本發(fā)明屬于港口航道工程實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備，具體涉及一種導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置及應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
：隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，濱海資源得到進(jìn)一步的開發(fā)，深海經(jīng)濟(jì)越來越受到重視。船型的大型化及碼頭的深水化成為必然的趨勢，但隨之而來的，工程建設(shè)也將面對越來越惡劣的自然條件。船舶的系泊及大型結(jié)構(gòu)物的錨定通常會利用高強(qiáng)度的纜繩來與固定的墩柱連接以保證安全。纜繩的受力與船舶運(yùn)動具有非常復(fù)雜的關(guān)系，它不僅涉及到系纜力等對船舶的非線性約束，同時(shí)還涉及風(fēng)、水流動以及波浪的作用，而且不同的碼頭泊位布置方案如碼頭長度、結(jié)構(gòu)布置等也會直接影響到船舶的系纜力的分布。其中，系泊纜繩的布置方式、使用數(shù)量、初張拉力以及材料種類都會對船舶和碼頭結(jié)構(gòu)的安全與正常運(yùn)行產(chǎn)生重要的影響。如上所述，由于船舶所受外荷載的多樣性，纜繩受力十分復(fù)雜，因此需要在實(shí)驗(yàn)室中通過船舶系泊物理模型試驗(yàn)的方法對實(shí)際工程中碼頭泊位和系泊船舶纜力設(shè)計(jì)等進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行船舶系泊物理模型試驗(yàn)時(shí)，需要合適的替代物來模擬實(shí)際工程中的彈性繩索(在實(shí)際工程中，纜繩在受拉力作用下都會有一定變形，而其變形將影響對于系纜物體的約束,纜繩的受力變形特性與其長度、直徑以及材料等因素有關(guān)，表現(xiàn)為明顯的非線性特點(diǎn)。因此正確的模擬彈性繩索對于試驗(yàn)結(jié)果具有重要的影響)。目前，試驗(yàn)室主要通過組合彈簧片或者尋找相似替代材料來模擬實(shí)際工程原型的彈性繩索，如以縮小的鋼絲繩、尼龍線等性能接近的材料來進(jìn)行試驗(yàn)。但上述方法均無法較為準(zhǔn)確模擬實(shí)際繩索的拉力-變形曲線(即無法準(zhǔn)確模擬實(shí)際繩索的拉力變形特性)。一方面需要多次重復(fù)試驗(yàn)，操作費(fèi)時(shí)，且模擬效果較差；另一方面，由于實(shí)際工程中采用的繩索多樣，且由于試驗(yàn)比尺限制，很難找到一種便捷、通用的方法來模擬彈性繩索。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種可以準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程中的彈性繩索的導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置。該導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置可以準(zhǔn)確模擬實(shí)際繩索的拉力變形特性，適用于船舶系泊、大型結(jié)構(gòu)物錨定等彈性繩索模擬，可推廣應(yīng)用于其他類型模型試驗(yàn)的繩索模擬。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置，包括兩個(gè)滑道板，在滑道板上沿其長向豎直開設(shè)有多個(gè)滑槽，在每一個(gè)滑槽上設(shè)置可以上下自由滑動的限位螺絲；在兩個(gè)滑道板中間豎直設(shè)置有一空心導(dǎo)軌，空心導(dǎo)軌底部固定于底板上，空心導(dǎo)軌頂端設(shè)置一定滑輪，空心導(dǎo)軌的底部還滑動套裝有一托盤；定滑輪一側(cè)的導(dǎo)線豎直穿過空心導(dǎo)軌并與底部托盤相連；其中空心導(dǎo)軌側(cè)面留有縫隙，以使托盤能夠隨導(dǎo)線通過導(dǎo)軌上下移動；在空心導(dǎo)軌上還套設(shè)有多個(gè)重塊，重塊的數(shù)量與單個(gè)滑道板上的滑槽的數(shù)量一致；重塊之間通過彈簧連接，并在每個(gè)重塊的底部水平設(shè)置支撐桿，支撐桿的兩端分別搭接在兩個(gè)滑道板滑槽上的限位螺絲上，以使重塊只能向上移動而限制其向下運(yùn)動；當(dāng)彈性繩索受力時(shí)，繩索拉力通過滑輪導(dǎo)線將底部托盤提起，并壓縮彈簧，當(dāng)重塊提升高度達(dá)到一定程度時(shí)，底部托盤與其上重塊相接并繼續(xù)向上運(yùn)動；至拉力達(dá)到最大值時(shí)，重塊停止向上運(yùn)動，并隨著拉力變小向下運(yùn)動；當(dāng)拉力恢復(fù)至小于某個(gè)重塊的重量時(shí)，該重塊由于受到限位螺絲的阻擋而停止向下運(yùn)動。