一种用于研究浮冰板垂直贯穿现象的实验装置的制作方法

本发明涉及的是一种用于研究浮冰板垂直贯穿现象的实验装置。

背景技术：

由于北极与亚北极地区具有丰富的石油、天然气资源，加之极地地区的特殊位置以及极地航道的重大作用，导致越来越多的国家将目光集中到极地地区，而水下航行器能够在水下运行，是环境科学研究和北极开发利用重要载体。为了获取新鲜空气等，北极航行的水下航行器往往需要进行上浮，因此水下航行器往往需要具有穿透冰层的能力。然而，浮冰穿透过程是危险的，动态冰载荷可能对水下航行器的结构构成威胁或使水下航行器失去稳定性，通过对水下航行器上浮过程中浮冰板冰载荷进行预测对保障极地水下航行器人员的安全，以及对北极水下航行器的设计和操作都是十分必要和重要的。目前，国内外关于浮冰板垂直贯穿现象的研究主要集中在理论研究、数值模拟以及模型试验，模型试验作为垂直贯穿现象研究最有效的一种方式，但由于冰水池较少，很难开展切实有效的冰力学试验。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在缺少冰水池的情况下也能研究浮冰板垂直贯穿现象的用于研究浮冰板垂直贯穿现象的实验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括固定装置、观测装置，在固定装置中安装上浮冲撞装置，在上浮冲撞装置上安装称重传感器和实验试样，称重传感器连接传感器数据采集器与计算机，观测装置布置在固定装置的一侧。

本发明还可以包括：

1.所述的上浮冲撞装置包括底座，底座内有一对相互啮合的同步轮，同步轮连接伺服电机，另一个同步轮连接滚珠丝杠，滚珠丝杠带动推杆。

2.所述的称重传感器安装在一钢板上，实验试样安装在称重传感器上，推杆与所述的钢板固定。

3.所述固定装置是由型材连接组成的框架，在框架上设置由可移动横杆和固定纵杆以及螺杆组成的冰层固定装置。

4.上升冲撞装置上固定电木板，电木板上开有通孔，u型材穿过所述的通孔通过螺帽固定在电木板上，框架型材通过u型材中间使上升冲撞装置固定。

本发明的用于浮冰板垂直贯穿现象的装置，其主要由固定装置、上浮冲撞装置及观测装置组成。还可以包括制冰装置，制冰装置包括低温试验器和制冰模具；所述固定装置包括铝型材搭建而成的长方体框架、连接电木板和固定装置的u型材、电木板以及冰层固定装置；所述冰层固定装置主要由可移动横杆和固定纵杆以及螺杆组成；所述上浮冲撞装置包括控制装置、电机、负载连接装置以及不锈钢推杆，通过控制装置对电机转速进行控制带动不锈钢推杆推出，不锈钢推杆上通过负载连接装置连接有传感器和实验试样；所述观测装置主要由传感器、高速摄像机以及连接传感器的数据采集器和pc机组成，所需测定的模型试样通过螺栓固定在传感器上测量撞击过程中冰载荷的时域变化趋势。高清摄像机置于浮冰板上方用于观测并记录浮冰板贯穿现象以及浮冰板上应变情况。

本装置包括这样一些结构特征：

1.上升冲撞装置的负载连接装置带有外螺纹，通过螺母将具有通孔的钢板固定在固定装置上。s型称重传感器上下两面为带有内螺纹开孔，传感器下面通过螺钉将其下面固定在钢板上，试样下部带螺纹，固定在s型称重传感器上面，用于测量试样所受冰载荷。

2.上升冲撞装置上固定电木板，电木板上开有八个通孔，将u型材穿过通孔通过螺帽固定在电木板上，铝型材通过u型材中间从而使上升冲撞装置固定，不会在发生碰撞时候发生偏转。

