一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置及使用方法

1.本发明属于海上风电技术领域，具体涉及一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置及使用方法。


背景技术：

2.与传统能源行业相比，海上风电具有清洁高效、对环境影响小、规模化开发难度低等优点。在海上风机服役期间，风浪流产生的水平循环荷载、水力作用下冲刷坑的形成都将改变基础周围土体的力学特性，进而改变上部结构-基础-土体系统的刚度，引起自振频率迁移，增加风机运营安全隐患；不仅如此，实际工程中这些荷载条件往往存在耦合：循环荷载将影响冲刷坑的发展，冲刷又将改变结构体系的动力特性；即单纯对这两种现象独立考虑还不足以完全揭示真实环境中的风机动力响应特性，有必要对长期循环荷载与冲刷演化过程的耦合效应进行更深入的研究。
3.然而，由于目前相关试验尚未大规模开展，大多循环荷载试验装置在设计时未考虑冲刷对土体产生的重要作用；这类装置多是试验桶上设支撑架，配合两边对称定滑轮与钢丝绳，通过向与钢丝绳相连的砝码盘加重物来回牵拉试验对象实现循环加载，整体较为笨重且不易精确控制施加力的大小和频率，无法与冲刷演化过程协调工作，故不适用于循环荷载与冲刷耦合的独特实验场景；即便考虑了冲刷，也多采取人工预估冲刷深度手工掘坑的方式，无法考虑循环荷载对冲刷的发展过程，耦合程度低且不符合真实工程环境；而对于一些考虑了多场耦合的实验平台，又没有深入地对风机日常运行中产生的循环荷载进行模拟；综上，建立一个轻便易实现的、专面向长期循环荷载与冲刷演化过程耦合试验场景的加载装置显得意义十分突出。


技术实现要素：

4.技术问题：针对上述存在的问题，本发明提供一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置及使用方法，面向风机多遇循环荷载工况，对风机日常运行中所受的风浪流多种水平循环荷载等效为一点加载，实现荷载精确控制，弥补其他多场荷载耦合试验平台没有考虑循环荷载的缺陷，为探究风机日常服役过程灾毁原理奠定设备基础。
5.技术方案：为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，包括波流水槽，所述波流水槽里面具有一个沉砂池，所述沉砂池中安装有海上风机缩尺简化模型，所述海上风机缩尺简化模型上的指定加载点处设置有抱箍；所述波流水槽的护栏上通过支撑支架安装有水平循环荷载施加装置，所述水平循环荷载施加装置的加载杆通过弹簧连接所述抱箍；所述指定加载点的位置设置在海上风机缩尺简化模型上距离波流水槽的沉砂池泥面的高度为y处，且y通过以下公式计算得到：
7.8.p＝p1+p2+p39.其中，p1为风机叶片旋转产生荷载，p2为塔身受到的风荷载，p3为波流水槽的波流对海上风机缩尺简化模型产生的冲击力，p为水平循环荷载施加装置产生的正弦波形式的循环力，y1、y2、y3分别为p1、p2、p3各自从施加位置到沉砂池泥面的垂直距离。。
10.进一步地，所述抱箍、弹簧、加载杆处于同一水平线上。
11.进一步地，所述水平循环荷载施加装置具体包括水平支撑框，所述水平支撑框的四角栓孔处安装螺栓并使用万用夹与波流水槽的护栏固定，竖向支撑框与水平支撑框焊接固定，在竖向支撑框两侧均有等间距螺栓限位孔，平台钢板通过其四角的螺栓与竖向支撑框两侧的螺栓限位孔连接，加载电机通过固定螺栓安装在平台钢板上并与旋转曲柄连接；旋转曲柄上设置有滑槽，匀胶连杆的一端通过转轴安装在所述滑槽中，另一端与所述加载杆可转动连接，加载杆通过安装在平台钢板上的导向管保证加载杆为水平伸缩运动。
12.进一步地，所述加载杆末端安装力传感器，力传感器通过钢丝连接所述弹簧。
13.进一步地，所述海上风机缩尺简化模型包括单桩基础模型，所述单桩基础模型上部通过法兰连接风机模型塔身，所述风机模型塔身顶部设置有上部结构质量块，所述风机模型塔身的指定加载点的位置设置抱箍。
