【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水利抢险，具体涉及抢险动力锚的可视化侵彻试验系统及方法。
技术介绍
1、江河堤防大溃口快速封堵是一个世界性技术难题；目前在抢险工程中采用钻地锚是一种全新的方法。钻地锚在土体中的侵彻理论还十分缺乏，虽然有一些数值模拟研究成果，但试验技术还很不成熟。现有侵彻试验一般是将钻地锚发射到土体里，然后挖出泥土查看锚体位置与推算锚索侵彻轨迹，这种试验方法数据采集难度大，试验结果误差大，难以精确采集锚体运动全过程轨迹，专利技术一种可视化侵彻仪，有助于完善钻地锚侵彻理论，为抢险堵口应用提供重要技术支撑。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有侵彻试验技术的不足之处，提供一种科学、直观的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统及方法。可实现抢险钻地锚的可视化侵彻试验，实时采集锚体运动轨迹与锚固力数据，采集数据精确、完善，试验系统配置科学，操作方便。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，包括弹力发射模块、透视侵彻模块、图像采集模块、锚固力测试模块和在线数据处理模块，弹力发射模块、透视侵彻模块和锚固力测试模块自左向右依次设置在同一个基座上，弹力发射模块用于将连接有锚索的锚体强力侵彻到透视侵彻模块内，图像采集模块用于采集锚体侵彻运动轨迹并将采集的数据传输至在线数据处理模块，锚固力测试模块用于测试牵拉锚索将锚体从透视侵彻模块内拉出的拉力数据并将拉力数据实时传输至在线数据处理模块。
3、弹力发射模块包括下端固定设在基座上的立柱，立柱上
4、锚体为圆杆体结构，锚体沿左右方向放置在固定座上，锚体左端与准星左右对应，锚体右端尖锐，锚体左侧部设有与两个卡块卡接配合的卡槽，锚体前部外圆开设有开口朝左且与锚体中心线成锐角的钩挂槽，弹力筋左侧中部张紧并挂接在钩挂槽内；锚体左端连接有锚索，锚索左端缠绕在设有卷绕轮的锚索盒内，锚索盒固定设在固定座左侧上部。
5、透视侵彻模块包括由透明亚克力板制成的侵彻箱，侵彻箱顶部敞口，侵彻箱内装有模拟侵彻土体的标准介质透明slime凝胶，侵彻箱前侧面设有计量锚体侵彻轨迹的若干个坐标点，侵彻箱底部设有照明灯箱。
6、图像采集模块包括放置在侵彻箱前方的摄像机支架，摄像机支架上设有高速摄像机，高速摄像机的镜头中心与侵彻箱侧面几何中心前后对应。
7、锚固力测试模块包括伺服电机、拉力计、左门型架和右门型架，基座上在侵彻箱前侧和后侧分别设有一条长度沿左右方向的轨道，左门型架下端分别滑动连接在两条轨道上，左门型架的横梁位于上方，右门型架位于基座右侧，左门型架的横梁上设有左滑轮，右门型架的横梁上设有右滑轮，伺服电机固定设在右门型架右侧的基座上，伺服电机的主轴上安装有卷筒，卷筒上缠绕有牵引索，拉力计设在牵引索上，牵引索的牵拉端向上绕过右滑轮再向左绕过左滑轮。
8、在线数据处理模块包括计算机和锚固力采集仪，拉力计通过锚固力采集仪与计算机连接，计算机内置土体侵彻与锚固数据库、tracker图像分析软件与拉力计记录分析软件。
9、抢险动力锚的可视化侵彻试验方法，包括以下步骤：
10、s1、“调”：在侵彻箱中放入4/5体积的标准介质透明slime凝胶模拟土体，透明slime凝胶颜色自定；确定发射架轴线延长线在侵彻箱中部的相对位置，按试验设计调整好发射角度，确保锚体在发射后能够准确射入侵彻箱内的透明slime凝胶；根据发射力要求选择弹力筋长度和粗细，调整改变弹力筋的弹力性质，控制发射力；在侵彻箱前方放置摄像机支架，调整位置和高度，使高速摄像机的镜头中心与侵彻箱侧面几何中心前后对应；
11、s2、“录”：打开侵彻箱底部的照明灯箱，确保侵彻轨迹清晰可见；利用手机蓝牙远程遥控高速摄像机，准备安全实时观测侵彻试验过程以及对试验图像采集的实时全过程调控；
