超重力环境下两自由度循环荷载模拟装置的制作方法

本发明涉及超重力离心模拟装置，尤其是涉及一种超重力环境下两自由度循环荷载模拟装置。

背景技术：

土工离心机是利用高速旋转产生的离心加速度来模拟重力加速度，在土工离心机中可以产生n倍于重力加速度的离心加速度，从而形成超重力环境。利用该超重力环境可以在模型地基中再现原型的土体应力场。此种模拟方法是岩土领域的一种非常重要的试验手段。

近海结构基础的服役环境非常恶劣，复杂性海洋风、浪循环荷载长期作用使得基础发生循环累积变形以及承载能力改变，极端情况下结构基础可能出现破坏。因此，迫切需要研究海洋复杂环境下海洋结构基础的失效破坏机理及灾变控制关键技术。竖向力、水平力和倾覆弯矩等多向耦合加载装置是研究海洋结构基础变形、承载力和长期循环效应的必要仪器装置。而超重力条件下两自由度荷载模拟装置是模拟海洋复杂荷载作用下海洋结构基础受力、变形、失效破坏及控制的基础。因此，研制超重力环境下两自由度荷载模拟装置对于解决海洋结构基础灾变控制问题具有重要意义。

目前超重力环境下大多采用单自由度的加载装置或者结构简易的双自由度加载装置，为了在超重力环境下模拟海洋复杂荷载条件，需要设计一套具有x向和y向同时加载且具有循环加载功能的实验模拟装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超重力环境下两自由度循环荷载模拟装置，针对不同的试验要求，自动控制x向和y向的力或者位移，使其进行静态或循环加载，满足不同复杂受荷尤其是海洋结构基础复杂受荷的试验模拟需求。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括结构相同的两个水平调整支座、装置底座、x向传动机构、y向传动机构、y向传动机构支撑构件、加载构件和导线拖动滑杆组件；装置底座两端的短边梁分别安装在各自水平调整支座上，x向传动机构安装在装置底座的一根长边梁的内侧面，两根长边梁上面沿长度方向分别装有x向直线导轨，y向传动机构位于装置底座的两根长边梁内，通过y向传动机构支撑构件两侧的直角支撑件，分别与各自的x向直线导轨构成移动副，加载构件安装在y向传动机构的y向滚珠丝杆螺母上，加载构件能沿y向滚珠丝杆运动，导线拖动滑杆组件安装在装置底座另一根长边梁的外侧面，且与另一根长边梁平行；加载构件上的y向力传感器和x向力传感器的导线，y向传动机构上的y向伺服电机的导线均固定在导线拖动滑杆组件的导线滑杆的圆环上，pxi控制器分别与x向传动机构的x向伺服电机、y向传动机构上的y向伺服电机和加载构件上的y向力传感器和x向力传感器连接。

所述结构相同的两个水平调整支座，均包括两块垫块和横梁；垫块分别安装在横梁下面的两端，横梁沿长度方向的外侧开有长滑槽。

所述装置底座，包括两根长边梁、两根短边梁和x向电机支撑座；两根长边梁两端的内侧间分别装有短边梁，在一根短边梁外侧装有x向电机支撑座。

所述x向传动机构，包括x向伺服电机、x向减速器、x向滚珠丝杆、两个x向轴承组件和两根x向直线导轨；x向减速器安装在x向电机支撑座上，x向伺服电机与x向减速器4连接，x向滚珠丝杆的一端穿过装置底座一短边梁上的一个x向轴承组件后，通过联轴器与x向减速器连接，x向滚珠丝杆的另一端与y向传动机构支撑构件上的螺母配合后，并装在装置底座另一短边梁上的另一个x向轴承组件中。

所述y向传动机构，包括y向传动机构支撑构件、y向伺服电机、y向减速器、y向轴承组件和y向滚珠丝杆；y向减速器安装在y向传动机构支撑构件顶面，y向伺服电机与y向减速器连接，y向滚珠丝杆的一端穿过一个y向轴承组件与y向减速器连接，y向滚珠丝杆的另一端与装在加载构件上的螺母配合，并装在另一个y向轴承组件中。

所述y向传动机构支撑构件，包括上顶板、下底板、背板、两块侧板和两个直角支撑件；两块侧板之间的上、下端分别与上顶板和下底板连接，两块侧板后面装有背板，直角支撑件分别装在各自侧板外，分别与各自的x向直线导轨构成移动副。

所述加载构件，包括加载机构连接件、x向力传感器、y向力传感器、x向加载头和y向加载头；加载机构连接件的上端与加载构件上的螺母连接，加载机构连接件的下端开有y向加载头滑槽，x向力传感器的一端与y向加载头滑槽连接，x向力传感器的另一端与x向加载头连接，x向加载头朝向x向伺服电机一侧，加载机构连接件中部向外的垂直端开有x向加载头滑槽，y向力传感器的一端与y向加载头滑槽连接，y向力传感器的另一端与y向加载头连接，y向加载头朝向两个水平调整支座底面一侧。