在上述技術(shù)方案中，每個(gè)滑道板上豎直設(shè)置5-10個(gè)規(guī)格相同的滑槽，每個(gè)滑槽等間距布置。在上述技術(shù)方案中，滑輪另一側(cè)的導(dǎo)線與另一個(gè)可移動的滑輪相連，該可移動的滑輪可靈活固定于彈性繩索的一段。在上述技術(shù)方案中，在滑道板一側(cè)，設(shè)置一標(biāo)尺，其精度為毫米級，用于控制各個(gè)重塊之間的距離。在上述技術(shù)方案中，為防止重塊在與托盤或前一個(gè)重塊接觸前被彈簧頂起，將重塊下部設(shè)置凹槽，將彈簧一段設(shè)置在凹槽內(nèi)，即留有部分的彈性空間。所述的導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置的具體設(shè)置方法：(1)根據(jù)原型彈性繩索拉力-變形對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得到縮尺后的與原型對應(yīng)的模型繩索的拉力-變形關(guān)系，并取若干節(jié)點(diǎn)(Fn，Ln)，見下表，拉力F1F2F3F4…Fn變形L1L2L3L4…Ln其中Fn-Fn-1為模型重塊Gn的重力,重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n(n一般小于10)，當(dāng)n＝1時(shí)，模型重塊G1的重力為F1，且重塊G1到G0之間距離即重塊G1到托盤(G0相當(dāng)于托盤，托盤的重力忽略為0)的距離，等于L1(2)根據(jù)胡克定律計(jì)算每個(gè)重塊(Gn,n＝1,2,3…)下邊連接的彈簧的彈性系數(shù)Kn：Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；由于實(shí)際彈簧的彈性系數(shù)不可能完全等于理論上求得的彈性系數(shù)，所以實(shí)際中，保證彈簧的彈性系小于或數(shù)等于理論上求得的彈性系數(shù)即可。(3)根據(jù)需要，設(shè)置每個(gè)滑道板上的滑槽數(shù)目為n個(gè)；(4)通過調(diào)節(jié)限位螺絲，設(shè)置重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，并將彈性系數(shù)Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的彈簧分別置入重塊下邊。所述的導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置在船舶系泊物理模型試驗(yàn)中的應(yīng)用：將導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置連接實(shí)驗(yàn)室中的相應(yīng)設(shè)備(模型船舶)進(jìn)行船舶系泊物理模型試驗(yàn)，具體方法如下：試驗(yàn)時(shí)，繩索一端受到拉力，托盤受繩索牽引向上運(yùn)動，托盤G0開始擠壓彈簧K1直至運(yùn)動L1后，與第一重塊G1相接觸，此時(shí)可以保證當(dāng)拉力為F1時(shí)，繩索的伸長量為L1；當(dāng)拉力逐漸增大并超過第一重塊G1的重量時(shí)，第一重塊G1隨托盤一起上升并擠壓彈簧K2直至拉力達(dá)到F2時(shí)與第二重塊G2一起向上運(yùn)動，此時(shí)可以保證當(dāng)拉力為F2時(shí)，繩索的伸長量為L2，依次類推，隨著拉力的增大，模擬繩索受力變形情況，可以保證各拉力節(jié)點(diǎn)位置處繩索的變形能精確符合拉力-變形曲線，從而準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程原型的彈性繩索。當(dāng)拉力減小時(shí)，過程相反，由于受到支撐桿和限位螺絲的制約，當(dāng)拉力減小了一個(gè)重塊的重量時(shí)，隨準(zhǔn)托盤運(yùn)動中最上邊的重塊停止向下運(yùn)動。