14.上述耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置的使用方法，该方法包括如下步骤：
15.s1.首先针对所要模拟的具体工程环境，根据风机相似比确定模型尺寸、质量、土性参数、水力条件相关的物理指标后将风机模型安置在实验土中，整平土面；
16.s2.安装后实测模型自振频率，根据模型与原型无量纲频率相似的要求确定对模型力的加载频率；实测极限倾覆弯矩以确定施加循环荷载幅值，并保证模型与原型加载力幅值相似；
17.s3.将力传感器与弹簧连接并接在加载杆上，在波流水槽外预先测试拉力幅值是否满足要求，测试完后断开弹簧与力传感器的连接，将支撑支架放置在水槽护栏上并固定，调节加载杆初始位置，确保加载时完全施加拉力，将加载电机固定在平台钢板上，确保旋转曲柄正常运作；
18.s4.调整抱箍及平台钢板位置，使加载杆对准指定的加载点；用钢丝将抱箍与弹簧相连，随后将力传感器重新与弹簧相连，连接时钢丝绳需保持张拉状态且弹簧为初始状态，安装完成后微调加载电机位置确保导向管、弹簧、加载杆及钢丝处在一条水平线上且力传感器示数为0.1n，以确保加载力能直接传递到结构上；
19.s5.在风机模型的上游水槽护栏放置安装架并配置激光位移计，在模型上部质量块上安装加速度传感器，分别用于监测单桩模型累积桩身位移、转角及采集上部结构加速度；
20.s6.所有设备安装连接完毕，测试激光位移计、加速度传感器是否工作正常，开启波流水槽造波造流功能模拟冲刷条件，待水槽实现稳定造波造流后，开启加载电机电源，水平循环荷载施加装置向单桩模型施加模拟循环荷载，用于进行长期循环荷载与冲刷演化过程耦合的缩尺模型试验。
21.进一步地，步骤s2中所述循环荷载频率，通过以下方式进行调节：
22.通过调节加载电机转速调节曲柄圆周运动的频率，达到改变施加循环力频率的目的，产生加载杆端水平位移为δ＝asin(ωt)，其中a为滑槽中转轴中心位置到加载电机的动
力输出轴中心的距离，ω是加载电机旋转的角速度；
23.进一步地，步骤s2中所述循环荷载幅值，通过以下两种方式之一进行调节：
24.①
调节滑槽中转轴的位置来改变其圆周运动半径，调整加载杆产生的水平位移大小，进而改变施加力的幅值；
25.②
选用不同劲度系数的弹簧，改变循环力幅值，曲柄持续旋转过程中施加在模型上的力为f(t)＝kδ＝kasin(ωt)，其中k为弹簧的劲度系数。
26.本发明的有益效果为：
27.1.循环荷载是海上风机服役周期中最为常见的荷载条件，也是引起其基础累积位移的重要致灾因素。本发明专面向风机多遇循环荷载工况，对风机日常运行中所受的风浪流多种水平循环荷载等效为一点加载，实现荷载精确控制，弥补其他多场荷载耦合试验平台未考虑日常运营中循环荷载的缺陷，为探究风机日常服役过程灾毁原理奠定设备基础。
28.2.本发明专面向长期循环荷载与冲刷演化过程耦合试验场景而设计，配套波流水槽使用，可轻松地安装在水槽护栏上，向风机塔身模型施加正弦波式水平循环荷载，相较于其他循环荷载试验装置，结构更轻巧且传力路径更清晰；以易实现、反馈明显即时的调节方式，实现更精确的力控制荷载施加，为对耦合试验条件下循环力的不同幅值与施加频率等参数进行分析提供更理想的设备条件；装置原理简单，耐久性高，易于维护，稳定性好。
29.3.本发明可同时进行浪流冲刷与水平循环荷载的施加，依托波流水槽的真实水力条件冲坑来考虑冲刷作用，开展海上风机长期水平循环荷载与浪流冲刷演化过程耦合作用下的试验，不仅可直接观察冲刷坑发展情况，而且可解决人工挖掘冲刷坑耦合度低、不准确的问题，为进一步揭示风机灾毁机理提供设备基础。
附图说明
30.图1是本发明的整体结构示意图；
31.图2是本发明的水平循环荷载施加装置的结构示意图；
32.图3是本发明的海上风机缩尺简化模型的结构示意图；
33.图4是本发明的水平循环荷载等效原理图；
34.图5为实施例加载杆水平位移波形图；
35.图6为实施例加载杆产生水平循环力波形图。
