冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置及方法与流程

1.本发明涉及冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置及方法，适用于在实验中模拟建造于河、湖、海边的建造物、构筑物，公路、铁路路基，以及堤坝等结构受流体产生的冲刷、渗流、波浪作用及与荷载的耦合作用。


背景技术：

2.建造于河、湖、海、水库岸边的建造物、构筑物，公路、铁路路基，以及堤坝等工程结构，受到渗流、冲刷及波浪（振动，冲击，推挤等）和荷载长期作用的影响，结构可能会产生内部冲蚀、水平变形、竖向沉降等破坏形式，影响结构的正常使用和安全、稳定性能，极易酿成工程事故。
3.水力作用形式、结构材料性质、冲蚀流道的发展、荷载作用性质、波浪形态、频率及持续时间等的不同，将对建造于河、湖、海边的建造物、构筑物产生不同的影响，在实际工程中难以定量评价，其作用机理也难以明确。为了在实验中定量研究渗流、冲刷及波浪这三种自然作用因素和施加荷载这种人为作用因素单独作用、或者其中两者耦合，或者三者耦合，或者四者耦合作用对建造于河、湖、海边的建造物、构筑物，公路、铁路路基，以及堤坝等工程结构的影响，实时描绘破坏发生、发展趋势，并探索内在作用机理，精确、高效地人工模拟冲刷、渗流、波浪及荷载的产生显得尤为重要。对破坏发展过程中结构物形态和破裂面的发展变化以及结构物内部流场的发展变化过程的高精度捕捉和描绘，对于后期对结构物破坏过程的数值模拟和机理分析有着极大帮助。


技术实现要素：

4.本发明第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，以能够简便、精确且高效地人工模拟冲刷、渗流、波浪及荷载的发生，且实时捕捉结构物破坏发展过程。
5.为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，包括实验箱体，所述实验箱体上架设l形连杆，所述l形连杆伸入至实验箱体内的一端设有造浪板，所述l形连杆的另一端设有从动轮；造浪板可由塑料或金属等材料制成，根据需要裁剪为任意形状，实验中所起的主要作用为推动液体、制造波浪；所述从动轮与实验箱体的侧壁之间设有回复机构，所述回复机构用于受到从动轮的压力后压缩或者推动从动轮回复至初始位置；所述实验箱体的立面和盖板绘制有网格线；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括主动轮系统，所述主动轮系统包括驱动电机、驱动皮带和主动轮，所述主动轮的圆周上设有至少一个凸部，所述驱动电机带动驱动皮带以转动主动轮使得凸部撞击从动轮而
带动造浪板进行造浪；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括安装于实验箱体内部左侧的冲刷、渗流发生装置，包含储水箱、连接管道、流量控制开关、冲刷发生器、渗流发生器；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括模拟加载装置，所述模拟加载装置包含内置有振动发生器的重物，以及用于传递荷载至结构物的托架；所述内置有振动发生器的重物可以通过调节振动器的振动频率来模拟静态荷载或振动荷载；所述托架可放置于结构物之上，重物产生的荷载由托架传递至结构物。
6.所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括数据采集设备，所述数据采集设备包括：架设于实验箱体侧方和上方的成像记录仪、高频照像机和激光扫描仪，所述数据采集设备与计算机图像处理分析系统信号连接。所述成像记录仪和高频照相机，可结合箱体表面的网格线记录结构物变形过程；所述激光扫描仪可照射和捕捉液体内示踪粒子的运动轨迹；所述成像记录仪、高频照像机和激光扫描仪通过线缆将采集到的数据传输至计算机图像处理分析系统，数据经程序分析处理后可以通过计算机的显示器实时展示结构物破坏发展过程。
7.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的一种优选技术方案：所述实验箱体的侧壁上设有u形支架，所述u形支架上设有穿设l形连杆的一对孔道以固定支撑l形连杆。
