通常在海港處的防波堤上都會鋪一層護(hù)面塊體 ,這層護(hù)面塊體可以保護(hù)防波堤不會受到波浪沖擊而損壞，同時(shí)，也能起到消除波浪的作用。護(hù)面塊體受波浪沖擊會發(fā)生瞬時(shí)搖擺，長期沖擊會發(fā)生位移變化頁。在實(shí)際環(huán)境下研究護(hù)面塊體的搖擺需要花費(fèi)很多人力、物力、財(cái)力，成本需求較大。所以，在實(shí)驗(yàn)水槽中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)是科學(xué)研究的常用選擇。目前，護(hù)面塊體受波浪沖擊瞬間發(fā)生的角度變化與周圍物體發(fā)生碰撞只有定性的分析并沒有定量的評價(jià)。王鐵凝等研究了不同波高下塊體的穩(wěn)定性 并且定性評價(jià)了塊體的位姿變化旳。李賀青等給出了塊體受波浪影響瞬間的穩(wěn)定性系數(shù)⑷�？梢钥闯�， 對于塊體位姿的測量研究不足同時(shí)沒有具體的數(shù)值 來刻畫出塊體受波浪作用的變化規(guī)律。本文使用IMU慣性傳感器直接對護(hù)面塊體進(jìn)行研究能反映出塊體在受到?jīng)_擊時(shí)瞬間產(chǎn)生的加速度值與角速度值。在護(hù)面塊體外部安裝IMU慣性傳感器,當(dāng)波浪沖擊瞬間會隨護(hù)面塊體發(fā)生搖擺，并輸出角速度信號。通過對角速度信號處理得到?jīng)_擊速度和碰撞數(shù)。 本文研究了在不同水線處穩(wěn)定性數(shù)與碰撞數(shù)的關(guān)系、 不同水線處產(chǎn)生最大沖擊速度的變化趨勢，與前人研究相比本文給出塊體受波浪作用的變化規(guī)律并借助IMU慣性傳感器與護(hù)面塊體相結(jié)合的方式在試驗(yàn)過程中記錄塊體的位姿變化，試驗(yàn)結(jié)束后可以通過傳感 器內(nèi)數(shù)據(jù)查看塊體受波浪作用時(shí)的具體數(shù)值。

1護(hù)面塊體位姿變換測量原理

使用IMU慣性傳感器內(nèi)部的加速度計(jì)和陀螺儀分別測量出護(hù)面塊體在受到波浪沖擊瞬間產(chǎn)生的加速度值和角速度值⑷。由于IMU慣性傳感器布置在護(hù)面塊體上，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所輸出的運(yùn)動量為載體坐標(biāo)系下的運(yùn)動信息。載體坐標(biāo)系⑷會隨波浪沖擊護(hù)面塊體的位置改變而發(fā)生變化，通過位姿變換可將塊體相對載體坐標(biāo)系下的運(yùn)動信息，經(jīng)過姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下，同時(shí)對地理坐標(biāo)系下的信號進(jìn)行處理，可使護(hù)面塊體的運(yùn)動信息不會隨著本身位置的變化而發(fā)生改變。

載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以拆分成三次簡單的坐標(biāo)變換，首先固定Z軸并繞軸旋 轉(zhuǎn)角度0，然后固定X軸并繞軸旋轉(zhuǎn)0，最后繞Y軸旋轉(zhuǎn)y ,如圖1所示。

通過姿態(tài)角的變化來描述空間中的轉(zhuǎn)換關(guān)系包含三次基本旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)的角度稱分別為航向角、俯仰角和橫滾角。

各個(gè)旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的變換矩陣表達(dá)式為

因此可以得到姿態(tài)矩陣表達(dá)式為：

化簡后得

2試驗(yàn)布置及信號處理

試驗(yàn)是在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究 院大比尺波浪水槽的消能區(qū)進(jìn)行的。水槽長456 m、寬5 m、高12 m。大比尺波浪水槽能模擬產(chǎn)生3. 5m高的波浪，造波周期為2〜10 s。該水槽能 很好模擬出真實(shí)的波浪沖擊海岸護(hù)面塊體的過程， 如圖2、圖3所示。

IMU慣性傳感器的集成模塊為高精度的陀螺 儀、加速度計(jì)、地磁傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法。 同時(shí)它具有降低測量噪聲，提高測量精度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。IMU的特性指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)前，將SD存儲卡插入IMU慣性傳感器中，并將IMU慣性傳感器放入到已經(jīng)固定在護(hù)面塊體上防水的盒子中。并將需要試驗(yàn)的護(hù)面塊體放置在大比尺波浪水槽的消能區(qū)水線附近，如圖4、圖5所示。

圖3消能區(qū)

表1特性指標(biāo)

圖4 IMU慣性傳感器和SD卡

試驗(yàn)的不規(guī)則波具體工況見表2。

表2波高與水線位置

試驗(yàn)結(jié)束后，將IMU慣性傳感器取出并將內(nèi) 置的SD卡插入讀卡器中與深圳維特公司開發(fā)的 JY901上位機(jī)軟件相關(guān)聯(lián)后可獲取加速度和角速度 信號。該軟件能夠?qū)υ谠囼?yàn)過程中的信號進(jìn)行實(shí) 時(shí)動態(tài)顯示，也能顯示出加速度和角速度信號曲線 圖，如圖6、圖7所25。

