CN100593707C - 海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置 - Google Patents

Abstract

一种海洋工程技术领域的海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，包括模型运动控制构件、模型连接构件和转盘，模型运动控制构件包括两块凸形钢板、两根直圆管、两根平行角钢、五个滑块、伺服电机和丝杠，在两块凸形钢板之间的下端两侧焊接两根平行直圆管，上端两侧焊接两根平行角钢，两块凸形钢板中间设置一根丝杠，伺服电机位于右侧凸形钢板外，并与两根平行角钢的外延部分焊接，通过销连接伺服电机和丝杠，丝杠上套一个滑块，滑块下端焊接在方形钢板上，方形钢板四角处再焊接另外四个形式相同的滑块，这四个滑块分别套在两根直圆管上。本发明克服人工操作上的困难，可以在水中自动测量系泊系统刚度，符合真实的工作环境。

Description

海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的测量装置，具体是一种海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置。

背景技术

对平台系统和FPSO(浮式生产储油系统)进行物理模型试验时，正确地模拟其系泊系统是非常重要的，理想状态下需要保证系泊链每个材质分段的物理特性符合要求，但在实际操作中，系泊链的几何尺寸、单位长度的水中重量、刚度等重要特性比较容易模拟，其它的如断裂强度等特性很难保证，但需要确保在最大试验张力情况下不会拉断。检验一根系泊链模型是否合乎要求，主要是看它的顶端张力-位移特性也就是静力特性是否与期望值符合.对于整个的系泊系统，还需要在水池中测量其总水平力-位移特性，以确认所有系泊链的组成和安装、布置符合要求.由于多成份系泊链的工作水域通常较深，其相应的试验水深也较深.因此，在水中对其进行调整非常麻烦，很耗时费力。

经对现有技术文献的检索发现，张火明在《船舶工程》(2006年第六期，1-4页)发表的“多成份缆索静力特性测量及调整”中就提到了目前国内在做模型试验时测量系泊链刚度的通常情况是：一般先在空气中调整单根系泊链的张力-位移特性，将系泊链上端连接拉力传感器并固定在支架上，模拟并测量系泊链顶端张力，下端连接重块置于地面，通过移动地面上的重块某一特定距离代替系泊链上端的运动，再读取拉力传感器力值，然后改变重块移动距离，得到系泊链几组不同的张力-位移数据点。

测量FPSO转塔系泊系统水平刚度时，一般将多根系泊链上端分组连接在圆盘上，将下端固定。圆盘半径大小依据FPSO系泊时使用的转塔尺度，圆盘通过导轮放在两根平行轨道上，圆盘一端连接带有砝码的细绳，细绳绕过滑轮使砝码悬空向下，通过绳对圆盘施加水平力，并测量圆盘水平移动距离，这样变换砝码重量，测量可得转塔系泊系统水平刚度。

所有上述方法都有共同的不足之处：在空气中测量系泊链刚度，由于环境介质不同不可避免增加误差，并未考虑水中浮力影响；无法测量水平面内不同方向上系泊刚度，也无法实现模型在水平面内的二维运动；上述方法均需人工操作，过程中有间断，比较麻烦，不可避免增加人为操作引起的误差；上述测量方法获得的数据只是一些离散的数值点，仍需曲线拟和获得力-位移曲线。

发明内容

本发明的目的在于针对现在技术的不足，提供一种海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，使其可以在水平面内转动，来测量不同方向的系统水平刚度，将原有的离散点拟合的力-位移曲线改进为连续型曲线，也就是说连接于拖车上的该发明装置可带动模型系统在静水中做平面内的二维运动，自动测量该模型系泊系统的总水平力，以及单根系泊链的顶端张力，通过采集数据直接获得连续的系泊系统水平刚度曲线和单根系泊链的刚度曲线，并且针对不同的实验模型(例如FPSO，半潜式平台模型)，可以选择不同的模型连接机构，并且模型连接机构的设计考虑到了模型主尺度的差异和重心位置的变化，具有更好的适用性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括模型运动控制构件、模型连接构件和转盘。连接关系为：模型运动控制构件与上面的转盘相连接，模型运动控制构件与下面的模型连接构件相连。