8.作为本发明的一种优选技术方案：所述回复机构包括止动板和回复弹簧，所述回复弹簧的一端固定至止动板上，所述回复弹簧的另一端固定至实验箱体的侧壁上或者实验箱体上设有的u形支架上。
9.作为本发明的一种优选技术方案：所述回复弹簧套设在l形连杆上。
10.作为本发明的一种优选技术方案：所述止动板设置在l形连杆上且相对于l形连杆上滑动。
11.作为本发明的一种优选技术方案：所述凸部为凸形片，所述凸形片安装至主动轮的外缘。
12.作为本发明的一种优选技术方案：所述实验箱体的立面和盖板为透明材料，可由玻璃钢或塑料等材料制成，表面绘制有网格线，可以通过成像记录仪、高频照像机和激光扫描仪等手段，从外部通过拍摄和扫描等方法记录箱体内部示踪粒子或者物体的移动。
13.作为本发明的一种优选技术方案：所述实验箱体右侧平均液面位置处设有导流管，所述导流管连接到废液池以用于将实验中产生的多余液体导流至废液池。
14.作为本发明的一种优选技术方案：所述储水箱位于实验箱体左侧靠上位置，用于储存液体；所述储水箱右端底部安装有管道，与冲刷发生器和渗流发生器的前端相连；所述管道上安装有流量控制开关，用于控制流量大小。
15.作为本发明的一种优选技术方案：所述渗流发生器由塑料制成，埋入结构物内部，主要分为均布条形渗流槽和管状点式渗流道两种，可分别模拟条形分布式渗流和点式集中式渗流两种常见渗流形态；均布条形渗流槽为扁嘴型通长管嘴，其长度可为实验箱体宽度（或根据实际模拟情况确定的任意长度），其出流宽度根据模拟要求确定；管状点式渗流道
为圆管间隔开孔管嘴，圆管长度可为实验箱体宽度（或根据实际模拟情况确定的任意长度），开孔的直径及孔与孔之间的间隔根据模拟要求确定。
16.作为本发明的一种优选技术方案：所述冲刷发生器由塑料制成，置于结构物表面，主要分为均布条形冲刷槽和管状点式冲刷道两种，可分别模拟条形分布式冲刷和点式集中式冲刷两种常见冲刷形态；均布条形冲刷槽与前述的均布条形渗流槽的外形、结构、制作要求及使用方法相似；管状点式冲刷道与前述的管状点式渗流道的外形、结构、制作要求及使用方法相似。
17.作为本发明的一种优选技术方案：所述冲刷发生器、渗流发生器、波浪制造装置和模拟加载装置，可两者、三者、四者组合使用，或其中任一者单独使用。
18.作为本发明的一种优选技术方案：所述实验箱体内使用的液体，可为水或其他有粘性的液体介质，亦可掺入示踪粒子。
19.本发明还有一个目的在于，提供冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉方法。
20.为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉方法，所述方法基于前文所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，并包括如下步骤：s1、将u形支架的底部固定于实验箱体侧壁上；s2、将l形连杆穿过u形支架上部末端的两个孔道，依次安装好回复弹簧、止动板和从动轮；s3、选择合适形状的造浪板，安装在l形连杆的下端；s4、实验箱体内装载实验用的结构物、液体，储水箱装满液体，根据要求加入示踪粒子并搅拌均匀；s5、选择合适形状的凸形片，将其固定于主动轮的外缘；s6、开启成像记录仪、高频摄像机、激光扫描仪等数据采集设备，调整视频、图像采集窗口对准实验箱体立面和盖板网格线，各设备线缆连接计算机图像处理分析系统，并调试至运行状态；s701、打开驱动电机，驱动主动轮按设定好的程序以某速度转动，即可开始波浪作用模拟实验；s702、安装所需的冲刷发生器，打开冲刷发生器支路上的流量控制开关，即可开始冲刷作用模拟实验；s703、安装所需的渗流发生器，打开渗流发生器支路上的流量控制开关，即可开始渗流作用模拟实验；s704、将重物和托架置于结构物之上，调节振动器的振动频率产生静态荷载或振动荷载，即可开始荷载作用模拟实验；s8、上述四种操作方案s701、s702、s703、s704，按要求选择其中两种方案、三种方案或四种方案组合进行实验；s9、计算机按照设置好的程序将收集到的图像、数据等信息进行处理，并自动绘制结构物破坏过程的图形和视频。
