一种用于模拟地震振动的六自由度地震模拟振动装置

技术领域

本发明涉及一种模拟地震的试验装置，尤其是一种能够六自由度模拟地震振动的实验装置，所述实验装置尤其可用于模拟地震的局部区域相对运动的情况。

背景技术

地震模拟振动装置广泛应用于航空航天、地震模拟、产品可靠性、土工工程等领域，其中，地震模拟是地震模拟振动装置非常重要的应用领域。

地震波在地球内部的传播分为纵波和横波。振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)，来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)，来自地下的横波能引起地面的水平晃动。因此模拟地震振动就不得不考虑模拟地震的水平方向以及垂直方向的运动。

例如，中国专利申请CN 200910066560.6公开了一种水平双向地震模拟振动台综合系统，其模拟的就是地震水平方向的振动，例如中国专利申请CN 201310491139.6公开了一种双台面大位移三轴六自由度地震模拟振动装置及方法，该现有技术中提供的振动装置模拟的主要也是地震水平方向的振动，垂直方向的振动是通过整体台面运动所实现的，类似的，中国专利申请CN 201110139990.3中所公开的离心机用振动台比上述现有技术更近了一步，该现有技术的振动台能够同时模拟地震的水平和垂直双方向的振动，从而可以获得更真实的地震实验效果。

从上述现有技术可见，现有的地震模拟实验装置仍然处于简单模拟地震振动的状态，实验时整个地震模型设置在振动台的一体化台面上，通过振动台的动力装置推动整个台面作水平方向的前后左右运动，或者推动整个台面作垂直方向的上下运动，整个地震模型会随着台面的水平和垂直运动一起运动。由于实验平台的体积所限，单个实验平台最大的台面也很少有超过20m×15m的，因而地震模型的整体尺寸也不会太大，因此这样的实验只能通过模拟获得整个模型受到剧烈振动之后的整体地震数据，低震级的轻微振动由于模型尺寸太小，因而在模型尺度范围上对整个模型的影响极小，而且由于地震模型是整体运动的，也无法模拟局部区域的相对运动所带来的地震影响。

并且，类似于中国专利申请CN 201310491139.6中公开的六自由度地震模拟振动装置，其提供的双层台面的结构高度太大，重心高稳定性不好，在诸如离心重力试验环境下模型容易倾覆，且过多的驱动装置设置导致设备的可靠性差，控制复杂，实用性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于模拟地震振动的六自由度地震模拟振动装置，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于模拟地震振动的六自由度地震模拟振动装置，用于模拟地震模型在地震下的振动，所述模拟振动装置包括一个支撑平台；所述支撑平台包括支撑所述地震模型的台面，设置在所述台面下方的支撑架以及位于所述支撑架下方的支撑板；所述支撑架可拆卸地安装在所述支撑板上；所述台面由多个结构相同的动作单元拼接而成，每个所述动作单元下方均设置有一个对应的驱动机构；每个所述驱动机构均设置在所述支撑架内部相互分隔的独立的容纳空间中；所述动作单元包括一个水平台板，所述水平台板呈矩形结构，多个所述水平台板可拼接成连续连接的完整支撑面；所述水平台板的下方设置有一个磁导杆，所述驱动机构为围绕所述磁导杆设置的电磁线圈；所述水平台板的四个角的下方均设置有一个导向杆，所述支撑架上设置有与所述导向杆结构相匹配的导向孔；所述支撑架设置有供所述磁导杆穿过的通孔；所述支撑平台通过一个第一平台框支撑在一个第二平台框上；所述支撑平台设置在所述第一平台框上并可相对所述第一平台框在第一水平方向上运动；所述第一平台框支撑在所述第二平台框上并可相对所述第二平台框在垂直于所述第一水平方向的第二水平方向上运动；所述模拟振动装置进一步包括与所述驱动机构连接的控制单元，所述控制单元可独立控制每个所述动作单元垂直于所述台面上下运动。

优选地，所述支撑平台平行于所述第一水平方向的两侧设置有可沿所述第一平台框上的轨道移动的第一滚轮，所述支撑平台垂直于所述第一水平方向的两侧分别设置有与所述第一平台框连接的第一复位弹簧以及第一驱动杆。

优选地，所述第一平台框平行于所述第二水平方向的两侧设置有可沿所述第二平台框上的轨道移动的第二滚轮，所述第一平台框垂直于所述第二水平方向的两侧分别设置有与所述第二平台框连接的第二复位弹簧以及第二驱动杆。

