本發(fā)明涉及一種測試錨的抓力和形態(tài)變化的裝置。特別是涉及一種測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展以及海洋資源的大力開發(fā)利用，越來越多的適用于不同工程背景(大型油輪、大中型貨輪、海上浮式平臺及其他海上建筑)的錨被研發(fā)出來，從早期的有桿錨(海軍錨、trotmann錨(英國)、martin錨(法國))，到無桿錨(霍爾錨(英國)、jis無桿錨(日本)、斯貝克錨(荷蘭)、尾翼式錨(中國))，再到20世紀(jì)中葉前后出現(xiàn)的大抓力錨(wishbone錨(英國)、ac-14型錨(英國)、波爾錨(荷蘭)、德宏錨(丹麥)、da-1型錨(日本))，以及其他的特種錨(魚雷錨、樁錨等)。不同設(shè)計形式的錨在底質(zhì)中的運動形態(tài)各有特點，這直接決定著錨的抓力大小及穩(wěn)定性、嚙土性能等各項關(guān)鍵性能的發(fā)揮。

對于各類型錨的研究大多集中在采用模型試驗或?qū)嵈囼灉y試錨抓力上，例如：neubecker和randolph在砂土中拖曳錨的離心模型試驗中，通過在模型錨上表面安裝垂直探針的方法來測試錨的位置、埋深和翻轉(zhuǎn)角度，但該離心模型試驗中所用模型錨的自重較小，探針的重量會對錨的受力和重心分布產(chǎn)生較大的影響。lee等人和shin等人通過模型試驗研究了不同底質(zhì)中不同錨型的錨抓力大小，但對于直接關(guān)系到錨性能的錨在底質(zhì)中的運動形態(tài)，沒有做進(jìn)一步研究。中村技研工業(yè)有限會社、kuniaki、hinata、佐藤治夫、戎嘉隆、中國船舶及海洋工程設(shè)計院試驗室、瀘東造船集團(tuán)等采用實船試驗或模型試驗研究了錨的抓住性能和入土性能等，為錨的實際使用提供了極為可靠的實際數(shù)據(jù)，不過，在錨在底質(zhì)中的實際運動形態(tài)的發(fā)展變化規(guī)律上還有待深入的研究，而這一規(guī)律直接關(guān)系著錨的姿態(tài)發(fā)展，從而影響著錨的抓駐性、穩(wěn)定性及其他各項性能。bruce公司的試驗利用合成鋰皂石模擬海底基床，觀測錨在底質(zhì)中的運動軌跡和形態(tài)，但該方法與實際情況差異較大。李林安、王世斌等發(fā)明了模擬海底管道抗錨害的試驗裝置，可分析拋錨和拖錨過程，但試驗中不能直接測量錨的位置、形態(tài)變化等重要參數(shù)。劉軍、韓聰聰?shù)热说忍岢隽藴y量錨運動軌跡和承載力的簡易方法，該方法通過加速度傳感器和力傳感器測試錨的承載力和運動軌跡，不過對船用錨由于錨鏈臥底段傳遞的水平或角度較小的拖曳力無法很好的模擬。另外，還有提出采用紅外線、x光、ct掃描成像、雷達(dá)等技術(shù)測量的，但上述方法花費巨大且操作復(fù)雜不易使用。

綜上所述，現(xiàn)有方法集中于利用模型試驗、實船試驗研究錨的抓力性能和抓住性能等，以及在試驗基礎(chǔ)上提出的理論分析，但對直接關(guān)系著錨工作性能的錨與海床土體的相互作用、在拖動過程中的姿態(tài)變化(平動、插入與翻轉(zhuǎn)等)等，目前還沒有較直觀可靠的研究手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可模擬不同底質(zhì)、不同初始埋深、不同錨型、不同拖曳角度和速度的測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置及方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置，包括有裝載底質(zhì)土體、槽壁頂標(biāo)有水平刻度的試驗槽和埋在所述底質(zhì)土體中的模型錨，還設(shè)置有門型架，所述門型架兩側(cè)的側(cè)板安裝在所述試驗槽兩側(cè)的側(cè)壁上，且能夠沿所述的側(cè)壁滑動，埋在底質(zhì)土體中的模型錨通過1根以上的繩與所述門型架的橫梁相連接，所述模型錨的前端還通過拖曳鋼絲繩連接位于試驗槽外部的能夠帶動所述模型錨在底質(zhì)土體中沿所述試驗槽的長度方向移動的拖曳機(jī)構(gòu)，所述的拖曳機(jī)構(gòu)上連接有用于采集拖曳力的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