36.附图标识列表：
37.水平支撑框1、竖向支撑框2、平台钢板3、锚固螺栓4、加载电机5、电机固定螺栓6、旋转曲柄7、匀胶连杆8、加载杆9、导向管10、把手11、加固斜杆12、上部结构质量块13、抱箍14、风机模型塔身15、法兰16、单桩基础模型17、波流水槽18、沉砂池19、弹簧20、力传感器21。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
39.如图2、3所示，本实施例的一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，包括波流水槽18，所述波流水槽里面具有一个沉砂池19，所述沉砂池中安装有海上风机缩尺简化模
型，所述海上风机缩尺简化模型上的指定加载点处设置有抱箍14；所述波流水槽的护栏上通过支撑支架安装有水平循环荷载施加装置，所述水平循环荷载施加装置的加载杆通过弹簧连接所述抱箍；所述指定加载点的位置设置在海上风机缩尺简化模型上距离波流水槽的沉砂池泥面的高度为y处，如图4，本发明根据力矩等效原理，将风机叶片旋转产生荷载p1，塔身受到的风荷载p2与下部波流产生的冲击力p3等效为一个施加高度为y、正弦波形式的循环力p，单点施加于模型塔身。且y通过以下公式计算得到：
[0040][0041]
p＝p1+p2+p3[0042]
其中y1、y2、y3分别为p1、p2、p3各自从施加位置到沉砂池泥面的垂直距离。
[0043]
本实施例中所述水平循环荷载施加装置包括水平支撑框1、竖向支撑框2、平台钢板3、锚固螺栓4、加载电机5、电机固定螺栓6、旋转曲柄7、匀胶连杆8、加载杆9、导向管10、把手11、加固斜杆12。所述海上风机单桩缩尺简化模型包括：上部结构质量块13、抱箍14、风机模型塔身15、法兰16、单桩基础模型17。
[0044]
所述水平循环荷载施加装置通过支撑支架安置在波流水槽护栏上，用于向海上风机单桩缩尺简化模型施加水平循环荷载。支撑支架由水平支撑框1与竖向支撑框2组成。水平支撑框四角栓孔处安装螺栓并使用万用夹与水槽护栏固定。竖向支撑框与水平支撑框焊接固定，在竖向支撑框两侧均有等间距螺栓限位孔，平台钢板3长47.5cm，宽16.8cm，厚为1cm。其四角处设直径1cm的螺栓孔，通过螺栓与竖向支撑框进行连接，可根据需要调整锚固螺栓4的位置，进而调整平台钢板的高度，从而改变水平循环荷载施加高度。
[0045]
所述水平循环荷载施加装置中，加载电机5通过固定螺栓6安装在平台钢板上并与旋转曲柄7连接；四枚固定螺栓呈正方形放置，彼此间距8.5cm。旋转曲柄与匀胶连杆8间、匀胶连杆与加载杆9间均使用转轴连接。旋转曲柄上的滑槽长7.5cm。加载杆通过安装在平台钢板上的导向管10，保证加载杆为水平伸缩运动；加载杆末端安装力传感器21，力传感器通过钢丝连接弹簧，弹簧与单桩模型上部安装的抱箍14连接，实现动力传送，向单桩模型指定加载点施加水平循环荷载。
[0046]
上述耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置的使用方法，该方法包括如下步骤：
[0047]
s1.首先针对所要模拟的具体工程环境，根据风机相似比确定模型尺寸、质量、土性参数、水力条件相关的物理指标后将风机模型安置在实验土中，整平土面；
[0048]
s2.安装后实测模型自振频率，根据模型与原型无量纲频率相似的要求确定对模型力的加载频率；实测极限倾覆弯矩以确定施加循环荷载幅值，并保证模型与原型加载力幅值相似；
[0049]
s3.将力传感器与弹簧连接并接在加载杆上，在波流水槽外预先测试拉力幅值是否满足要求，测试完后断开弹簧与力传感器的连接，将支撑支架放置在水槽护栏上并固定，调节加载杆初始位置，确保加载时完全施加拉力，将加载电机固定在平台钢板上，确保旋转曲柄正常运作；
[0050]