進(jìn)一步的講，在實(shí)驗(yàn)過程中，導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置的繩索的受拉端設(shè)置有測力傳感器，通過測力傳感器實(shí)時(shí)采集繩索的受力大小，以驗(yàn)證原型繩索的系纜力是否符合要求，當(dāng)測力傳感器采集的繩索受力大于繩索的破端點(diǎn)時(shí)(選取的節(jié)點(diǎn)(Fn，Ln)中包括破端點(diǎn))，則原型繩索的系纜力設(shè)計(jì)不符合要求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：本裝置將模型纜繩一側(cè)與作用物體(船舶等)連接，另一側(cè)通過導(dǎo)輪與重塊(砝碼)連接；通過重塊的重力模擬彈性繩索的拉力，對應(yīng)拉力作用下的繩索變形，通過重塊的距離控制；重塊之間通過設(shè)置彈簧，來保證在相鄰的拉力作用下彈性繩索的變形呈線性。將彈性繩索在受到拉力作用下的非線性變形轉(zhuǎn)化成若干線性變形，通過精確控制重要的拉力節(jié)點(diǎn)(繩索破端力等)處繩索的變形，從而在模型試驗(yàn)中能夠更加準(zhǔn)確的反應(yīng)彈性繩索的拉力-變形關(guān)系。本發(fā)明可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，滿足不同試驗(yàn)比尺及各種材料。由于試驗(yàn)中采用導(dǎo)輪掛重，因此可用于多種復(fù)雜的試驗(yàn)條件，包括水底測力；空間占用面積小，布置靈活，可用于多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分；保證繩索的拉力與繩索軸線處于同一直線，能夠真實(shí)反映繩索的受力狀態(tài)；使用效率高，不需率定，操作方便，極大提高工作效率，且造價(jià)較低；試驗(yàn)精度高，滿足工程需要。附圖說明圖1是本發(fā)明導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置的正視圖；圖2為導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置的側(cè)視圖；圖3某繩索在受到軸向拉力時(shí)的對應(yīng)拉力-變形曲線。其中，1為底板；2為帶有刻度尺的滑道板；3為限位螺絲；4為滑槽；5為定滑輪；6為空心導(dǎo)軌；7為重塊；8為彈簧；9為支撐桿；10為可移動的滑輪；11為托盤。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。參見附圖1，一種導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置，包括底座1，在底座1上豎直設(shè)置兩個(gè)滑道板2，滑道板2為長方體形，在滑道板2上沿其長向豎直開設(shè)有多個(gè)滑槽4，如附圖1所示，每個(gè)滑道板2上豎直設(shè)置6個(gè)規(guī)格相同的滑槽4，6個(gè)滑槽4等間距布置，在每一個(gè)滑槽4上設(shè)置可以上下自由滑動的限位螺絲3；在兩個(gè)滑道板2中間豎直設(shè)置有一空心導(dǎo)軌6，空心導(dǎo)軌6底部固定于底板1上，空心導(dǎo)軌6頂端設(shè)置一定滑輪5，空心導(dǎo)軌6的底部還滑動套裝有一托盤11；定滑輪5一側(cè)的導(dǎo)線豎直穿過空心導(dǎo)軌6并與底部托盤11相連；其中空心導(dǎo)軌6側(cè)面留有縫隙，以使托盤11能夠隨導(dǎo)線通過導(dǎo)軌上下移動；在空心導(dǎo)軌6上還套設(shè)有6個(gè)重塊7，重塊7的數(shù)量與單個(gè)滑道板2上的滑槽4的數(shù)量一致；重塊7之間通過彈簧8連接，并在每個(gè)重塊7的底部水平設(shè)置支撐桿9，支撐桿9的兩端分別搭接在兩個(gè)滑道板2滑槽4上的限位螺絲3上，以使重塊只能向上移動而限制其向下運(yùn)動；參見附圖2，滑輪另一側(cè)的導(dǎo)線與另一個(gè)可移動的滑輪10相連，該可移動的滑輪10可靈活固定于彈性繩索的一段；在滑道板2一側(cè)，設(shè)置一標(biāo)尺，其精度為毫米級，用于控制各個(gè)重塊之間的距離。