所述試驗槽的兩個側(cè)壁的上端面沿長度方向分別各設(shè)置有導(dǎo)軌，所述門型架兩側(cè)的側(cè)板結(jié)構(gòu)相同，均在底部一體形成有滑塊，所述滑塊底端面向內(nèi)凹進(jìn)的形成有能夠套在所述導(dǎo)軌上并在外力的推動下使滑塊沿所述導(dǎo)軌移動的凹槽。

所述拖曳機(jī)構(gòu)包括有：位于所述試驗槽后端的能夠通過連接拖曳鋼絲繩來拖曳模型錨移動的主動拖曳機(jī)構(gòu)和位于所述試驗槽前端的用于滑動的支撐所述拖曳鋼絲繩的滑動支撐機(jī)構(gòu)，所述拖曳鋼絲繩的另一端貫穿所述試驗槽前端的槽壁連接位于底質(zhì)土體內(nèi)的模型錨。

所述主動拖曳機(jī)構(gòu)包括有用于滑動的支撐所述拖曳鋼絲繩的后端定滑輪，以及位于所述后端定滑輪下方并與所述拖曳鋼絲繩一端相連的変速卷揚機(jī)，所述拖曳鋼絲繩通過所述后端定滑輪的支撐連接所述滑動支撐機(jī)構(gòu)，其中，所述的后端定滑輪的高度為使所支撐的拖曳鋼絲繩位于所述試驗槽上端口的上方。

所述的滑動支撐機(jī)構(gòu)包括有：下端固定在地面內(nèi)的支撐板，固定在所述支撐板臨近試驗槽的側(cè)面上的前端定滑輪，以及能夠通過調(diào)節(jié)而上下滑動的安裝在所述支撐板臨近試驗槽的側(cè)面上的動滑輪，所述的動滑輪位于所述前端定滑輪下方，其中，所述的前端定滑輪的高度與主動拖曳機(jī)構(gòu)中的后端定滑輪的高度相同。

所述的支撐板遠(yuǎn)離試驗槽的側(cè)面上連接有2道以上的鋼架斜撐的一端，所述鋼架斜撐的另一端通過螺栓固定在地面上。

所述的支撐板上位于所述前端定滑輪的下面設(shè)置有滑軌，所述的動滑輪位于所述的滑軌上，并在外力的作用下能夠沿所述滑軌移動，在位于滑軌內(nèi)側(cè)邊的支撐板上開有用于定位動滑輪的螺絲孔，當(dāng)所述的動滑輪調(diào)整到滑軌的設(shè)定位置后，通過固定螺絲和螺絲孔進(jìn)行定位。

所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括有依次串聯(lián)連接的力傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和計算機(jī)，所述的力傳感器連接在拖曳機(jī)構(gòu)中的位于底質(zhì)土體外面的拖曳鋼絲繩上，用于采集拖曳鋼絲繩的拖曳力。

一種測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置的使用方法，通過在模型錨上兩個以上結(jié)構(gòu)點上綁繩，在拖曳模型錨的過程中輕拽繩，讀取繩在試驗槽槽壁頂水平刻度的位置、測量繩頭超過門型架頂?shù)母叨?，根?jù)分別得到的模型錨上兩個以上結(jié)構(gòu)點的水平和豎向位置計算得到錨的翻轉(zhuǎn)角度。

所述的錨的翻轉(zhuǎn)角度包括錨柄的翻轉(zhuǎn)角度α和錨爪的翻轉(zhuǎn)角度β，其中：

錨柄的翻轉(zhuǎn)角度α的計算公式如下：

錨爪的翻轉(zhuǎn)角度β的計算公式如下：

式中，xa，ya分別是錨柄前端a的水平位置和豎向位置；xc，yc分別是錨爪前端c的水平位置和豎向位置；xb，yb分別是錨柄后端與錨爪后端相交點b的水平位置和豎向位置。

本發(fā)明的測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置及方法，可模擬不同底質(zhì)、不同埋深、不同錨型、不同拖曳角度和速度的拖錨過程，可同時測試錨在拖錨過程中的錨抓力、錨的運動軌跡、姿態(tài)調(diào)整等，用于揭示不同錨型結(jié)構(gòu)與底質(zhì)土體間的相互運動、錨的平移或轉(zhuǎn)動規(guī)律等，從而為錨的優(yōu)化設(shè)計提供參考。本發(fā)明的優(yōu)點如下：

1、組成結(jié)構(gòu)簡單，各部件通過簡單的安裝即可使用。

2、易于操作測試，各組成部分的用法簡單，用途明確，通過控制錨的初始埋深，調(diào)整拖曳角度和速度，用拉力傳感器測試拖曳力，利用簡易方法即可測得拖動過程中錨的水平和豎向位置、翻轉(zhuǎn)角度等運動規(guī)律。

