一种沉井浮运拖航模拟试验装置及其方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，尤其是一种沉井浮运拖航模拟试验装置及其方法。

背景技术

在深水海域建设大规模的跨海桥梁，大多采用大型沉井做为主桥墩基础，大型沉井首先在船厂船坞进行预制，然后由拖轮编队拖带至施工现场并进行沉放。随着沉井规模的逐步增大，在沉井浮运过程中，沉井拖航阻力分析、浮运所需风浪流环境窗口期选取等技术难点是影响拖轮编队的配置，实现沉井安全浮运作业的关键。

目前，针对海建浮运拖航阻力、风浪流环境荷载下的动力响应，大多采用物理模型试验的方法开展相关研究。在海岸河口及近海工程试验室中，以自行拖车方式驱动试验模型在试验水池中航行是最主要的一种试验方式。

就现有模拟试验装置而言，自行拖车通过连接机构与试验模型连接，自行拖车带动试验模型在水中以设定速度沿直线运动，运动过程中对试验模型的空间六自由度运动以及相关受力进行量测，但现有自行拖车的设计较为简单，连接机构通常采用连接杆配合牵引绳的形式。传统的连接机构仅适用于单一拖带点拖带过程的模拟，且无法进行斜向拖带模拟。

与其他构筑物相比，沉井的浮运过程相对较为特殊，由于沉井大多为桶状圆柱结构，在浮运过程中沉井所受水流阻力无明显的轴向特征，因而需要在圆形沉井四周均布置多个拖轮，同时施加拖曳和顶推作用才能更好的控制沉井浮运过程中的航向，这与其他结构的浮体拖航有所区别，试验模拟的难度较大。

在进行沉井浮运物理模型试验过程中，采用现有模拟试验装置中单一拖带的连接机构时，往往需要对沉井模型在垂直于航速方向上的漂移运动进行约束，以避免试验过程中由于试验模型的左右摆动过大，导致试验失败。但该约束会对试验过程引入不符合实际过程的约束力，影响测量结果，且施加横向约束后，无法反映出浮运过程由于涡街脱落引起的沉井横向摆动现象，不能满足实际工程需求，体现了现有浮运物理模型试验在浮运沉井过程中的不适用。

发明内容

发明目的：提供一种沉井浮运拖航模拟试验装置及其方法，以解决现有模拟试验装置无法满足沉井浮运拖航模拟过程中针对沉井结构特征，拖轮编队布置多样性，以及沉井斜向拖带需求的问题，设计合理的连接机构，以实现对多种沉井浮运方案的模拟，准确测量沉井模型运动、受力等物理量，以保证连接机构不对整个测量过程产生过多干扰。

技术方案：一种沉井浮运拖航模拟试验装置，包括固定在造浪池内的拖车轨道和传动连接在拖车轨道上的拖车，所述拖车上设有托行桁架，所述托行桁架相对拖车呈航向角倾斜设置，并通过航向固定件与拖车连接，所述托行桁架内部通过若干拖带缆绳多拖带点连接有沉井模型，所述拖带缆绳和沉井模型上分设有数据采集系统的传感器，用于采集模拟实验中沉井模型的拖航信息。

进一步的，所述托行桁架包括桁架主体、调位机构和拖带缆绳，所述桁架主体由型材杆拼接而成，所述桁架主体内部形成容纳沉井模型的内腔，端部通过航向固定件固定在拖车上，若干组所述调位机构分设在桁架主体上，用于为拖带缆绳提供可调的连接位点，所述拖带缆绳的一端连接在调位机构上，另一端连接在沉井模型上。

进一步的，所述调位机构包括调节立件和调节横件，所述调节立件安装在桁架主体上，所述调节横件安装在调节立件上，所述调节横件上连接有若干根拖带缆绳。

进一步的，所述调节立件设置为直线运动模组，所述调节横件安装在直线运动模组的输出端，用于获取不同高度的拖带点设置位置。

进一步的，所述沉井模型的外壁设置有若干拖拽耳和顶推耳，所述拖拽耳与拖带缆绳连接，所述顶推耳与调节横件直连。

进一步的，所述数据采集系统包括拉力传感器、运动量传感器和工控箱，所述拉力传感器设置在拖带缆绳和顶推耳与调节横件之间，所述运动量传感器安装在沉井模型上，所述拉力传感器和运动量传感器的输出端与工控箱电性连接，所述工控箱的输出端与调节立件电性连接。