21.本发明提供冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：1）、可以通过主动轮系统、从动轮、回复机构、l形连杆以及造浪板共同模拟波浪发生，且造浪板和凸形片均可根据要求定制和更换，可尽可能模拟贴近真实情况的波浪；2）、可以通过冲刷发生器和渗流发生器人工模拟冲刷和渗流效应，结合波浪发生装置和荷载施加装置，实现冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用；3）、设计的实验箱体为透明材料制成，可以通过照相机、摄像机、激光扫描仪等手段从外部通过拍摄、扫描的方法记录箱体内部流体质点运动、结构物移动轨迹，便于观测和量化冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用对结构物产生破坏的机理。
附图说明
22.图1为本发明所提供的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置的结构图示；图2a为形式为均布条形冲刷槽的冲刷发生器；图2b为形式为管状点式冲刷道的冲刷发生器；图3a为形式为均布条形渗流槽的渗流发生器；图3b为形式为管状点式渗流道的渗流发生器；其中，1-实验箱体；21-l形连杆；22-造浪板；3-从动轮；41-止动板；42-回复弹簧；51-驱动电机；52-驱动皮带；53-主动轮；54-凸形片；6-u形支架；a-储水箱；b-流量控制开关；c-冲刷发生器；d-渗流发生器；e-成像记录仪、高频照相机；f-激光扫描仪；g-线缆；h-模拟加载装置；i-导流管。
具体实施方式
23.参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
24.冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，包括实验箱体1，实验箱体1上架设l形连杆21，l形连杆21伸入至实验箱体1内的一端设有造浪板22，造浪板22可由塑料或金属等材料制成，根据需要裁剪为任意形状，实验中所起的主要作用为推动液体、制造波浪；l形连杆21的另一端设有从动轮3。
25.从动轮3与实验箱体1的侧壁之间设有回复机构，回复机构用于受到从动轮3的压力后压缩或者推动从动轮3回复至初始位置；回复机构包括止动板41和回复弹簧42，l形连杆21穿过止动板41，回复弹簧42套设在l形连杆21上。
26.实验箱体1的侧壁上安装有u形支架6。u形支架6上部的末端有两个孔道，供l形连杆21穿过并对l形连杆21起到固定支撑作用。
27.从动轮3通过轴承固定于l形连杆21的末端，也即是远离造浪板22的一端。
28.主动轮系统，包括驱动电机51、驱动皮带52和主动轮53，主动轮53的圆周上设有至少一个凸部，在本实施例中，凸部为凸形片54，驱动电机51带动驱动皮带52以转动主动轮53使得凸形片54撞击从动轮3而带动造浪板22进行造浪。可以通过凸形片54厚度的改变和回复弹簧42的共同作用对从动轮3和l形连杆21产生推拉效果。
29.冲刷发生装置和渗流发生装置，包括储水箱a、管道若干、流量控制开关b、冲刷发
生器c（均布条形冲刷槽、管状点式冲刷道）、渗流发生器d（均布条形渗流槽、管状点式渗流道）。储水箱a为冲刷发生器c、渗流发生器d供给液体，由流量控制开关b控制液体流量大小。如图2a-3b所示，冲刷发生器c的末端置于结构物表面，分为均布条形冲刷槽和管状点式冲刷道两种，对结构物表面分别产生条形分布式冲刷和点式集中式冲刷。渗流发生器d的末端埋入结构物内部，分为均布条形渗流槽和管状点式渗流道两种，对结构物内部分别产生条形分布式渗流和点式集中式渗流。
30.模拟加载装置h，包含内置有振动发生器的重物，可以通过调节振动器的振动频率来模拟静态荷载或振动荷载；托架可放置于结构物之上，重物产生的荷载由托架传递至结构物。
31.冲刷发生装置、渗流发生装置、波浪制造装置、模拟加载装置，可两者、三者、四者组合使用或任一者单独使用。
32.实验箱体1的立面和盖板为透明材料，可由玻璃钢或塑料等材料制成，表面绘制有网格线，可以通过成像记录仪、高频照像机和激光扫描仪等数据采集设备从外部通过拍摄和扫描等方法记录箱体内部示踪粒子运动轨迹或者物体的移动轨迹。