所述模型运动控制构件包括两块凸形钢板、两根直圆管、两根平行角钢、五个滑块、伺服电机和丝杠。其中两块垂直于水平面的凸形钢板的间距为2米，主要考虑现今国内研究的海洋结构物工作水深在1000米左右，水平最大偏移为工作水深的5％～10％，再按照模型与原型1∶100的缩尺比，模型振动时偏离平衡位置最大位移量为1米。在两块凸形钢板之间的下端两侧焊接两根平行直圆管，上端两侧焊接两根平行角钢，两块凸形钢板中间设置一根丝杠，伺服电机位于右侧凸形钢板外，并与两根平行角钢的外延部分焊接，通过销连接伺服电机和丝杠，丝杠和伺服电机的中心线共线。丝杠上套一个滑块，在伺服电机的驱动下丝杠上的滑块做正弦运动，为了保证该滑块运动的稳定和模型运动控制构件的强度，滑块下端焊接在方形钢板上，方形钢板四角处再焊接另外四个形式相同的滑块，这四个滑块分别套在两根直圆管上。

所述模型连接构件是在模型运动控制构件的方形钢板中心处向下连接一根带有螺纹的直管，带有螺纹的直管为分段、可拆装的，在带有螺纹的直管上标有刻度，用于调整所连接构件高度。当测试模型为FPSO(浮式生产储油系统)时，即可将转塔模型(一般是圆板)套在带有螺纹的直管上，为模拟外转塔与内转塔系泊方式，转塔模型(一般是圆板)可能在水面上或水面以下，所以带有螺纹的直管应足够长，旋转转塔模型(一般是圆板)可调节其高度，在转塔模型(一般是圆板)边缘挂系泊链，其连接处加设拉力传感器，带有螺纹的直管上加设六分力仪，以测量总水平力；当测试模型为半潜式或Spar(单柱式平台)等平台模型时，模型连接构件中的带有螺纹的直管为拆卸后的分段，带有螺纹的直管与一根水平管绑定，水平管两侧设有两个套管，两根向下的竖直管焊接在这两个套管上，两根竖直管上再分别加设另外一个与前形式相同的套管，竖直管上的两个套管分别连接一根短管，两根短管都水平指向内。水平管和竖直管上标有刻度，根据平台模型的主尺度，调节水平管上两个套管间的距离，根据重心位置调节竖直管上两个套管的高度，调节完毕后用螺丝将所有套管固定。两根短管即可夹住模型在水平面内运动，两根短管中心线通过模型重心。在带有螺纹的直管上安装六分力仪测试总水平力，在模型系统的系泊链上端安装拉力传感器测试顶部张力。

为保证足够的连接强度，在模型运动控制构件的两根平行角钢中央处焊接一个钢块，在钢块四角处焊接四根支撑管，支撑管上端再与转盘相连，转盘上标有刻度，转盘边缘加设一个手柄，推动手柄即可实现模型运动控制构件和模型连接构件转动特定角度，然后再转盘上部再焊接四根圆管，这四根圆管连接在拖车上的强横梁。设计转盘的目的是为实现模型系统在平面内不同方向上的正弦运动，也就是测量模型系统不同方向的水平刚度。

由于伺服电机可以较慢速度转动，也就是说模型运动控制构件带动的模型系统运动速度很小，可以认为是准静态，这样就可通过六分力仪记录模型所受到的总水平力就是系泊系统的总水平力，在模型系统系泊链上端安装拉力传感器，也可以记录单根系泊链顶端处的拉力值，模型的运动情况被模型运动控制构件的伺服电机控制程序记录，经过处理数据也就得到了连续的静水模型试验中系泊系统水平刚度曲线和单根系泊链的刚度曲线。

与现有技术相比，本发明克服人工操作上的困难，可以在水中自动测量系泊系统刚度，符合真实的工作环境。本发明可测量系泊系统不同方向的水平刚度和单根系泊链刚度，对于转塔系泊的FPSO具有特别的意义。本发明改进刚度曲线上原有的离散型数据点为连续型曲线，具有更好的科学性和准确性。本方明针对不同的实验模型(例如FPSO，平台模型)，可以选择不同的模型连接构件，并且连接机构的设计考虑到了模型主尺度的差异和重心位置的变化，具有更好的适用性。本发明结构简单，容易实现，所用部件十分常见，完全可以从市场购买，不需另外设计，生产，十分方便。

