F2吊物触水时的读数；吊物入水30秒后按入水速度提升吊物至初始位置；控制动力机构，使吊物以不同速度入水，完成所有实验工况；
吊物触水前匀速运动的平衡方程为
0＝Fl+W
式中W表示重力，Fl表示吊物受的拉力，此时数值上测力天平的读数F1＝Fl＝W；
吊物匀速触水时的平衡方程为：
0＝FB+Fs+W+Fl
式中M表示吊物质量，FB表示浮力，Fs表示砰击力，此时数值上测力天平的读数 F2＝FB+Fs+W；
吊物的砰击力定义为：
Figure BDA0002125079200000031
式中Cs表示砰击力系数，ρ表示水密度，As表示触水面积，vs表示吊物的实际入水速度
Figure BDA0002125079200000032
h为线位移传感器测量的垂向位移；
单位长度吊物的浮力为：
dFB＝ρgdVs
式中dFB表示单位长度吊物的浮力，dVs表示单位长度吊物水下体积，g表示重力加速度，对上式积分可求得吊物的浮力；
吊物触水前后测力天平测量拉力F的差为：
F2-F1＝FB+Fs
再减去吊物入水浮力可得到砰击力Fs。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。在发明实施例的描述中，需要理解的是，所说的“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接。
在发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种吊物入水砰击力测量装置，包括支架5、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，动力机构设于支架5上，动力机构与升降机构连接，用于带动升降机构上下移动；称重机构设于升降机构上，在使用时，吊物8固定在称重机构上，可以通过称重机构读取吊物8的重量；线位移检测机构设于支架5上，且与升降机构连接，用于测量升降机构在竖直方向的线性位移。
具体的，试验前，在吊物8顶端焊接铁板，在吊物8的重心的正上方的两侧等距位置开孔，用于连接称重机构和吊物8，以保证在试验过程中，吊物8受力均衡。在试验时，将吊物8固定在称重机构上，待吊物8和水面稳定后控制动力机构以恒定速度释放吊物8，到达指定深度后停止；在释放吊物8期间通过线位移测量机构测量吊物8垂向位移h，通过称重机构测量拉力或压力F，F1吊物8入水前的读数和F2吊物8触水时的读数；吊物8入水30 秒后按入水速度提升吊物8至初始位置；控制动力机构，使吊物8以不同速度入水，完成所有实验工况；
吊物8触水前匀速运动的平衡方程为
0＝Fl+W
式中W表示重力，Fl表示吊物8受的拉力，此时数值上称重机构的读数F1＝Fl＝W；
吊物8匀速触水时的平衡方程为：
0＝FB+Fs+W+Fl
式中M表示吊物8质量，FB表示浮力，Fs表示砰击力，此时数值上称重机构的读数 F2＝FB+Fs+W；
吊物8的砰击力定义为：
Figure BDA0002125079200000051
式中Cs表示砰击力系数，ρ表示水密度，As表示触水面积，vs表示吊物8的实际入水速度
Figure BDA0002125079200000052
h为线位移检测机构测量的垂向位移。
单位长度吊物8的浮力为：
dFB＝ρgdVs
式中dFB表示单位长度吊物8的浮力，dVs表示单位长度吊物8水下体积，g表示重力加速度，对上式积分可求得吊物8的浮力；
吊物8触水前后称重机构测量拉力F的差为：
F2-F1＝FB+Fs
试验后计算每次吊物8入水的浮力和入水前后称重机构的读数差值并根据上式计算砰击力。
本实施例提供的测量装置能够通过动力机构和升降机构精确的带动吊物8产生竖直方向的升降运动，满足吊物8的入水速度和强度要求，通过控制动力机构的参数，能够准确的测量不同入水速度下产生的抨击力，为实际工程提供数据支持；且能够模拟极限工况下的吊物 8入水，测量高速入水时的抨击力，为检验吊物8强度和极端海况作业提供指导；能够支持大尺寸吊物8的入水试验，满足大尺度吊物8入水时对设备的强度要求，减少构件尺度对试验数据的影响。
进一步的，如图3所示，在本发明的一些实施例中，升降机构包括升降杆1和横梁，升降杆1的外壁上沿轴向设置有齿条201，动力机构通过齿轮10与齿条201啮合，横梁垂直于升降杆1设于升降杆1的底部，称重机构设于横梁上。具体的，升降杆1和横梁呈倒T字形设置，两个称重机构对称的设于横梁的两端。也可以设置多根横梁，多根横梁在中心处交叉设置，每根横梁上设有多个称重机构，在使用时，多个称重机构围绕吊物8的重心设置，以提高吊物8入水的平稳性。
进一步的，在本发明的一些实施例中，多个称重机构均匀设置，在试验时，多个称重机构同时对吊物8进行称重，能够平衡吊物8的受力。