33.实验箱体1内使用的液体，可为水或其他黏性液体介质，亦可掺入示踪粒子。
34.实验箱体1右侧平均液面位置处设有导流管i，用于将实验中产生的多余液体导流至废液池。
35.冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括架设于实验箱体1侧方和上方的成像记录仪、高频照像机e和激光扫描仪f等数据采集设备；成像记录仪和高频照相机e，可结合箱体表面的网格线记录结构物变形过程；激光扫描仪f可照射和捕捉液体内示踪粒子的运动轨迹；成像记录仪、高频照像机和激光扫描仪通过线缆g将采集到的数据传输至计算机图像处理分析系统，数据经程序分析处理后可以通过计算机的显示器实时展示结构物破坏发展过程。
36.具体地，上述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置通过如下方法进行冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉：s1、将u形支架的底部固定于实验箱体侧壁上；s2、将l形连杆穿过u形支架上部末端的两个孔道，依次安装好回复弹簧、止动板和从动轮；s3、选择合适形状的造浪板，安装在l形连杆的下端；s4、实验箱体内装载实验用的结构物、液体，储水箱装满液体，根据要求加入示踪粒子并搅拌均匀；s5、选择合适形状的凸形片，将其固定于主动轮的外缘；s6、开启成像记录仪、高频摄像机、激光扫描仪等数据采集设备，调整视频、图像采集窗口对准实验箱体立面和盖板网格线，各设备线缆连接计算机图像处理分析系统，并调试至运行状态；s701、打开驱动电机，驱动主动轮按设定好的程序以某速度转动，即可开始波浪作用模拟实验；s702、安装所需的冲刷发生器，打开冲刷发生器支路上的流量控制开关，即可开始
冲刷作用模拟实验；s703、安装所需的渗流发生器，打开渗流发生器支路上的流量控制开关，即可开始渗流作用模拟实验；s704、将重物和托架置于结构物之上，调节振动器的振动频率产生静态荷载或振动荷载，即可开始荷载作用模拟实验；s8、上述四种操作方案s701、s702、s703、s704，可按要求选择其中两种方案、三种方案或四种方案组合进行实验；s9、计算机按照设置好的程序将收集到的图像、数据等信息进行处理，并自动绘制结构物破坏过程的图形和视频。
37.上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，包括实验箱体，其特征在于：所述实验箱体上架设l形连杆，所述l形连杆伸入至实验箱体内的一端设有造浪板，所述l形连杆的另一端设有从动轮，所述从动轮与实验箱体的侧壁之间设有回复机构，所述回复机构用于受到从动轮的压力后压缩或者推动从动轮回复至初始位置；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括主动轮系统，所述主动轮系统包括驱动电机、驱动皮带和主动轮，所述主动轮的圆周上设有至少一个凸部，所述驱动电机带动驱动皮带以转动主动轮使得凸部撞击从动轮而带动造浪板进行造浪；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括安装于实验箱体内部左侧的冲刷、渗流发生装置，包含储水箱、连接管道、流量控制开关、冲刷发生器、渗流发生器；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括模拟加载装置，所述模拟加载装置包含内置有振动发生器的重物，以及用于传递荷载至结构物的托架；所述冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置还包括数据采集设备，所述数据采集设备包括：架设于实验箱体侧方和上方的成像记录仪、高频照像机和激光扫描仪，所述数据采集设备与计算机图像处理分析系统信号连接。2.根据权利要求1所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述实验箱体的侧壁上设有u形支架，所述u形支架上设有穿设l形连杆的一对孔道以固定支撑l形连杆。3.