12、s3、“射”：清空发射区域人员，将弹力筋中部伸入挂在钩挂槽内，将锚体向左移动到使固定座上的两个卡块卡住锚体上的卡槽；扣动扳机，驱动两个卡块向下移动，卡块脱离卡槽，在弹力筋的弹力作用下，将锚体向右射向侵彻箱中的透明slime凝胶内，高速摄像机观测记录钻地锚的侵彻全过程以及越过不同介质界面时产生的界面波动图像，得到高速记录的侵彻影像数据，并传输至计算机，计算机分析锚体速度侵彻过程中的速度衰减率，获取锚体侵彻轨迹与最大侵彻深度；
13、s4、“拉”：将射入侵彻箱内透明slime凝胶的锚体后端连接的锚索与牵引索的牵拉端连接，驱动左门型架在轨道上左右移动，使牵引索对锚体的牵拉方向与锚体射入轨迹一致，将左门型架固定，启动伺服电机，伺服电机牵拉牵引索以2～3cm/s的速率将锚体从侵彻介质中缓慢拉出，拉力计实时采集拉拔力的实时动态数据，并传输至拉力采集仪供分析；高速摄像机录制拉拔过程影像，借助图像识别技术，建立拉拔力随时间变化过程，提取极限最大抗拉力。
14、采用上述技术方案，本专利技术相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体如下：
15、1)稳固的基座可以放置侵彻箱、立柱、灯箱和伺服电机等装置，保证发射及侵彻过程中的系统稳定性。发射架可以自由旋转，利用配置的量角器和指针构成的偏角仪调整控制发射角度；通过调节弹力筋张紧度和弹性系数(配有专用弹力换算表)，可以调节控制钻地锚的锚体发射力，根据弹力筋根数与长度实现对发射力的调整控制；锚体采用特制带索锚具，锚体具有逆拉开张的锚刺，模拟钻地锚的锚固特性。在确定控制发射架偏角后，根据发射力将选择好的弹力筋一端固定在固定座上，另一端挂进锚体的钩挂槽内，然后拉紧弹力筋将两个卡块卡进锚体的卡槽内，同时将锚索盒中的锚索与锚体左端相连，呈自由释放状态；然后通过准星瞄准侵彻点，扣动扳机，驱动两个卡块下移脱离卡槽，在弹力筋的作用下完成锚体弹力发射，将钻地锚射入侵彻箱内。
16、2)透明亚克力板制成的侵彻箱具有良好的透视效果和结构强度，侵彻箱右侧设置的倒直角梯形侵彻区内盛装的标准slime凝胶，具有良好透明度与稳定的粘滞性指标，便于和其他侵彻介质间进行粘滞性指标换算；侵彻箱前侧面设置的点(坐标系统)用来显示钻地锚在侵彻箱中的运动轨迹，便于图像追踪分析。侵彻箱底部配置的灯箱，是专用照明设备，经过方向和位置的控制，使侵彻箱内光线均匀，无光斑、阴影，无漫反射，有利于高速摄像机捕捉清晰完整的侵彻过程。
17、3)高速摄像机设置在侵彻箱正面，距离侵彻箱约2倍箱长的位置，高速摄像机高度正对侵彻箱几何中心；高速摄像机拍摄帧频为500fps，在开始发射钻地锚时，启动高速摄像机开始拍本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：包括弹力发射模块、透视侵彻模块、图像采集模块、锚固力测试模块和在线数据处理模块，弹力发射模块、透视侵彻模块和锚固力测试模块自左向右依次设置在同一个基座上，弹力发射模块用于将连接有锚索的锚体强力侵彻到透视侵彻模块内，图像采集模块用于采集锚体侵彻运动轨迹并将采集的数据传输至在线数据处理模块，锚固力测试模块用于测试牵拉锚索将锚体从透视侵彻模块内拉出的拉力数据并将拉力数据实时传输至在线数据处理模块。
2.根据权利要求1所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：弹力发射模块包括下端固定设在基座上的立柱，立柱上端通过铰接轴转动设有发射架，铰接轴沿前后方向水平设置，发射架上固定设有以铰接轴为中心线的量角器，铰接轴前端固定设有垂直向下的指针，通过指针指向量角器上的刻度确定发射架与水平面的夹角；发射架左侧设有固定座，固定座后端设有准星，固定座上设有可上下移动的卡块，两个卡块关于准星前后对称设置，发射架左侧下部设有用于驱动卡块上下移动的扳机，固定座右侧固定设有关于准星前后对称的连接环，两个连接环之间通过弹力筋连接。
3.
