河道工程根石智能化探测系统的研究与开发

论文摘要

我国是一个洪涝灾害多发的国家,近年来的气候异常,更导致洪涝灾害频繁发生,防洪任务愈发艰巨。从1980年开始河务部门投入了大量的人力物力对黄河河道工程根石智能化探测技术进行研究,但由于穿过混水、淤泥层探测的困难性、黄河高含沙水流的特殊性以及探测技术开发、研究水平的局限性,均未能彻底攻破这一难题。 论文研究分析了河道工程护坝根石的结构、走失方式、走失部位、走失方向及走失原因,提出了坝岸安全稳定的条件,根据正常年份的水文情况,确定了黄河河道工程根石智能化探测系统的探测范围、要求及目标。 在分析现有探测技术的基础上,根据黄河河道工程根石智能化探测系统的技术要求,实验确定了穿透能力强、精度高的超声波探测仪器——StrataBox浑水剖面测深仪;研究分析了船载、航模、水下探测机器人探测的不足,提出了一种新型探测方案——岸上载体探测方案;设计了载体及配套的驱动控制系统,并开发了相应的计算机软件系统;优化设计了探测系统的详细工作过程。 创建了伸缩臂数学模型,利用有限元软件ANSYS对探测伸缩臂进行力学特性分析、结构优化,同时进行了计算机仿真与分析、精度分析及稳定性校核,使各性能参数均达到最佳状态。 通过现场对探测系统定点对比实验和坝面扫描实验数据、图像分析研究,该系统: (1) 探测效率高、穿透能力强,能够测出浑水下及淤泥覆盖下的根石界面,根据信号特征也能够较清晰地分辨出淤泥、根石,适合于黄河堤坝的根石探测; (2) 探测精度较高,实验结果中有63%符合设计要求,另有22.9%与人工锥探的对比误差在允许范围内; (3) 可自动存储、管理探测数据及结果,并直接输出根石断面图、计算出缺石位置和缺石量; (4) 机动灵活、安装操作简单、界面友好、结果完整、直观、实时性好。 因此,“黄河河道工程根石智能化探测系统”课题符合当前河流防汛抢险工程要求,属于河流防汛抢险必备的技术装备,技术含量高,实用性强,研制成功后,将大大提高河流防汛抢险的目的性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 课题概要及意义
• 1.3 水下根石探测技术现状及发展趋势
• 1.3.1 常规接触式探测方法
• 1.3.2 非接触式探测方法
• 1.4 论文的主要研究内容及章节结构
• 第2章 根石智能化探测系统设计要求及目标
• 2.1 根石结构及其走失规律分析
• 2.1.1 根石结构分析
• 2.1.2 根石走失方式
• 2.1.3 根石走失部位及走失方向
• 2.1.4 根石走失原因
• 2.2 系统设计技术指标及目标
• 2.3 本章小结
• 第3章 探测系统总体设计与功能划分
• 3.1 探测方式及探测仪器的选择
• 3.1.1 超声波探测原理
• 3.1.2 StrataBox便携式浑水剖面测深仪
• 3.1.3 仪器主要性能指标
• 3.1.4 StrataBox浑水剖面测深仪根石探测可行性研究
• 3.2 探测系统载体的方案确定
• 3.3 探测系统载体的设计
• 3.3.1 载体行走机构设计
• 3.3.2 探测臂的设计
• 3.3.3 支承方式的确定
• 3.3.4 安全防护装置的设计
• 3.4 液压控制系统设计
• 3.4.1 探测仪器自动调平液压系统设计
• 3.4.2 探测仪水平连续直线运动液压控制系统设计
• 3.4.3 液压系统总体设计
• 3.5 系统计算机软件平台的开发
• 3.5.1 软件系统开发目标
• 3.5.2 软件系统工作流程
• 3.5.3 软件系统需求规定
• 3.5.4 软件系统界面设计
• 3.6 探测系统工作过程设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统结构优化、校核及精度分析
• 4.1 伸缩臂的结构分析及优化
• 4.1.1 伸缩臂设计的数学模型
• 4.1.2 伸缩臂的受力分析
• 4.1.3 伸缩臂的仿真优化
• 4.2 液压驱动机构的仿真优化
• 4.2.1 平衡油缸机构的优化设计
• 4.2.2 伸缩臂变幅油缸铰点位置的优化设计
• 4.3 伸缩臂的强度校核
• 4.3.1 伸缩臂整体稳定性校核
• 4.3.3 伸缩臂局部稳定性校核
• 4.4 探测系统探测精度综合分析
• 4.4.1 函数构造
• 4.4.2 误差系数
• 4.4.3 运动定位精度的概率统计
• 4.4.4 精度的分配
• 4.4.5 结论
• 4.5 本章小结
• 第5章 探测系统的实验研究
• 5.1 仪器性能测试对比实验
• 5.2 根石剖面扫描测量实验
• 5.3 实验研究结论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 科研成果