[发明专利]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

说明书

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。

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。