4.根据权利要求3所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：透视侵彻模块包括由透明亚克力板制成的侵彻箱，侵彻箱顶部敞口，侵彻箱内装有模拟侵彻土体的标准介质透明Slime凝胶，侵彻箱前侧面设有计量锚体侵彻轨迹的若干个坐标点，侵彻箱底部设有照明灯箱。
5.根据权利要求4所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：图像采集模块包括放置在侵彻箱前方的摄像机支架，摄像机支架上设有高速摄像机，高速摄像机的镜头中心与侵彻箱侧面几何中心前后对应。
6.根据权利要求5所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：锚固力测试模块包括伺服电机、拉力计、左门型架和右门型架，基座上在侵彻箱前侧和后侧分别设有一条长度沿左右方向的轨道，左门型架下端分别滑动连接在两条轨道上，左门型架的横梁位于上方，右门型架位于基座右侧，左门型架的横梁上设有左滑轮，右门型架的横梁上设有右滑轮，伺服电机固定设在右门型架右侧的基座上，伺服电机的主轴上安装有卷筒，卷筒上缠绕有牵引索，拉力计设在牵引索上，牵引索的牵拉端向上绕过右滑轮再向左绕过左滑轮。
7.根据权利要求6所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：在线数据处理模块包括计算机和锚固力采集仪，拉力计通过锚固力采集仪与计算机连接，计算机内置土体侵彻与锚固数据库、Tracker图像分析软件与拉力计记录分析软件。
8.抢险动力锚的可视化侵彻试验方法，采用如权利要求7所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统进行操作，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：包括弹力发射模块、透视侵彻模块、图像采集模块、锚固力测试模块和在线数据处理模块，弹力发射模块、透视侵彻模块和锚固力测试模块自左向右依次设置在同一个基座上，弹力发射模块用于将连接有锚索的锚体强力侵彻到透视侵彻模块内，图像采集模块用于采集锚体侵彻运动轨迹并将采集的数据传输至在线数据处理模块，锚固力测试模块用于测试牵拉锚索将锚体从透视侵彻模块内拉出的拉力数据并将拉力数据实时传输至在线数据处理模块。
2.根据权利要求1所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：弹力发射模块包括下端固定设在基座上的立柱，立柱上端通过铰接轴转动设有发射架，铰接轴沿前后方向水平设置，发射架上固定设有以铰接轴为中心线的量角器，铰接轴前端固定设有垂直向下的指针，通过指针指向量角器上的刻度确定发射架与水平面的夹角；发射架左侧设有固定座，固定座后端设有准星，固定座上设有可上下移动的卡块，两个卡块关于准星前后对称设置，发射架左侧下部设有用于驱动卡块上下移动的扳机，固定座右侧固定设有关于准星前后对称的连接环，两个连接环之间通过弹力筋连接。
3.根据权利要求2所述的抢险动力锚的可视化侵彻试验系统，其特征在于：锚体为圆杆体结构，锚体沿左右方向放置在固定座上，锚体左端与准星左右对应，锚体右端尖锐，锚体左侧部设有与两个卡块卡接配合的卡槽，锚体前部外圆开设有开口朝左且与锚体中心线成锐角的钩挂槽，弹力筋左侧中部张紧并挂接在钩挂槽内；锚体左端连接有锚索，锚索左端缠绕在设有卷绕轮的锚索盒内，锚索盒固定设在固定座...
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