根据权利要求1或2所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述回复机构包括止动板和回复弹簧，所述回复弹簧的一端固定至止动板上，所述回复弹簧的另一端固定至实验箱体的侧壁上或者实验箱体上设有的u形支架上。4.根据权利要求3所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述回复弹簧套设在l形连杆上。5.根据权利要求3所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述止动板设置在l形连杆上且相对于l形连杆上滑动。6.根据权利要求1所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述凸部为凸形片，所述凸形片安装至主动轮的外缘。7.根据权利要求1所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述实验箱体的立面和盖板为透明材料，表面绘制有网格线。8.根据权利要求1所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述实验箱体右侧平均液面位置处设有导流管，所述导流管连接到废液池以用于将实验中产生的多余液体导流至废液池。9.根据权利要求1所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，其特征在于：所述冲刷发生器为均布条形冲刷槽或者管状点式冲刷道；和/或
所述渗流发生器为均布条形渗流槽或者管状点式渗流道。10.冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1-9中任意一项所述的冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置，并包括如下步骤：s1、将u形支架的底部固定于实验箱体侧壁上；s2、将l形连杆穿过u形支架上部末端的两个孔道，依次安装好回复弹簧、止动板和从动轮；s3、选择合适形状的造浪板，安装在l形连杆的下端；s4、实验箱体内装载实验用的结构物、液体，储水箱装满液体，根据要求加入示踪粒子并搅拌均匀；s5、选择合适形状的凸形片，将其固定于主动轮的外缘；s6、开启成像记录仪、高频摄像机、激光扫描仪等数据采集设备，调整视频、图像采集窗口对准实验箱体立面和盖板网格线，各设备线缆连接计算机图像处理分析系统，并调试至运行状态；s701、打开驱动电机，驱动主动轮按设定好的程序以某速度转动，即可开始波浪作用模拟实验；s702、安装所需的冲刷发生器，打开冲刷发生器支路上的流量控制开关，即可开始冲刷作用模拟实验；s703、安装所需的渗流发生器，打开渗流发生器支路上的流量控制开关，即可开始渗流作用模拟实验；s704、将重物和托架置于结构物之上，调节振动器的振动频率产生静态荷载或振动荷载，即可开始荷载作用模拟实验；s8、上述四种操作方案s701、s702、s703、s704，按要求选择其中两种方案、三种方案或四种方案组合进行实验；s9、计算机按照设置好的程序将收集到的图像、数据等信息进行处理，并自动绘制结构物破坏过程的图形和视频。

技术总结
本发明提供冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用引发结构体变形全过程的三维动态捕捉装置及方法，本发明可以通过主动轮系统、从动轮、回复机构、L形连杆以及造浪板共同模拟波浪发生，且造浪板和凸形片均可根据要求定制和更换，可尽可能模拟贴近真实情况的波浪；可以通过冲刷发生器和渗流发生器人工模拟冲刷和渗流效应，结合波浪发生装置和荷载施加装置，实现冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用；设计的实验箱体为透明材料制成，可以通过照相机、摄像机、激光扫描仪等手段从外部通过拍摄、扫描的方法记录箱体内部流体质点运动、结构物移动轨迹，便于观测和量化冲刷、渗流、波浪及荷载耦合作用对结构物产生破坏的机理。构物产生破坏的机理。构物产生破坏的机理。


技术研发人员：李强 王新泉 叶辉辉 温东北 杨接平 张灿斌 石冰 张康凯 刁红国 杨琴
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/20