本发明涉及浮式结构物水动力学，尤其是一种垂向波浪载荷测试装置及其测试方法。
背景技术：
1、船舶与海洋工程结构物在海上作业时会遭遇不同程度风浪环境的影响，波浪载荷是最主要、最复杂、持续作用时间最长的外界载荷，随着海况的增加，这些载荷是致命的，一旦船体或部件承受不住，就会发生极端破坏，造成不可估量的损失。长期以来，许多学者一直致力于波浪载荷预报的研究，随着预报技术不断发展和实际工程需求，小型的、关键的部件波浪载荷预报逐渐被重视起来。虽然可以通过数值仿真的方法获取部件表面流体压力，通过积分并叠加重力和惯性力进行预报，但是由于风浪环境具有非线性特性，这些预报存在着精度和验证问题，为此，模型测试方法仍是最有效和最直观的研究途径。然而由于船舶与海洋工程突出的关键部件都比较小，与主体相差数倍量级，同时与主体又相互连接并影响，因此，模型试验中存在着诸多难点和挑战，主要表现在：1、圆形主体与圆环附体之间间隙较小，全周方向都受到制约，在波浪作用下，圆环附体正向和背向受到波浪载荷影响存在时间差，前后载荷方向相反，产生力矩，导致圆环附体与主体可能会相互干涉，因此，如何设计一套测试装置能全浪向测量并能避免主体和圆环附体干涉是难点；2、圆环附体受到波浪影响后会产生垂向、横向和回转等多方向载荷，它们之间又相互影响，如何准确捕捉到垂向波浪载荷是关键。
2、目前针对大型船舶或海洋装备主体开展波浪载荷研究较多，主要通过数值方法研究为主，模型试验方面则通过分段模型+钢梁结构相结合的方法进行试验研究，技术也相对较成熟。随着技术发展，逐渐对小尺度附体波浪载荷越来越受关注。
技术实现思路
1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种垂向波浪载荷测试装置及其测试方法，从而提升小尺度附体波浪载荷测试技术能力，解决海洋工程装备上小尺度附体在波浪环境下载荷精确测量的问题，为小尺度附体连接结构设计提供技术支撑，推动我国船舶水动力技术发展。
2、本发明所采用的技术方案如下：一种垂向波浪载荷测试装置，包括浮筒主体，所述浮筒主体的外围增设有圆环延伸片体，在浮筒主体和圆环延伸片体之间设置限位单元；所述圆环延伸片体内部安装有至少一个测试单元；单个测试单元的结构为：包括从浮筒主体内部向外贯穿后进入圆环延伸片体内部的金属横杆，所述金属横杆一端位于浮筒主体内，金属横杆另一端位于圆环延伸片体内中部位置，所述金属横杆位于圆环延伸片体内的一端在下方活动连接顶杆，所述顶杆底部与测力传感器的顶部连接，所述测力传感器的底部安装在支座上，所述支座固定在圆环延伸片体内的底面上。
3、作为上述技术方案的进一步改进：
4、优选的，所述限位单元的结构包括：固定在浮筒主体上的u形凸导子以及固定在圆环延伸片体上的u形凹导套，所述u形凸导子配合插入u形凹导套内。
5、优选的，所述金属横杆与浮筒主体内侧壁的接触端还增设预埋板。
6、优选的，所述金属横杆位于浮筒主体内的一端套设有螺母，所述螺母与预埋板相抵。
7、优选的，所述金属横杆与顶杆的连接端设置铜套，在铜套与顶杆的接触端设置圆柱销。
8、优选的，所述支座上通过螺丝与圆环延伸片体的底面装配。
9、一种垂向波浪载荷测试装置的测试方法，包括以下步骤：
10、步骤一：分别制作浮筒主体和圆环延伸片体，在浮筒主体上的正交位置每间隔90°处进行开孔，并在圆环延伸片体对应位置匹配预埋支座；
11、步骤二：在浮筒主体的每个内侧壁开孔处匹配预埋板，形成4个正交位置的预埋板，每个预埋板上分别由螺母固定安装金属横杆；
12、步骤三：在圆环延伸片体内部预埋的支座上安装测力传感器，同时将测力传感器通过顶部的顶杆与步骤二中的金属横杆相接，接触端分别设置有铜套和圆柱销；
13、步骤四：在浮筒主体上固定u形凸导子，在圆环延伸片体上固定u形凹导套，并将u形凸导子配合插入u形凹导套形成限位，约束浮筒主体和圆环延伸片体之间在水平方向的相对回转运动；
14、步骤五：约束浮筒主体，在圆环延伸片体的中心处施加不同载荷，可分别得到不同位置处测力传感器的校核系数；
15、步骤六：将整个装置自由浮于静水中，同时记录下各方向的测力传感器的初始电压信号，并计算初始垂向力；
16、步骤七：利用波浪水池中的造波设备产生波浪，此时整个装置会相应产生六自由度运动，同时波浪对圆环延伸片体产生荷载，此时采集各方向的测力传感器的电压变化值，从而得到对应的各垂向力，最后计算总的垂向合力。
17、优选的，所述步骤一中在圆环延伸片体对应位置预埋的支座是通过螺丝进行装配。
18、优选的，所述步骤四中u形凹导套和u形凸导子的配合位置位于斜向45°处。
19、本发明的有益效果如下：
20、本发明结构紧凑合理，操作方便，通过在浮筒主体外围增设圆环延伸片体，并在圆环延伸片体内部设置测试单元，通过以正交状态布置的多组测试单元，实现全浪向测量。
21、本发明还具有以下优点：
22、(1)本发明的整个测试装置简单，采用了对称性布置结构，使多组测试单元中的单向测力传感器，测力干净和准确，不易受横向和回转方向干涉作用；
23、(2)本发明的设置u形凹导套和u形凸导子有效形成限位导向机构，可约束浮筒主体和圆环延伸片体之间的横向和回转方向运动，释放垂向，有效保障测试装置精确度。
1.一种垂向波浪载荷测试装置，其特征在于：包括浮筒主体(1)，所述浮筒主体(1)的外围增设有圆环延伸片体(2)，在浮筒主体(1)和圆环延伸片体(2)之间设置限位单元；
2.如权利要求1所述的垂向波浪载荷测试装置，其特征在于：所述限位单元的结构包括：固定在浮筒主体(1)上的u形凸导子(4)以及固定在圆环延伸片体(2)上的u形凹导套(3)，所述u形凸导子(4)配合插入u形凹导套(3)内。
3.如权利要求1所述的垂向波浪载荷测试装置，其特征在于：所述金属横杆(502)与浮筒主体(1)内侧壁的接触端还增设预埋板(501)。
4.如权利要求1所述的垂向波浪载荷测试装置，其特征在于：所述金属横杆(502)位于浮筒主体(1)内的一端套设有螺母(503)，所述螺母(503)与预埋板(501)相抵。
5.如权利要求1所述的垂向波浪载荷测试装置，其特征在于：所述金属横杆(502)与顶杆(506)的连接端设置铜套(504)，在铜套(504)与顶杆(506)的接触端设置圆柱销(505)。
6.如权利要求1所述的垂向波浪载荷测试装置，其特征在于：所述支座(508)上通过螺丝(509)与圆环延伸片体(2)的底面装配。
7.一种垂向波浪载荷测试装置的测试方法，其特征在于：
8.如权利要求7所述的垂向波浪载荷测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤一中在圆环延伸片体(2)对应位置预埋的支座(508)是通过螺丝(509)进行装配。
9.如权利要求7所述的垂向波浪载荷测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤四中u形凹导套(3)和u形凸导子(4)的配合位置位于斜向45°处。
