一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置的制作方法

本发明涉及海洋土木工程抗震试验研究，尤其涉及一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置。

背景技术：

1、海洋土木工程建设，涉及到维护海洋权益、保障海上安全、发展海洋经济、开发海洋资源、推进海洋产业诸方面的重大需求。海洋土木工程建设的核心，是如何在复杂海洋环境下建造满足各种需求的土木工程结构并维护其正常运行和使用。海底地震就是一种对海洋土木工程结构危害性很强的典型海洋载荷，在岩土和水体中传播的地震波会引起海床土体振动和变形，可能诱发海底滑坡和泥石流，或者导致海工结构基础失稳破坏，还能诱发海啸直接作用在海工结构上而导致其破损或破坏。中国东南沿海存在异常活跃的地震带。因此，海底地震动作用的研究日益成为研究热点。

2、目前，现有的深海地震模拟装置大多为地上模拟，即搭建深海环境模拟池，试件置于上部深海模拟环境池中，振动模拟装置的作动机构安装在池底空间，通过防水布、柔性密封套等技术手段，实现干湿分离。这类型装置体积较大，需配套相应的土建结构，例如申请号为cn201711147021.6、cn201910349899.0等的中国专利。此类装置的振动模拟台面、作动轴等穿过其由防水布、柔性密封套等组成的密封层实现载荷传递，即在底部形成了一个密封防水空间。然而，这种方案带来了极大地安全隐患，深海环境模拟池中的介质（水）会对密封层造成长期的压力，此外作动机构往复运动、被激振随时变化的水压、密封空间内的气压等同样会影响密封层的可靠性和寿命，甚至会影响试验数据的真实性。

3、另一类深海地震模拟装置是基于超重力模拟，此类模拟装置具有可移动、可集成的优点。通过产生n倍超重力场，在1/n比尺的物理模型上产生与原型等效的重力场，同时对原型时间也缩短n倍，从而实现“时空压缩”。可以真实地模拟地震动在大尺度空间内的传递规律和岩土体的灾变效应，特别适合海工结构这类大尺寸土木工程的抗震研究工作，例如，申请号为cn201310165160.7的中国专利，但是此专利仅提到具备适用于深海地震模拟功能，并未提供具体的原理方案，且其水介质竖直方向的超重力效应更会影响密封层的可靠性。

4、因此，需要研发出一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置，包括：

4、上箱体；

5、下箱体；上箱体安装在下箱体上方，上箱体和下箱体内均设置有水介质；上箱体和下箱体的连接处设置有开口；

6、柔性边界；柔性边界安装在开口处，并用于隔离上箱体和下箱体内的水介质；

7、沿两个方向解耦运动的承载单元；承载单元穿透柔性边界的一部分置于上箱体内，一部分置于下箱体内，试验件置于上箱体内，并置于承载单元上方；

8、用于提供激振力和传导反作用力的作动单元；作动单元与承载单元的下方连接；

9、平衡上下箱体压力的自适应平衡装置；自适应平衡装置包括用于实时监测上箱体和下箱体内水介质的压力变化的载荷监测单元、基于载荷监测单元得到的数据，实现对下箱体内水介质进行补偿的伺服控制单元、用于存储水介质的介质储存单元，载荷监测单元的测量端分别置于上箱体和下箱体内，载荷监测单元的信号输出端与伺服控制单元的信号输入端连接，伺服控制单元与介质储存单元连接，介质储存单元与下箱体内部连接。

10、具体地，承载单元包括上台面、下台面以及用于上台面双向运动解耦的橡胶轴承，上台面通过过渡模块与试验件连接；上台面置于下台面上方，上台面与下台面之间通过橡胶轴承连接；作动单元包括用于提供水平方向激振力的第一作动器、用于提供竖直方向激振力的第二作动器，第一作动器的作用输出端与上台面侧壁连接，第二作动器的作用输出端与下台面底部连接。

11、进一步地，第一作动器安装在下箱体的外侧壁上，第二作动器安装在下箱体的外侧底部，第一作动器的作用输出端穿过下箱体的侧壁后与上台面侧壁连接，第二作动器的作用输出端穿过下箱体的底部后与下台面底部连接。

12、本发明的有益效果在于：

13、1.上箱体和下箱体通过柔性边界实现隔离，上、下箱体内均设置有水介质，实现真实海工结构深海环境的结构振动载荷模拟；

14、2.自适应平衡装置与下箱体连通，确保试验过程中上、下箱体的压力平衡，形成了相对的上下箱体密封，保障了结构水下环境振动载荷模拟实验的准确性；

15、3.自适应平衡装置可以使柔性边界处于平衡状态，抵消上箱体水介质、振动台面往复运动时的压力扰动和超重力效应等的影响，极大地提高了柔性边界的可靠性；

16、4.本专利装置系统结构简单，可以实现超重力-振动加速复合实验，具有水边界等效性好、试件安装简便和运行维护简单等特点。

技术特征：

1.一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置，其特征在于，承载单元包括上台面、下台面以及用于上台面双向运动解耦的橡胶轴承，上台面通过过渡模块与试验件连接；上台面置于下台面上方，上台面与下台面之间通过橡胶轴承连接；作动单元包括用于提供水平方向激振力的第一作动器、用于提供竖直方向激振力的第二作动器，第一作动器的作用输出端与上台面侧壁连接，第二作动器的作用输出端与下台面底部连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置，其特征在于，第一作动器安装在下箱体的外侧壁上，第二作动器安装在下箱体的外侧底部，第一作动器的作用输出端穿过下箱体的侧壁后与上台面侧壁连接，第二作动器的作用输出端穿过下箱体的底部后与下台面底部连接。

技术总结
本发明公开了一种具有自适应平衡系统的深海地震模拟装置，包括上箱体、下箱体、柔性边界、承载单元、用于提供激振力和传导反作用力的作动单元；作动单元与承载单元的下方连接、平衡上下箱体压力的自适应平衡装置；本发明中，上箱体和下箱体通过柔性边界实现隔离，上、下箱体内均设置有水介质，实现真实海工结构深海环境的结构振动载荷模拟；自适应平衡装置与下箱体连通，确保试验过程中上、下箱体的压力平衡，形成了相对的上下箱体密封，保障了结构水下环境振动载荷模拟实验的准确性；自适应平衡装置可以使柔性边界处于平衡状态，抵消上箱体水介质、振动台面往复运动时的压力扰动和超重力效应等的影响，极大地提高了柔性边界的可靠性。

技术研发人员：王珏,张平,张全伟,陈果,张根莱,莫与明,邓婷,吴文杰,蒋豪,胡勇
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院总体工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23