s4.调整抱箍及平台钢板位置，使加载杆对准指定的加载点；用钢丝将抱箍与弹簧相连，随后将力传感器重新与弹簧相连，连接时钢丝绳需保持张拉状态且弹簧为初始状态，安装完成后微调加载电机位置确保导向管、弹簧、加载杆及钢丝处在一条水平线上且力传
感器示数为0.1n，以确保加载力能直接传递到结构上；
[0051]
s5.在风机模型的上游水槽护栏放置安装架并配置激光位移计，在模型上部质量块上安装加速度传感器，分别用于监测单桩模型累积桩身位移、转角及采集上部结构加速度；
[0052]
s6.所有设备安装连接完毕，测试激光位移计、加速度传感器是否工作正常，开启波流水槽造波造流功能模拟冲刷条件，待水槽实现稳定造波造流后，开启加载电机电源，水平循环荷载施加装置向单桩模型施加模拟循环荷载，用于进行长期循环荷载与冲刷演化过程耦合的缩尺模型试验。
[0053]
进一步地，步骤s2中所述循环荷载频率与幅值，通过以下方式调节：
[0054]
接通电源后，加载电机带动旋转曲柄圆周运动，如图4，产生加载杆端水平位移为δ＝asin(ωt)，a为滑槽中转轴中心位置到加载电机的动力输出轴中心的距离，ω是电机旋转的角速度。可通过调节加载电机转速调节曲柄圆周运动的频率，进而改变施加力的频率；可调节滑槽中转轴位置来改变其圆周运动半径，调整产生的水平位移大小，进而改变施加力的幅值；使用钢丝连接电机前端的加载杆与一根劲度系数为k的弹簧，并连接到单桩模型塔身的抱箍上。如图5，曲柄持续旋转过程中施加在模型上的力为f(t)＝kδ＝kasin(ωt)，选用不同劲度系数的弹簧，亦可改变循环力幅值。较其他循环荷载实验装置，以改变电机转速、加载杆水平位移大小和弹簧劲度系数等易实现、反馈明显且即时的调节方式，可实现更加精确的力控制荷载施加，为对耦合试验条件下循环力的不同幅值与施加频率等参数进行分析提供更理想的设备条件。力的大小可通过力传感器连接到终端实时显示，可实现最大50n左右的循环力长期加载(万次级循环)以及200n的水平静力加载。由此，曲柄旋转产生的简谐运动通过弹簧与钢丝实现对风机模型水平循环荷载的力控制输出。
[0055]
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，其特征在于，该装置包括波流水槽，所述波流水槽里面具有一个沉砂池，所述沉砂池中安装有海上风机缩尺简化模型，所述海上风机缩尺简化模型上的指定加载点处设置有抱箍；所述波流水槽的护栏上通过支撑支架安装有水平循环荷载施加装置，所述水平循环荷载施加装置的加载杆通过弹簧连接所述抱箍；所述指定加载点的位置设置在海上风机缩尺简化模型上距离波流水槽的沉砂池泥面的高度为y处，且y通过以下公式计算得到：p＝p1+p2+p3其中，p1为风机叶片旋转产生荷载，p2为塔身受到的风荷载，p3为波流水槽的波流对海上风机缩尺简化模型产生的冲击力，p为水平循环荷载施加装置产生的正弦波形式的循环力，y1、y2、y3分别为p1、p2、p3各自从施加位置到沉砂池泥面的垂直距离。2.根据权利要求1所述的一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，其特征在于，所述抱箍、弹簧、加载杆处于同一水平线上。3.根据权利要求1或2所述的一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，其特征在于，所述水平循环荷载施加装置具体包括水平支撑框，所述水平支撑框的四角栓孔处安装螺栓并使用万用夹与波流水槽的护栏固定，竖向支撑框与水平支撑框焊接固定，在竖向支撑框两侧均有等间距螺栓限位孔，平台钢板通过其四角的螺栓与竖向支撑框两侧的螺栓限位孔连接，加载电机通过固定螺栓安装在平台钢板上并与旋转曲柄连接；旋转曲柄上设置有滑槽，匀胶连杆的一端通过转轴安装在所述滑槽中，另一端与所述加载杆可转动连接，加载杆通过安装在平台钢板上的导向管保证加载杆为水平伸缩运动。4.根据权利要求1或2所述的一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，其特征在于，所述加载杆末端安装力传感器，力传感器通过钢丝连接所述弹簧。