进一步的，在本发明的一些实施例中，线位移检测机构包括线位移传感器9，线位移传感器9固定在支架5上，且与升降杆1连接，可检测升降杆1在竖直方向的位移，也就是吊物8在竖直方向的位移。
进一步的，在本发明的一些实施例中，还包括固定夹具，固定夹具与支架5连接，用于将支架5固定在拖车臂6上，相当于将整个测量装置固定在拖车臂6上，由拖车带动测量装置移动，以方便吊物8做入水测试。
进一步的，在本发明的一些实施例中，如图3所示，支架5上还设有齿轮箱3，齿轮箱3 内设有可转动的齿轮10轴，齿轮10设于齿轮10轴上，动力机构通过皮带11待定齿轮10轴转动，在本发明的一个实施例中，动力机构为电机4，电机4的输出轴与齿轮10轴平行设置，且通过皮带11连接，通过电机4输出轴的转动带动齿轮10轴的转动，并通过齿轮10与齿条201的啮合，带动升降杆1的上下移动(也就是沿竖直方向产生位移)。
进一步的，在本发明的一些实施例中，还包括升降杆鞘2，升降杆鞘2套设于升降杆1 上，且升降杆鞘2的侧壁与齿轮箱3的内部连通，齿轮10自连通处与齿条201啮合。齿轮箱3设置在支架5上，升降杆鞘2与齿轮箱3连接，在齿轮箱3的侧壁和升降杆鞘2的侧壁上均设有连接孔，二者的连接孔对接，将齿轮箱3的内部空间与升降杆鞘2的内部空间连通，齿轮10从二者的连通处伸入到升降杆鞘2的内部空间中，与升降杆1上的齿条201啮合，进而带动升降杆1的上下移动。
进一步的，在本发明的一些实施例中，通过首先通过固定夹具将测量装置固定在拖车臂 6上，通过称重机构将待测吊物8固定在测量装置上，将拖车开至水池中央，待吊物8和水面稳定后调整电机4转速以恒定速度释放吊物8，到达指定位移后停止；在释放吊物8期间通过线位移传感器9测量吊物8垂向位移，测力天平7测量拉力；吊物8入水30秒后按入水速度提升吊物8至初始位置；改变电机4转速，使吊物8以不同速度入水，完成所有实验工况。
实施例一：
吊物8参数如下：
参数 符号 单位 实际吊物8 试验模型
总长 L m 17.68 2.21
宽 B m 12.1 1.5
高 H m 2.55 0.44
重量 W Kg 53248 104
安装测量装置：电机4由螺栓固定在支架5上，支架5由口型钢焊接而成，支架5由固定夹具固定于拖车臂6上；电机4由传动皮带11带动齿轮箱3中齿轮10转动，齿轮10与升降杆1上的齿条201啮合带动升降杆1在升降杆鞘2做升降运动，升降杆1下端的横梁上用螺栓连接测力天平7，测力天平7下端用螺栓刚性连接吊物8的开孔位置并绝缘，两测力天平7等距分布于吊物8重心两侧；线位移传感器9固定于支架5并连接升降杆1。
控制电机4使吊物8以速度0.01m/s、0.10m/s匀速入水，测量吊物8入水过程中的位移和拉力如图5。
吊物8入水试验分析：当吊物8以0.01m/s的速度下落，吊物8刚刚触水时垂向力出现突变，但此时并非是砰击造成的，随着吊物8继续下落垂向力成大致水平此时为入水的阻力，当吊物8进一步入水时吊物8下放开孔板状结构触水产生砰击，此后水从开孔处渗出直到吊物8体积较大部分完全浸没垂向力回落，此时吊物8继续下放由于开孔板状结构以上部分结构稀疏遂阻力偏小并趋于水平，最后吊物8停止下放垂向力回归至浮力大小，低速入水试验结束。当吊物8以0.01m/s速度提升时，吊物8的受力过程与入水时相似，不同点在于外力方向相反，但最大拉力可达1400N，远大于入水时的砰击力。
当吊物8以0.10m/s的速度下落，吊物8从触水到开孔板状结构入水的过程极短无法从图像中表现，开孔板状结构入水时大量的水快速从开孔涌出，且不同位置涌出速度不同导致吊物8上的水量分布不均，吊物8产生剧烈摇晃，由于入水速度极大所以产生的砰击力较 0.01m/s入水更大，拉力的震动更剧烈，吊物8体积较大部分入水后所受拉力震动依然明显。吊物8以0.10m/s出水时，吊物8受到的拉力急剧增加并超过入水时的砰击力，拉力回落慢，最大值可达1900N。
吊物8出入水试验中试验设备将受到比预期砰击力更大的载荷，又由于此试验中吊物8 尺度大，载荷突变更加明显，因此在对装置测量准确性要求的同时可靠性和安全性也必须有保障。
计算结果如下：
入水速度(m/s) 实际入水速度 砰击力(N)
0.01 0.01 694
0.10 0.10 1515
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
综上所述，本发明一种吊物入水砰击力测量装置，包括：支架、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，所述动力机构设于所述支架上，且所述动力机构与所述升降机构连接，用于带动所述升降机构上下移动；所述称重机构设于所述升降机构上，用于称量待测吊物；所述线位移检测机构设于所述支架上，且与所述升降机构连接，用于测量所述升降机构的线性位移。