3、所測試的錨抓力、錨的運動軌跡與姿態(tài)變化等數(shù)據(jù)，可直觀反映出錨在底質(zhì)中的運動規(guī)律，為錨土相互作用規(guī)律的研究和錨的設(shè)計改進(jìn)提供參考。

4、該裝置可模擬不同土質(zhì)、不同初始落錨深度、不同拖曳角度、不同拖曳速度、不同錨型的拖錨過程，滿足船舶工程和海洋工程中研究錨的多種要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3是本發(fā)明中門型架與試驗槽側(cè)壁連接的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中門型架與試驗槽側(cè)壁連接的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明中支撐板與動滑輪和定滑輪連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明模型錨在某一位置的示意圖。

圖中

1：試驗槽2：導(dǎo)軌

3：門型架4：繩

5：模型錨6：底質(zhì)土體

7：拖曳鋼絲繩8：側(cè)壁

9：地面10：后端定滑輪

11：変速卷揚機(jī)12：支撐板

13：前端定滑輪14：動滑輪

15：鋼架斜撐16：螺栓

17：滑軌18：螺絲孔

19：固定螺絲20：力傳感器

21：數(shù)據(jù)采集裝置22：計算機(jī)

23：側(cè)板24：橫梁

25：滑塊26：凹槽

27：錨柄28：錨爪

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置及方法做出詳細(xì)說明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置，包括有裝載底質(zhì)土體6、槽壁上標(biāo)有刻度尺的試驗槽1和埋在所述底質(zhì)土體6中的模型錨5，以及門型架3。所述的模型錨5可以埋在底質(zhì)土體6的任意深度。所述門型架3兩側(cè)的側(cè)板23安裝在所述試驗槽1兩側(cè)的側(cè)壁8上，且能夠沿所述的側(cè)壁8滑動，埋在底質(zhì)土體6中的模型錨5通過1根以上的繩4與所述門型架3的橫梁24相連接，所述模型錨5的前端還通過拖曳鋼絲繩7連接位于試驗槽1外部的能夠帶動所述模型錨5在底質(zhì)土體6中沿所述試驗槽1的長度方向移動的拖曳機(jī)構(gòu)，所述的拖曳機(jī)構(gòu)上連接有用于采集拖曳力的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

試驗中，通過設(shè)置不同的錨的初始埋深，可模擬不同的落錨條件；通過調(diào)節(jié)動滑輪14的高度，可實現(xiàn)不同的拖曳角度，以模擬實際拖錨中不同的拖曳條件；通過変速卷揚機(jī)可改變轉(zhuǎn)速模擬錨的不同拖曳速度。

所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括有依次串聯(lián)連接的力傳感器20、數(shù)據(jù)采集裝置21和計算機(jī)22，所述的力傳感器20連接在拖曳機(jī)構(gòu)中的位于底質(zhì)土體6外面的拖曳鋼絲繩7上，用于采集拖曳鋼絲繩7的拖曳力。其中，所述的力傳感器20可以選擇型號為blr-1，廠家為華東電子儀器廠的產(chǎn)品，也可以選擇型號為lcs-s7，廠家為smowo的產(chǎn)品。所述的數(shù)據(jù)采集裝置21可以選擇型號為dh3817，廠家為東華電子儀表廠的產(chǎn)品，也可以選擇型號為tst3827，廠家為靖江市泰斯特電子有限公司的產(chǎn)品。

如圖2、圖3、圖4所示，所述試驗槽1的兩個側(cè)壁8的上端面沿長度方向分別各設(shè)置有導(dǎo)軌2，所述門型架3兩側(cè)的側(cè)板23結(jié)構(gòu)相同，均在底部一體形成有滑塊25，所述滑塊25底端面向內(nèi)凹進(jìn)的形成有能夠套在所述導(dǎo)軌2上并在外力的推動下使滑塊25沿所述導(dǎo)軌2移動的凹槽26。

如圖1所示，所述拖曳機(jī)構(gòu)包括有：位于所述試驗槽1后端的能夠通過連接拖曳鋼絲繩7來拖曳模型錨5移動的主動拖曳機(jī)構(gòu)和位于所述試驗槽1前端的用于滑動的支撐所述拖曳鋼絲繩7的滑動支撐機(jī)構(gòu)，所述拖曳鋼絲繩7的另一端貫穿所述試驗槽1前端的槽壁連接位于底質(zhì)土體6內(nèi)的模型錨5。

所述主動拖曳機(jī)構(gòu)包括有用于滑動的支撐所述拖曳鋼絲繩7的后端定滑輪10，以及位于所述后端定滑輪10下方并與所述拖曳鋼絲繩7一端相連的変速卷揚機(jī)11，所述拖曳鋼絲繩7通過所述后端定滑輪10的支撐連接所述滑動支撐機(jī)構(gòu)，其中，所述的后端定滑輪10的高度為使所支撐的拖曳鋼絲繩7位于所述試驗槽1上端口的上方。