本发明的用于模拟地震振动的六自由度地震模拟振动装置可以通过多个动作单元拼接而成的台面提供在垂直方向上局部拆分地上下运动，从而能够直接对地震模型的土体部分进行局部作动，通过对模型土体进行分离的连续作用，可使模型土体产生真实的剪切效果，且可任意选择对模型的位置进行起始作动，从而可很好的对地震造成的土体作用，特别是地震局部区域的运动情况进行模拟。并且，本发明还可以通过第一平台框和第二平台框提供水平方向的前后、左右运动，以此构成了六个自由度的全方位的地震模拟。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的用于六自由度地震模拟振动装置的垂直方向运动原理示意图；

图2显示的是根据本发明的另一个具体实施例的六自由度地震模拟振动装置的结构示意图；

图3显示的是根据本发明的又一个具体实施例的用于六自由度地震模拟振动装置的垂直运动结构的分解示意图；

图4显示的是图3所示的垂直运动结构的一个动作单元的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的用于六自由度地震模拟振动装置的垂直方向运动原理示意图，图2显示的是根据本发明的另一个具体实施例的六自由度地震模拟振动装置的结构示意图，本发明的模拟振动装置适用于模拟地震模型80在地震下的振动，尤其适用于模拟地震模型80的局部区域的相对运动的情况，如图1-2所示，本发明的模拟振动装置包括一个支撑平台500。支撑平台500包括支撑地震模型80的台面20，设置在台面20下方的支撑架1以及位于支撑架1下方的支撑板30。

如图1可见，与现有技术中整体台面不同的是，本发明的台面20是由多个结构相同的动作单元2拼接而成的，每个动作单元2下方均设置有一个对应的驱动机构11，并且本发明的模拟振动装置进一步包括与驱动机构11连接的控制单元70，控制单元70可独立控制每个动作单元2垂直于台面20上下运动。

本发明所提供的技术方案与背景技术所提及的模拟地震的试验装置的最大不同点在与，现有技术方案中，地震模型放置在一个一体化台面上，在模拟过程中，模型随着一体化台面晃动，而本发明所提供的技术方案中，地震模型80直接放置在由多个结构相同的动作单元2拼接而成的台面20上，每个动作单元2在控制单元70的控制下可以独立地垂直于台面20上下运动，从而能够直接对其所支持的地震模型80的土体部分进行局部作动，所述控制单元70可以是单片机或者工控机，其可以通过预设程序，对每个动作单元2提供不同的电力供应，实现每个动作单元2按照一定的频率进行垂直移动，从而可使得相邻的动作单元2的移动实现正弦波或其他波形的振动模拟。由于每个动作单元2能够直接对其所支持的模型的土体部分进行作动，因此可直接模拟出纵波(P波)，而土体之间在剪切作用下产生的水平向位移又可真实模拟出横波(S波)，也就是说，本发明的技术方案可直接使模型土体产生真实的剪切效果，且可任意选择对土工模型的局部位置进行起始作动，从而可很好的对地震造成的土体作用，特别是地震局部区域的运动情况进行模拟。

另外，如图2所示，本发明的模拟振动装置中，支撑平台500通过一个第一平台框100支撑在一个第二平台框200上；支撑平台500设置在第一平台框100上并可相对第一平台框100在第一水平方向上运动；第一平台框100支撑在第二平台框200上并可相对第二平台框200在垂直于第一水平方向的第二水平方向上运动。

即，本发明的六自由度地震模拟振动装置除了可以通过多个动作单元2拼接而成的台面20提供在垂直方向上局部拆分地上下运动之外，还可以进一步通过第一平台框100和第二平台框200提供水平方向的前后、左右运动，以此构成了六个自由度的全方位的地震模拟。

另外，本发明的六自由度地震模拟振动装置中的支撑平台500、第一平台框100和第二平台框200从图2可见，三者是相互嵌套在一个单层的平面之内的，相对现有技术降低了结构高度，重心低稳定性好，在诸如离心重力试验环境下模型不容易倾覆，且驱动结构简单，可靠性好，易于控制。

在一个具体实施例中，如图2所示，支撑平台500平行于所述第一水平方向的两侧设置有可沿第一平台框100上的轨道移动的第一滚轮501，支撑平台500垂直于第一水平方向的两侧分别设置有与第一平台框100连接的第一复位弹簧502以及第一驱动杆503。所述第一驱动杆503可以是液压或气压控制的驱动杆，这样可较好的控制和模拟支撑平台500在地震情况下的第一水平方向的振动。