进一步的，所述拖车上设有若干个驱动电机，所述驱动电机的输出端通过齿轮与拖车轨道上的齿条结构啮合。

进一步的，所述托行桁架上还设置有摄像系统，所述摄像系统与工控箱电性连接。

一种沉井浮运拖航模拟试验装置的实验方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：根据沉井实物定制沉井模型和模拟拖航方案；

其中，所述模拟拖航方案包括造浪池的环境参数、拖车运行参数、航向角、拖带点数量和拖带点位置；

步骤2：根据模拟拖航方案调试沉井浮运拖航模拟试验装置和造浪池环境；

步骤3：利用数据采集系统获取所述模拟拖航方案下的拖航信息；

其中，所述拖航信息包括运动量传感器采集的运动量数据、不同拖带缆绳和顶推耳上拉力传感器采集的拉力数据；

步骤4：利用调节立件改变拖航方案中拖带点位置的高度，并获取不同拖带点位置相对应的浮动拖航信息包；

步骤5：判断浮动拖航信息包中是否存在超出拉力阈值的拉力数据；若是，则模拟拖航方案为不安全方案，否则，模拟拖航方案为安全方案。

有益效果：本发明针对沉井这一特殊结构海上浮体的浮运拖航模拟试验设计了一套可调的托行桁架，托行桁架做为拖车与沉井模型之间的连接机构，可通过调节自身与拖车的夹角来模拟沉井模型的拖带航向角；托行桁架上设有多个可调的拖带点，满足了沉井模型对多拖船拖带方案的准确模拟；本沉井浮运拖航模拟试验装置可实现对沉井浮运拖带过程中多拖船作用、横向摆动以及斜向拖航的模拟，且托行桁架的调节灵活，有利于模拟试验的高效进行。本发明基于模拟实验装置所提供的试验方法可快速判断模拟拖航方案的安全性，有利于辅助模拟实验快速得到模拟结论。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中托行桁架连接沉井模型的结构示意图；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明在图3中A处的放大图；

图5是本发明所模拟的沉井浮运原型拖轮布置图。

附图标记为：1、拖车轨道；2、拖车；3、托行桁架；31、桁架主体；32、调节立件；33、调节横件；34、拖带缆绳；4、航向固定件；5、沉井模型；51、拖拽耳；52、顶推耳；6、数据采集系统；61、拉力传感器；62、运动量传感器；63、工控箱；7、造浪池；8、拖船。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例一，本实施例提供一种针对沉井浮运拖航过程能够实现不同航向角和多拖带点的模拟试验装置。

如图1所示，一种沉井浮运拖航模拟试验装置，包括固定在造浪池7内的拖车轨道1和传动连接在拖车轨道1上的拖车2，拖车2上设有托行桁架3，托行桁架3相对拖车2呈航向角倾斜设置，并通过航向固定件4与拖车2连接，托行桁架3内部通过若干拖带缆绳34多拖带点连接有沉井模型5，拖带缆绳34和沉井模型5上分设有数据采集系统6的传感器，用于采集模拟实验中沉井模型5的拖航信息。

本发明针对沉井这一特殊结构海上浮体的浮运拖航模拟试验设计了一套可调的托行桁架3，托行桁架3做为拖车2与沉井模型5之间的连接机构，可通过调节自身与拖车2的夹角来模拟沉井模型5的拖带航向角；托行桁架3上设有多个可调的拖带点，满足了沉井模型5对多拖船8拖带方案的准确模拟；本沉井浮运拖航模拟试验装置可实现对沉井浮运拖带过程中多拖船8作用、横向摆动以及斜向拖航的模拟，且托行桁架3的调节灵活，有利于模拟试验的高效进行。

如图2-图3所示，托行桁架3包括桁架主体31、调位机构和拖带缆绳34，桁架主体31由型材杆拼接而成，桁架主体31内部形成容纳沉井模型5的内腔，端部通过航向固定件4固定在拖车2上，若干组调位机构分设在桁架主体31上，用于为拖带缆绳34提供可调的连接位点，拖带缆绳34的一端连接在调位机构上，另一端连接在沉井模型5上。通过调整托行桁架3与拖车2连接角度可实现沉井模型5顺向航向、逆向航向、任意角度斜向航向的模拟。