對于加速度信號縱坐標(biāo)單位為g，角速度信號縱坐標(biāo)單位為(°)/s,橫坐標(biāo)為采集時(shí)間間隔，每一 個(gè)正方形代表1s。

加速度信號在受到碰撞時(shí)會受到重力加速度 影響導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，利用現(xiàn)有的技術(shù)手段來處理 產(chǎn)生的信號難以被修正，所以選取角速度信號作為處理信號，其優(yōu)點(diǎn)是不受重力加速度影響。絕對角 速度信號可由z、y、z3個(gè)軸產(chǎn)生的角速度分量 合成購。

假設(shè)護(hù)面塊體繞某個(gè)點(diǎn)做純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，塊體的公稱直徑為，因此可以得到?jīng)_擊速度。

通過沖擊速度可以繪制出護(hù)面塊體受到波浪沖擊瞬間的沖擊峰，沖擊峰能直觀地反映出塊體受 到波浪沖擊時(shí)的速度分布以及受波浪沖擊時(shí)的最大、最小沖擊速度，如圖8、圖9所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對不規(guī)則波的工況，在不同水線位置可以得 到穩(wěn)定性數(shù)與碰撞數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，分析了護(hù)面塊體在不同水線位置處的最大沖擊速度變化趨勢。

3.1穩(wěn)定性數(shù)與碰撞數(shù)

波高Hs與護(hù)面塊體公稱直徑Dn的比值記穩(wěn)定性系數(shù)H"/Dn,碰撞數(shù)NgjN由塊體受到的 碰撞次數(shù)N®與波個(gè)數(shù)N的比值。其中碰撞次數(shù) N罰可以定義為：在受波浪沖擊時(shí)所產(chǎn)生的沖擊速 度中,統(tǒng)計(jì)出大于沖擊速度的平均值個(gè)數(shù)，如圖10所示。

圖10穩(wěn)定性數(shù)與碰撞數(shù)對應(yīng)關(guān)系

在保持塊體的公稱直徑D"不變的條件下，穩(wěn)定性數(shù)會隨著波高的增加而增加，同時(shí)碰撞數(shù)也伴隨著增大。由圖10可知，碰撞數(shù)增加的幅度不大, 反映在圖中曲線的變化趨勢很小。對比表2中9組工況不同水線與波高位置處，穩(wěn)定性系數(shù)與碰撞數(shù)之間的關(guān)系會隨著穩(wěn)定性系數(shù)的增加，碰撞數(shù)也增加。而在水線z/Dn =- 2處的碰撞數(shù)明顯大于水 線z/D” = 0和z/Dn = 2，說明水線z/Dn =2處塊體發(fā)生的搖擺比z/Dn = 0和z/Dn = 2處要?jiǎng)?烈，同時(shí)與周圍的塊體互相碰撞的頻率也更高。在 穩(wěn)定性系數(shù)不變的條件下，z/Dn =-2處的碰撞數(shù) 大于z/Dn = 0和z/Dn = 2處的碰撞數(shù)。說明水線 位置的選取會影響塊體在受到波浪沖擊時(shí)搖擺的劇烈程度。

3.2不同水線位置產(chǎn)生的最大沖擊速度

護(hù)面塊體安放在不同水線位置時(shí)對防波堤的 防護(hù)起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，在不同水線位置處護(hù)面塊體受到的最大沖擊速度均不同。護(hù)面塊體安放過程中選擇合適的水線位置有助于提高護(hù)面塊體的壽命。為研究塊體在不同水線位置的最大沖擊速度進(jìn)行9組試驗(yàn)工況，在不同波高、不同水線位置 處受到的最大沖擊速度的變化趨勢，如圖11所示。

圖11不同波高、不同水線處最大沖擊速度趨勢

從圖11中可以看出，在不同的水線位置處最大沖擊速度的趨勢均是先增加后減少，在z/Da = 0處 有最大沖擊速度。同時(shí)，波高越大對護(hù)面塊體產(chǎn)生 的最大沖擊速度越大。如果護(hù)面塊體長期在最大 沖擊速度的沖擊作用下，會加快護(hù)面塊體的失穩(wěn)以 及破壞。

4結(jié)論

使用該慣性傳感器在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工 程科學(xué)研究院大比尺波浪水槽的消能區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)， 在接近真實(shí)環(huán)境的波浪運(yùn)動條件下，研究了穩(wěn)定性 數(shù)與碰撞數(shù)之間的關(guān)系、不同水線位置處產(chǎn)生的最大沖擊速度。在對穩(wěn)定性數(shù)與碰撞數(shù)研究中發(fā)現(xiàn), 處于水線位置z/Da = 0時(shí)試驗(yàn)塊體與周圍塊體發(fā) 生的碰撞的劇烈程度要比在z/Dn =-2處小，最大 沖擊速度在水線z/Dn = 0出現(xiàn)。通過研究可以為 防波堤防護(hù)提供參考。

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