在一个优选实施例中，第一平台框100平行于所述第二水平方向的两侧设置有可沿第二平台框200上的轨道移动的第二滚轮601，第一平台框100垂直于第二水平方向的两侧分别设置有与第二平台框200连接的第二复位弹簧602以及第二驱动杆603。同样的，所述第二驱动杆603也可以是液压或气压控制的驱动杆，这样可较好的控制和模拟支撑平台500在地震情况下的第二水平方向的振动。

图3显示的是根据本发明的又一个具体实施例的用于六自由度地震模拟振动装置的垂直运动结构的分解示意图；图4显示的是图3所示的垂直运动结构的一个动作单元的剖面结构示意图。如图3-4所示，在一个优选实施例中，动作单元2包括一个水平台板21，水平台板21的下方设置有一个磁导杆22，驱动机构11为围绕磁导杆22设置的电磁线圈，即本实施例中，动作单元2通过电磁力的作用使得磁导杆22上下运动，支撑架1上设置有供磁导杆22穿过的通孔15，利用通孔15对磁导杆22进行导向，同时利用通孔15周边的支撑架1支撑水平台板21对其进行限位。

构成台面20的动作单元2可以连续设置，也可以仅仅设置在台面20的特定区域，当然，优选采用连续设置用以提供更灵活的局部运动模拟。在一个具体实施例中，水平台板21呈矩形结构，这样便于使多个水平台板21能够拼接成连续连接的完整支撑面，从而可使得台面20对所述模型作动时，土体的变形能够连续，减小误差。当然，采用矩形结构也便于底部设置的导向结构的定位，例如，在另一个优选实施例中，水平台板21的四个角的下方均设置有一个导向杆23，支撑架1上设置有与导向杆23结构相匹配的导向孔13。导向杆23的设置可以便于限制磁导杆22的偏转位移，避免磁导杆22卡死，还可以使得磁导杆22的垂直移动更加精确，便于通过电流大小驱动电磁线圈获得更加准确的运动距离，可保障对所述模型土体施加均匀的作动力。

当然，在又一个具体实施例中，台面20与所述模型80之间，也即是水平台板21上方可设置柔性的隔离垫(图中未示出)，例如3-5mm厚的塑料薄膜，所述隔离垫可覆盖整个支撑架1，这可保障台面20对所述模型80的土体的作动力能够均匀连续的施加，且可避免土体遗撒。

由于在模拟地震试验的过程中，可能会涉及使用水进行环境模拟，例如中国水利水电出版社出版的罗先启、葛修润的“滑坡模型试验理论及其应用”一书中所提及的滑坡模型试验技术，因此为了使本发明的技术方案能够在水淹等潮湿环境使用，通孔15和导向孔13中均设置有防水垫圈(图中未示出)。进一步地，优选每个驱动机构11均设置在支撑架1内部相互分隔的独立的容纳空间12中(如图4所示)，相互分隔的独立的容纳空间12可以对其上的电路元件等进行独立的保护，避免局部损毁牵连相邻的驱动机构11，同时，支撑架1内部设置的相互隔离的独立的容纳空间12可以便于将相关电磁线圈、磁导杆22等进行模块化安装、调试、检修，避免电器元件的线路短接等隐患。例如，如图所示，支撑架1可拆卸地安装在支撑板30上，支撑架1和支撑板30之间可以设置防水垫片，通过支撑板30和支撑架1以及防水垫片的配合可以获得一个密封的容纳空间12，可以便于不同情况下的环境试验。同时支撑板30的设置可以整体化安装整个实验装置，便于实验装置的移动运输，特别适用于进一步将整个试验装置设置在离心机吊篮之类的试验设备中。

综上所述，本发明所提供的用于模拟地震振动的六自由度地震模拟振动装置，其提供了由多个动作单元拼接而成的支撑模型的台面，每个动作单元可以在控制单元的控制下独立地垂直于台面上下运动，从而能够直接对其所支持的地震模型的土体部分进行局部作动，通过对模型土体进行分离的连续作用，可使模型土体产生真实的剪切效果，且可任意选择对模型的位置进行起始作动，从而可很好的对地震造成的土体作用，特别是地震局部区域的运动情况进行模拟。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。