具体的，托行桁架3的尺寸大于拖车2跨度，以便于托行桁架3相对拖车2进行角度调整，为降低托行桁架3在角度调节方面的难度，可在拖车2与托行桁架3之间增设配套滑动模组或将拖车2设计成圆形托架结构。本方案优选型材杆拼接得到桁架主体31，可突出经济成本和结构点单的优势，航向固定件4可选用G型夹实现桁架主体31的快速装夹定位。

其中，调位机构包括调节立件32和调节横件33，调节立件32安装在桁架主体31上，调节横件33安装在调节立件32上，调节横件33上连接有若干根拖带缆绳34。调节立件32的布设调整包括数量和平面位置（俯视角度的平面），调节立件32的调整可实现拖轮不同数量和不同平面位置的布设模拟。

调节立件32设置为直线运动模组，调节横件33安装在直线运动模组的输出端，用于获取不同高度的拖带点设置位置。调节横件33的设置高度可模拟不同拖轮拖带点的高度，用直线运动模组来改变调节横件33的设置高度可降低调节横件33改变安装高度的繁琐程度，实现了快速、精准的调试目的，便于后续浮动拖航信息包的获取。

沉井模型5的外壁设置有若干拖拽耳51和顶推耳52，拖拽耳51与拖带缆绳34连接，顶推耳52与调节横件33直连。沉井模型5根据实物按等比例缩放制成，结构上可设计为拼接形式，便于拖拽耳51和顶推耳52在数量个安装位置上的调节。

数据采集系统6包括拉力传感器61、运动量传感器62和工控箱63，拉力传感器61设置在拖带缆绳34和顶推耳52与调节横件33之间，运动量传感器62安装在沉井模型5上，拉力传感器61和运动量传感器62的输出端与工控箱63电性连接，工控箱63的输出端与调节立件32电性连接。数据采集系统6通过运动量传感器62获取沉井模型5的运动量信息，通过拉力传感器61获取托行桁架3稳定沉井模型5所需的拉力信息，便于对沉井模型5的模拟情况进行的分析。

拖车2上设有若干个驱动电机，驱动电机的输出端通过齿轮与拖车轨道1上的齿条结构啮合。优选齿轮齿条的传动方式有利于拖车2的稳定运行，保障了驱动力的稳定传递，拖车2与拖车轨道1选用其他稳定的传动连接方式亦可，此处不做具体限定。

托行桁架3上还设置有摄像系统，摄像系统与工控箱63电性连接。摄像系统可实现与工控箱63连接可实现远程实验人员的参与。

实施例二，本实施例提供一种基于实施例一中沉井浮运拖航模拟试验装置的实验方法。

一种沉井浮运拖航模拟试验装置的实验方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：根据沉井实物定制沉井模型5和模拟拖航方案；

其中，模拟拖航方案包括造浪池的环境参数、拖车运行参数、航向角、拖带点数量和拖带点位置；

具体的，造浪池具备风、浪环境条件的模拟功能，能够模拟达到5m/s的风速，能够模拟最大有效波高20cm，平均波周期0.6~2.0s的波浪条件。拖车运行参数能够模拟的原型拖航航速达到5kn。航向角可以模拟沉井浮运航向角正负90度范围的浮运作业过程，拖带点数量和拖带点位置与沉井尺寸和可调配拖船数量相关。

步骤2：根据模拟拖航方案调试沉井浮运拖航模拟试验装置和造浪池7环境；

步骤3：利用数据采集系统6获取模拟拖航方案下的拖航信息；

其中，拖航信息包括运动量传感器62采集的运动量数据、不同拖带缆绳34和顶推耳52上拉力传感器61采集的拉力数据；

步骤4：利用调节立件32改变拖航方案中拖带点位置的高度，并获取不同拖带点位置相对应的浮动拖航信息包；拖带点位置的高度变化对应浪高变化下沉井与拖船8高度变化不一致的模拟，是验证模拟拖航方案在浪高影响下的安全性设计。

步骤5：判断浮动拖航信息包中是否存在超出拉力阈值的拉力数据；若是，则模拟拖航方案为不安全方案，否则，模拟拖航方案为安全方案；其中，拉力阈值为拖拽耳51屈服强度的0.8倍。

特别的，本方法可通过控制变量法对模拟拖航方案中的参数进行调整，并通过浮动拖航信息包优化模拟拖航方案。

以上结合附图详细描述了发明的优选实施方式，但是，发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在发明的技术构思范围内，可以对发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于发明的保护范围。