當(dāng)彈性繩索受力時(shí)，繩索拉力通過滑輪導(dǎo)線將底部托盤11提起，并壓縮彈簧8，當(dāng)重塊提升高度達(dá)到一定程度時(shí)，底部托盤與其上重塊相接并繼續(xù)向上運(yùn)動；至拉力達(dá)到最大值時(shí)，重塊停止向上運(yùn)動，并隨著拉力變小向下運(yùn)動；當(dāng)拉力恢復(fù)至小于某個(gè)重塊的重量時(shí)，該重塊由于受到限位螺絲的阻擋而停止向下運(yùn)動。下面說明本發(fā)明導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置的具體設(shè)置方法：(1)根據(jù)原型彈性繩索拉力-變形對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得到縮尺后的與原型對應(yīng)的模型繩索的拉力-變形關(guān)系(圖3)，并取若干節(jié)點(diǎn)(Fn，Ln)，見下表，拉力F1F2F3F4…Fn變形L1L2L3L4…Ln其中Fn-Fn-1為模型重塊Gn的重力,重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，n＝1,2,3…n(n一般小于10)，當(dāng)n＝1時(shí)，模型重塊G1的重力為F1，且重塊G1到G0之間距離即重塊G1到托盤(G0相當(dāng)于托盤，托盤的重力忽略為0)的距離，等于L1(2)根據(jù)胡克定律計(jì)算每個(gè)重塊(Gn,n＝1,2,3…)下邊連接的彈簧的彈性系數(shù)Kn：Kn＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)；由于實(shí)際彈簧的彈性系數(shù)不可能完全等于理論上求得的彈性系數(shù)，所以實(shí)際中，保證彈簧的彈性系小于或數(shù)等于理論上求得的彈性系數(shù)即可。(3)根據(jù)需要，設(shè)置每個(gè)滑道板2上的滑槽4數(shù)目為n個(gè)；(4)通過調(diào)節(jié)限位螺絲，設(shè)置重塊Gn到Gn-1之間距離為Ln-Ln-1，并將彈性系數(shù)Kn<＝(Fn-Fn-1)/(Ln-Ln-1)的彈簧分別置入重塊下邊；至此本發(fā)明的導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置設(shè)置完成，接下來將導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置連接實(shí)驗(yàn)室中的相應(yīng)設(shè)備(模型船舶)進(jìn)行船舶系泊物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，繩索一端受到拉力，托盤受繩索牽引向上運(yùn)動，托盤G0開始擠壓彈簧K1直至運(yùn)動L1后，與第一重塊G1相接觸(為防止重塊在與托盤或前一個(gè)重塊接觸前被彈簧頂起，將重塊下部設(shè)置凹槽，將彈簧一段設(shè)置在凹槽內(nèi)，即留有部分的彈性空間)，此時(shí)可以保證當(dāng)拉力為F1時(shí)，繩索的伸長量為L1；當(dāng)拉力逐漸增大并超過第一重塊G1的重量時(shí)，第一重塊G1隨托盤一起上升并擠壓彈簧K2直至拉力達(dá)到F2時(shí)與第二重塊G2一起向上運(yùn)動，此時(shí)可以保證當(dāng)拉力為F2時(shí)，繩索的伸長量為L2，依次類推，隨著拉力的增大，模擬繩索受力變形情況，可以保證各拉力節(jié)點(diǎn)位置處繩索的變形能精確符合拉力-變形曲線，從而準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程原型的彈性繩索。當(dāng)拉力減小時(shí)，過程相反，由于受到支撐桿和限位螺絲的制約，當(dāng)拉力減小了一個(gè)重塊的重量時(shí)，隨準(zhǔn)托盤運(yùn)動中最上邊的重塊停止向下運(yùn)動。在實(shí)驗(yàn)過程中，導(dǎo)輪式彈性繩索模擬裝置的繩索的受拉端設(shè)置有測力傳感器(即繩索的一端通過測力傳感器與實(shí)驗(yàn)室的測試設(shè)備連接)，通過測力傳感器實(shí)時(shí)采集繩索的受力大小，以驗(yàn)證原型繩索的系纜力是否符合要求，當(dāng)測力傳感器采集的繩索受力大于繩索的破端點(diǎn)時(shí)(本裝置選取的節(jié)點(diǎn)(Fn，Ln)中包括破端點(diǎn))，則原型繩索的系纜力設(shè)計(jì)不符合要求。以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3