所述升降机构包括升降杆和横梁，所述升降杆的外壁上沿轴向设置有齿条，所述动力机构通过齿轮与所述齿条啮合；所述横梁垂直于所述升降杆设于所述升降杆的底部，所述称重机构设于所述横梁上。
所述称重机构的数量为多个，多个所述称重机构均匀设置。
所述线位移检测机构包括线位移传感器。
本装置还包括固定夹具，所述固定夹具与所述支架连接，用于将所述支架固定在拖车臂上。
所示支架上还设有齿轮箱，所述齿轮箱内设有可转动的齿轮轴，所述齿轮设于所述齿轮轴上，所述动力机构通过皮带带动所述齿轮轴转动。
本装置还包括升降杆鞘，所述升降杆鞘套设于所述升降杆上，且所述升降杆鞘的侧壁与所述齿轮箱的内部连通，所述齿轮自连通处与所述齿条啮合。
一种吊物入水抨击力的测量方法，包括采用如上所述的测量装置，通过所述称重机构将待测吊物固定；
待吊物和水面稳定后控制动力机构以恒定速度释放吊物，到达指定深度后停止；在释放吊物期间通过线位移测量机构测量吊物垂向位移h，通过称重机构测量拉力或压力F，F1吊物入水前的读数和F2吊物触水时的读数；吊物入水30秒后按入水速度提升吊物至初始位置；控制动力机构，使吊物以不同速度入水，完成所有实验工况。

Claims (1)

1.一种吊物入水砰击力测量装置，包括：支架(5)、动力机构、升降机构、称重机构和线位移检测机构，其特征在于，所述动力机构设于所述支架(5)上，且所述动力机构与所述升降机构连接；所述称重机构设于所述升降机构上；所述线位移检测机构设于所述支架(5)上，且与所述升降机构连接；所述升降机构包括升降杆(1)和横梁，升降杆(1)的外壁上沿轴向设置有齿条(201)，动力机构通过齿轮(10)与齿条(201)啮合，横梁垂直于升降杆(1)设于升降杆(1)的底部，称重机构设于横梁上；所述线位移检测机构包括线位移传感器(9)，线位移传感器(9)固定在支架(5)上，且与升降杆(1)连接，可检测升降杆(1)在竖直方向的位移，即吊物(8)在竖直方向的位移；
升降杆(1)和横梁呈倒T字形设置，两个称重机构对称的设于横梁的两端，也可以设置多根横梁，多根横梁在中心处交叉设置，每根横梁上设有多个称重机构；
还包括固定夹具，固定夹具与支架(5)连接，用于将支架(5)固定在拖车臂(6)上，相当于将整个测量装置固定在拖车臂(6)上，由拖车带动测量装置移动；
支架(5)上还设有齿轮箱(3)，齿轮箱(3)内设有可转动的齿轮(10)轴，齿轮(10)设于齿轮(10)轴上，动力机构通过皮带(11)待定齿轮(10)轴转动；
包括升降杆鞘(2)，升降杆鞘(2)套设于升降杆(1)上，且升降杆鞘(2)的侧壁与齿轮箱(3)的内部连通，齿轮(10)自连通处与齿条(201)啮合；升降杆鞘(2)与齿轮箱(3)连接，在齿轮箱(3)的侧壁和升降杆鞘(2)的侧壁上均设有连接孔，二者的连接孔对接，将齿轮箱(3)的内部空间与升降杆鞘2的内部空间连通，齿轮10从二者的连通处伸入到升降杆鞘2的内部空间中，与升降杆(1)上的齿条(201)啮合，进而带动升降杆(1)的上下移动；
吊物入水抨击力的测量方法，通过所述称重机构将待测吊物固定，包括如下步骤：
待吊物和水面稳定后控制动力机构以恒定速度释放吊物，到达指定深度后停止；
在释放吊物期间通过线位移测量机构测量吊物垂向位移h，通过称重机构测量拉力或压力F，F1吊物入水前的读数和F2吊物触水时的读数；
吊物入水30秒后按入水速度提升吊物至初始位置；
控制动力机构，使吊物以不同速度入水，完成所有实验工况；
吊物触水前匀速运动的平衡方程为
0＝Fl+W
式中W表示重力，Fl表示吊物受的拉力，此时数值上测力天平的读数F1＝Fl＝W；
吊物匀速触水时的平衡方程为：
0＝FB+Fs+W+Fl
式中M表示吊物质量，FB表示浮力，Fs表示砰击力，此时数值上测力天平的读数F2＝FB+Fs+W；
吊物的砰击力定义为：
Figure FDA0002785880510000021
式中Cs表示砰击力系数，ρ表示水密度，As表示触水面积，vs表示吊物的实际入水速度
Figure FDA0002785880510000022
h为线位移传感器测量的垂向位移；
单位长度吊物的浮力为：
dFB＝ρgdVs
式中dFB表示单位长度吊物的浮力，dVs表示单位长度吊物水下体积，g表示重力加速度，对上式积分可求得吊物的浮力；
吊物触水前后测力天平测量拉力F的差为：
F2-F1＝FB+Fs
再减去吊物入水浮力可得到砰击力Fs。
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