所述导线拖动滑杆组件，包括两块导线滑杆连接块、x向限位开关安装夹具和导线滑杆；两块导线滑杆连接块间装有导线滑杆，导线滑杆上面装有x向限位开关安装夹具，x向限位开关安装夹具沿长度方向开有长孔，导线滑杆上套有多个圆环，导线固定在圆环上，当装置运动时圆环在导杆上自由滑动，从而实现的导线的运动牵引。

本发明具有的有益效果是：

本发明在安装时可以通过调整水平支座的左右和上下位置来实现复杂条件下的试验装配；通过反馈控制x向、y向伺服电机使其进行力或者位移循环加载模拟，且可以通过计算机方便的调整循环的幅值和频率；导线滑杆结构可以在超重力环境下保持导线的自由牵引；x向限位开关可以灵活的调整限位保护范围；加载头的结构特征可以有效的解决加载时双向相互干扰的问题。综上，该装置功能完善、安装方便、安全可靠，可以满足在超重力环境下复杂荷载的模拟需要。

附图说明

图1是本发明的装配示意图。

图2是本发明的水平调整支座结构图。

图3是本发明的装置底座结构图。

图4是本发明的y向传动机构支撑构件图。

图5是本发明的加载构件图。

图6是本发明的导线拖动滑杆组件结构图。

图7是本发明的工作原理图。

图中：1、水平调整支座，2、装置底座，3、x向伺服电机，4、x向减速器，5、x向轴承组件，6、x向滚珠丝杆，7、x向直线导轨，8、y向传动机构支撑构件，9、y向伺服电机，10、y向减速器，11、y向轴承组件，12、y向滚珠丝杆，13、导线拖动滑杆组件，14、加载构件，15、垫块，16、横梁，17、吊装孔，18、长边梁，19、短边梁，20、x向电机支撑座，21、减重孔，22、上顶板，23、下底板，24、背板，25、侧板，26、直角支撑件，27、加载机构连接件，28、x向加载头滑槽，29、y向力传感器，30、y向加载头，31、y向加载头滑槽，32、x向力传感器，33、x向加载头，34、导线滑杆连接块，35、x向限位开关安装夹具，36、导线滑杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明包括结构相同的两个水平调整支座1、装置底座2、x向传动机构、y向传动机构、y向传动机构支撑构件8、加载构件14和导线拖动滑杆组件13；装置底座2两端的短边梁19分别安装在各自水平调整支座1上，x向传动机构安装在装置底座2的一根长边梁18的内侧面，两根长边梁18上面沿长度方向分别装有x向直线导轨7，y向传动机构位于装置底座2的两根长边梁18内，通过y向传动机构支撑构件8两侧的直角支撑件26，分别与各自的x向直线导轨7构成移动副，加载构件14安装在y向传动机构的y向滚珠丝杆螺母上，加载构件14能沿y向滚珠丝杆12运动，导线拖动滑杆组件13安装在装置底座2另一根长边梁18的外侧面，且与另一根长边梁18平行，装置底座2侧面开有多个减重孔21(图1中开有5个减重孔)；加载构件14上的y向力传感器和x向力传感器的导线，y向传动机构上的y向伺服电机的导线均固定在导线拖动滑杆组件13的导线滑杆的圆环上，pxi控制器分别与x向传动机构的x向伺服电机、y向传动机构上的y向伺服电机和加载构件14上的y向力传感器和x向力传感器连接。

如图1、图2所示，所述结构相同的两个水平调整支座1，均包括两块垫块15和横梁16；垫块15分别安装在横梁16下面的两端，横梁16沿长度方向的外侧开有长滑槽，横梁16侧面上开有两个吊装孔17。

如图1、图3所示，所述装置底座2，包括两根长边梁18、两根短边梁19和x向电机支撑座20；两根长边梁18两端的内侧间分别装有短边梁19，在一根短边梁19外侧装有x向电机支撑座20。

如图1所示，所述x向传动机构，包括x向伺服电机3、x向减速器4、x向滚珠丝杆6、两个x向轴承组件5和两根x向直线导轨7；x向减速器4安装在x向电机支撑座20上，x向伺服电机3与x向减速器4连接，x向滚珠丝杆6的一端穿过装置底座2一短边梁19上的一个x向轴承组件5后，通过联轴器与x向减速器4连接，x向滚珠丝杆6的另一端与y向传动机构支撑构件8上的螺母配合后，并装在装置底座2另一短边梁19上的另一个x向轴承组件5中。

这一系列结构是x向循环荷载模拟的主要部件，x向伺服电机3通过x向减速器4减速提升扭矩后来驱动x向滚珠丝杆6运动，x向滚珠丝杆6将旋转运动转换为直线运动，通过计算机程序来实现x向力与位移的实时反馈控制，为避免x向滚珠丝杆6承受来自竖向的超重力产生的巨大荷载，用x向直线导轨7来承担竖向荷载，采用x向轴承组件5来支撑定位x向滚珠丝杆6。