所述的滑動支撐機(jī)構(gòu)包括有：下端固定在地面9內(nèi)的支撐板12，固定在所述支撐板12臨近試驗槽1的側(cè)面上的前端定滑輪13，以及能夠通過調(diào)節(jié)而上下滑動的安裝在所述支撐板12臨近試驗槽1的側(cè)面上的動滑輪14，通過移動動滑輪14，可以調(diào)整模型錨5在試驗槽1中初始埋設(shè)深度，用于分析不同初始埋深下的模型錨5的運動規(guī)律。所述的動滑輪14位于所述前端定滑輪13下方，其中，所述的前端定滑輪13的高度與主動拖曳機(jī)構(gòu)中的后端定滑輪10的高度相同。

如圖5所示，所述的支撐板12遠(yuǎn)離試驗槽1的側(cè)面上連接有2道以上的鋼架斜撐15的一端，所述鋼架斜撐15的另一端通過螺栓16固定在地面9上。所述的支撐板12上位于所述前端定滑輪13的下面設(shè)置有滑軌17，所述的動滑輪14位于所述的滑軌17上，并在外力的作用下能夠沿所述滑軌17移動，在位于滑軌17內(nèi)側(cè)邊的支撐板12上開有用于定位動滑輪14的螺絲孔18，當(dāng)所述的動滑輪14調(diào)整到滑軌17的設(shè)定位置后，通過固定螺絲19和螺絲孔18進(jìn)行定位。支撐板12后側(cè)的若干道鋼架斜撐用于提供反力。

本發(fā)明的測試拖錨過程中錨運動形態(tài)及錨抓力的試驗裝置的使用方法，是通過在模型錨上兩個以上結(jié)構(gòu)點上綁繩，在拖曳模型錨的過程中輕拽繩，讀取繩在試驗槽槽壁頂水平刻度的位置、測量繩頭超過門型架頂?shù)母叨?，根?jù)分別得到的模型錨上兩個以上結(jié)構(gòu)點的水平和豎向位置計算得到錨的翻轉(zhuǎn)角度。

所述的錨的翻轉(zhuǎn)角度包括錨柄的翻轉(zhuǎn)角度α和錨爪的翻轉(zhuǎn)角度β，如圖6所示：

錨柄27的翻轉(zhuǎn)角度α的計算公式如下：

錨爪28的翻轉(zhuǎn)角度β的計算公式如下：

式中，xa，ya分別是錨柄前端a的水平位置和豎向位置；xc，yc分別是錨爪前端c的水平位置和豎向位置；xb，yb分別是錨柄后端與錨爪后端相交點b的水平位置和豎向位置。

具體試驗操作方式如下：

1、在試驗槽1中裝入要研究的底質(zhì)土體6，根據(jù)研究目的設(shè)置土體的密實度和強(qiáng)度。

2、用拖曳鋼絲繩7連接卷揚機(jī)11、力傳感器20，繞過前端定滑輪13、后端定滑輪10和動滑輪，與模型錨5連接，將模型錨5與拖曳鋼絲繩埋入試驗設(shè)計的深度，在模型錨5上綁接兩根以上的細(xì)繩4，在試驗槽1頂部安裝好可滑動的門型架，繩頭高于門型架頂，用于測試模型錨5的埋深，通過測點的埋深和相對水平位置，可計算出錨的翻轉(zhuǎn)角度。根據(jù)試驗計劃的拖曳角度，將支撐板12下部的動滑輪14移動到設(shè)計高度，固定。運轉(zhuǎn)変速卷揚機(jī)使拖曳鋼絲繩略繃緊后關(guān)閉拖曳機(jī)構(gòu)。

3、連接力傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置以及計算機(jī)，打開并調(diào)試完成。

4、通過輕拽細(xì)繩讀取在試驗槽槽壁上的水平位置、測量繩頭超過門型架的高度，測試并記錄模型錨5兩個以上測點的初始狀態(tài)時的水平和豎向位置，由此還可計算得到錨的初始翻轉(zhuǎn)角度。

5、打開拖曳機(jī)構(gòu)，使模型錨5按設(shè)計拖動速度和角度向前拖動，模型錨的錨抓力由力傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置測試記錄，拖曳過程中定期按照步驟4的方法測試并記錄錨的水平和豎向位置，直到試驗結(jié)束。

6、試驗結(jié)束后，關(guān)閉変速卷揚機(jī)，保存試驗數(shù)據(jù)，關(guān)閉計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置。挖出模型錨，清洗模型錨后上油保存?；喗M上油維護(hù)，拆除可移動門型架，解開拖曳鋼絲繩上的力傳感器，與數(shù)據(jù)采集裝置一起存放。