3.传感器同时连接在数据采集器以及变压器上，使数据采集器流入电压为稳定为5v，pc机通过网线与数据采集器相连，可通过pc机实时关注冰载荷随时间变化趋势。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置通过电机控制装置控制转速，从而控制不锈钢推杆带动试样以不同上浮速率，通过选择不同的实验试样形状实现不同角度以及不同接触面积与不同厚度的冰层接触，通过传感器以及高清摄像机，可以实现对浮冰板垂直贯穿破裂现象以及冰载荷时域曲线变化趋势的记录。本发明装置较为简单直接，可在较少人力情况下，完成实验，并弥补了国内浮冰板垂直贯穿现象的研究技术不足，在缺少冰水池的情况下，节省大量的人力物力，保证实验的准确性，并为极地地区的冰层选取以及科研活动，提供一种较为准确的预报方式。

为了测量结构物与冰之间的相互作用，本发明装置通过传感器和高清摄像机记录和测量浮冰板垂直贯穿过程中冰载荷时域变化趋势以及浮冰板穿透现象，为了解浮冰板垂直贯穿现象提供了一种简单有效的模型试验方法。

附图说明

图1是用于研究浮冰板垂直贯穿现象的实验装置的总体示意图。

图2是上升冲撞装置的示意图。

图3是上升冲撞装置的内部构造图。

图4是连接装置的示意图。

图5a、图5b和图5c是不同形式的实验所用试样图的示意图。

图6是上升冲撞装置的固定装置图。

图7是冰层试样固定装置图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

附图中各附图标记的含义为：1.纵向放置铝型材、2.横向放置铝型材、3.上升冲撞装置的控制器、4.伺服电机、5.传感器数据采集器、6.pc机、7.高速摄像机、8.f型冰固定夹具纵臂、9.f型冰固定夹具横臂、10.螺杆、11.实验试样、12.传感器、13.外螺纹、14.带有通孔的钢板、15.u型材、16.电木板、17.伺服电动缸底座、18.同步轮、19.导向杆、20.轴承、21.滚珠丝杠、22.传感器保护装置、23.固定伺服电动缸的横杆。

首先通过角码、螺栓和螺母等将纵向放置铝型材1和横向铝型材2连接固定成上升冲撞装置的固定装置如图6所示的。同时，固定装置的装置上端为沿一定距离分布，总计12个的冰层固定装置，主要由f型固定夹具纵臂8、f型固定装置横臂9、螺杆组成10，如图7所示。在试验开始之前，将带有通孔的电木板16通过螺栓与螺母固定于上升冲撞装置上，然后将u型材15穿过用于固定伺服电动缸的横杆23，使整个上升冲撞装置固定在固定装置上。将带有通孔的钢板14，固定在上升冲撞上的外螺纹13上，同时使螺栓通过带有通孔的钢板14上另一通孔，并与传感器12连接，使其固定在带有通孔的钢板14上，传感器12的顶端连接有同一螺纹尺寸的不同实验试样11，如图4所示。调节f型固定装置横臂9，带动螺杆10移动，直至使螺杆与铝型材之间的距离与冰层厚度相同，拧紧螺杆10。通过低温试验箱冻结的模型冰的尺寸要远远大于其厚度，因此本实验模型主要可用于不同厚度模型冰实验。通过控制上升冲撞装置的控制器3，控制伺服电机4，带动同步轮18使滚动丝杠21以一定的速度上升，从而带动与外螺纹13连接的带有通孔的钢板14以及钢板上的传感器12和与传感器连接的实验试样11按照一定的速度与冰层发生碰撞，所述实验中的传感器主要为s型称重传感器，量程范围广，并且较为容易安装。传感器12与传感器数据采集器5相连接，试样与冰层发生冲撞时所受冰载荷变化，可通过pc机6记录并观察。所述高速摄像机7可以以超过每秒250帧的帧速率捕获运动图像，主要用于测量试样与冰层发生碰撞瞬间，冰层破裂及冰裂纹扩展情况。

此外，本实验装置可通过吊车将其调入水中，也可以用来研究结构物出水破裂过程。