5.根据权利要求1或2所述的一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置，其特征在于，所述海上风机缩尺简化模型包括单桩基础模型，所述单桩基础模型上部通过法兰连接风机模型塔身，所述风机模型塔身顶部设置有上部结构质量块，所述风机模型塔身的指定加载点的位置设置抱箍。6.权利要求1-5之一所述的一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置的使用方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：s1.首先针对所要模拟的具体工程环境，根据风机相似比确定模型尺寸、质量、土性参数、水力条件相关的物理指标后将风机模型安置在实验土中，整平土面；s2.安装后实测模型自振频率，根据模型与原型无量纲频率相似的要求确定对模型力的加载频率；实测极限倾覆弯矩以确定施加循环荷载幅值，并保证模型与原型加载力幅值相似；s3.将力传感器与弹簧连接并接在加载杆上，在波流水槽外预先测试拉力幅值是否满足要求，测试完后断开弹簧与力传感器的连接，将支撑支架放置在水槽护栏上并固定，调节加载杆初始位置，确保加载时完全施加拉力，将加载电机固定在平台钢板上，确保旋转曲柄正常运作；s4.调整抱箍及平台钢板位置，使加载杆对准指定的加载点；用钢丝将抱箍与弹簧相
连，随后将力传感器重新与弹簧相连，连接时钢丝绳需保持张拉状态且弹簧为初始状态，安装完成后微调加载电机位置确保导向管、弹簧、加载杆及钢丝处在一条水平线上且力传感器示数为0.1n，以确保加载力能直接传递到结构上；s5.在风机模型的上游水槽护栏放置安装架并配置激光位移计，在模型上部质量块上安装加速度传感器，分别用于监测单桩模型累积桩身位移、转角及采集上部结构加速度；s6.所有设备安装连接完毕，测试激光位移计、加速度传感器是否工作正常，开启波流水槽造波造流功能模拟冲刷条件，待水槽实现稳定造波造流后，开启加载电机电源，水平循环荷载施加装置向单桩模型施加模拟循环荷载，用于进行长期循环荷载与冲刷演化过程耦合的缩尺模型试验。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤s2中所述循环荷载频率，通过以下方式进行调节：通过调节加载电机转速调节曲柄圆周运动的频率，达到改变施加循环力频率的目的，产生加载杆端水平位移为δ＝asin(ωt)，其中a为滑槽中转轴中心位置到加载电机的动力输出轴中心的距离，ω是加载电机旋转的角速度。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤s2中所述循环荷载幅值，通过以下两种方式之一进行调节：
①
调节滑槽中转轴的位置来改变其圆周运动半径，调整加载杆产生的水平位移大小，进而改变施加力的幅值；
②
选用不同劲度系数的弹簧，改变循环力幅值，曲柄持续旋转过程中施加在模型上的力为f(t)＝kδ＝kasin(ωt)，其中k为弹簧的劲度系数。

技术总结
本发明提供一种耦合冲刷过程的长期循环荷载加载装置及使用方法，属于海上风电技术另有。本发明的装置包括波流水槽，所述波流水槽里面具有一个沉砂池，所述沉砂池中安装有海上风机缩尺简化模型，所述海上风机缩尺简化模型上的指定加载点处设置有抱箍；所述波流水槽的护栏上通过支撑支架安装有水平循环荷载施加装置，所述水平循环荷载施加装置的加载杆通过弹簧连接所述抱箍。本发明对风机日常运行中所受的风浪流多种水平循环荷载等效为一点加载，实现荷载精确控制，弥补其他多场荷载耦合试验平台没有考虑循环荷载的缺陷，为探究风机日常服役过程灾毁原理奠定设备基础。服役过程灾毁原理奠定设备基础。服役过程灾毁原理奠定设备基础。


技术研发人员：王琛 张浩 梁发云 韩力 郑瀚波 杨阳
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/14