如图1所示，所述y向传动机构，包括y向传动机构支撑构件8、y向伺服电机9、y向减速器10、y向轴承组件11和y向滚珠丝杆12；y向减速器10安装在y向传动机构支撑构件8顶面，y向伺服电机9与y向减速器10连接，y向滚珠丝杆12的一端穿过一个y向轴承组件11与y向减速器10连接，y向滚珠丝杆12的另一端与装在加载构件14上的螺母配合，并装在另一个y向轴承组件11中。

如图1、图4所示，所述y向传动机构支撑构件8，包括上顶板22、下底板23、背板24、两块侧板25和两个直角支撑件26；两块侧板25之间的上、下端分别与上顶板22和下底板23连接，两块侧板25后面装有背板24，直角支撑件26分别装在各自侧板25外，分别与各自的x向直线导轨7构成移动副。

y向传动机构支撑构件8由y向传动机构支撑构件的上顶板22、y向传动机构支撑构件的下底板23、y向传动机构支撑构件的背板24、y向传动机构支撑构件的侧板25四个部件通过高强螺栓连接而成，直角支撑件26是连接y向传动机构和x向传动机构的关键部件，直角支撑件26采用开铰制孔使用定位销的方法来连接，保证了位置的精度。

如图1、图5所示，所述加载构件14，包括加载机构连接件27、x向力传感器32、y向力传感器29、x向加载头33和y向加载头30；加载机构连接件27的上端与加载构件14上的螺母连接，加载机构连接件27的下端开有y向加载头滑槽31，x向力传感器32的一端与y向加载头滑槽31连接，x向力传感器32的另一端与x向加载头33连接，x向加载头33朝向x向伺服电机3一侧，加载机构连接件27中部向外的垂直端开有x向加载头滑槽28，y向力传感器29的一端与y向加载头滑槽31连接，y向力传感器29的另一端与y向加载头30连接，y向加载头30朝向两个水平调整支座1底面一侧。

加载机构连接件27上开有x向加载头活动滑槽28和y向加载头活动滑槽31，分别实现y向加载头30和x向加载头33位置的灵活调整，x向加载头33加载端为刀口形状，与被加载对象为线接触或者点接触，y向加载头30加载端为半球型结构，与被加载对象为点接触，该结构有效的解耦了双向同时加载时相互干涉的问题。

如图1、图6所示，所述导线拖动滑杆组件13，包括两块导线滑杆连接块34、x向限位开关安装夹具35和导线滑杆36；两块导线滑杆连接块34间装有导线滑杆36，导线滑杆36上面装有x向限位开关安装夹具35，x向限位开关安装夹具35沿长度方向开有长孔，导线滑杆35上套有多个圆环(图6中未画出圆环)，导线固定在圆环上，当装置运动时圆环在导杆上自由滑动，从而实现的导线的运动牵引。

当装置运动时圆环在导杆上自由滑动，从而实现的导线的运动牵引，x向限位开关安装夹具35上开有长孔，长孔中装有限位开关(图6中未画出限位开关)，使得限位开关的位置可以调整并固定，实现了x向保护范围的灵活调整功能。

本发明的工作原理：

本发明的工作原理如图7所示，本装置的所有的模拟动作都是由软件来操控的，远程操作室内的计算机与超重力环境工作室内的pxi控制器是由光纤滑环来建立通信的，计算机中软件主要功能是显示、存储两自由度循环荷载模拟装置的力、位移实时信息；而pxi控制器中软件的主要功能则是接收并传送信息给远程计算机，同时直接控制装置的运行。本装置的核心控制方法为pid反馈控制算法，对本装置进行控制的核心程序主要位于pxi控制内，pxi控制器是一种运行在labviewrt系统下的实时控制器，它将装置反馈回来的x、y向力和位移信号与给定力、位移的目标运动进行实时对比，然后进行一定的运算后输出至伺服驱动器，从而实现了装置双向荷载的模拟。

装置能进行多种复杂荷载的模拟，例如静态控制时，程序将远程计算机输入的x、y方向力或位移的控制信号给pxi控制器，pxi控制通过实时比较给定和测量的力或位移，然后将它们的差值信号进行pid运算，最后转为一定频率和数量的脉冲信号输出给x、y向伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机做旋转运动，经过减速器后由滚珠丝杆转换为直线运动，滚珠丝杆带动加载构件进行x、y向运动；动态控制时，x、y方向输入具有一定幅值、频率的正弦波信号与测量的力或位移的信号进行比较，然后将差值信号输入给pid运行函数进行计算，将计算结果转化为伺服驱动器所需的脉冲频率和数量，最后带动装置进行x、y向循环往复运动。