本发明机构可采用轻质材料制造，主要考虑随着平台系统工作水深的增加，该模型试验机构横向长度也将有所增加，为保证具有足够的连接强度，可以采用较轻质的合金材料焊接组成该机构。

附图说明

图1为本发明中模型运动控制构件和转盘示意图

图2为平台模型试验时，模型连接构件示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例包括：模型运动控制构件、模型连接构件和转盘。模型运动控制构件通过四根支撑管8与上面的转盘6相连接，模型运动控制构件通过带螺纹的直管15与下面的模型连接构件相连。

如图1所示，表示模型运动控制构件和转盘，其中：两块凸形钢板1、两根直圆管2、两根平行角钢3、丝杠4、伺服电机5和转盘6。连接关系为：两块垂直于水平面的凸形钢板1的间距为2米，在两块凸形钢板1之间的下端两侧焊接两根平行直圆管2，上端两侧焊接两根平行角钢3，两块凸形钢板1中间设置一根丝杠4，伺服电机5位于右侧凸形钢板1外，并与两根平行角钢3的外延部分焊接，通过销连接伺服电机5和丝杠4，丝杠4和伺服电机5的中心线要共线。丝杠4上套一个滑块13，为了保证该滑块13运动的稳定和模型运动控制构件的强度，滑块13下端焊接在方形钢板9上，方形钢板9四角处再焊接另外四个形式相同的滑块14，这四个滑块14分别套在两根直圆管2上。方形钢板9中心处向下连接一根带有螺纹的直管15。为了使该装置能转动到任意角度，在模型运动控制构件的两根平行角钢3中央处焊接一个钢块7，在钢块7四角处焊接四根支撑管8，支撑管8上端再与转盘6相连，转盘6上标有刻度，转盘6边缘加设一个手柄10，然后在转盘6上部再焊接四根圆管11，这四根圆管11连接在拖车上的强横梁12。

如图2所示，表示模型连接构件，带有螺纹的直管15为分段、可拆装的。当测试模型为FPSO(浮式生产储油系统)时，即可将转塔模型(一般是圆板)套在带有螺纹的直管15上，为模拟外转塔与内转塔系泊方式，转塔模型(一般是圆板)可能在水面上或水面以下，所以带有螺纹的直管15应足够长，旋转转塔模型(一般是圆板)可调节其高度；当测试模型为半潜式或Spar(单柱式平台)等平台模型时，模型连接构件中的带有螺纹的直管15为拆卸后的分段，带有螺纹的直管15与一根水平管16绑定，水平管16两侧有两个套管17，两根向下的竖直管18焊接在这两个套管17上，两根竖直管18上再分别加设另外一个与前形式相同的套管19，竖直管18上的两个套管19分别连接一根短管20，两根短管20都水平指向内。两根短管20夹住模型在水平面内运动，两根短管20中心线通过模型重心。

本实施例采用HC-KFS交流伺服机，生产厂家是三菱电机株式会社，功率750W，MR-J2S交流伺服，其中的PCI-1240是一款基于PCI总线技术的4轴步进脉冲型伺服运动控制卡，应用于常规的精确运动控制，可以显著提高电机运动性能。

按照研究方案测定模型试验中系泊系统水平刚度时，首先根据试验模型类型选择相应的模型连接构件并与模型运动控制构件连接好，推动转盘6上的手柄10将装置转动到设定角度，然后将预先做好的模型系统与该装置的模型连接构件相连，当测试模型为FPSO时，根据设计试验要求，旋转套在带有螺纹的直管15上的转塔模型(一般是圆板)，当测试模型为半潜式或Spar(单柱式平台)等平台模型时，根据平台模型的主尺度，调节水平管16上两个套管17间的距离，根据模型重心位置调节竖直管18上两个套管19的高度，调节完毕后用螺丝将所有套管固定。再将系泊链一端与池底相接，另一端与模型特定位置相接，带有螺纹的直管15上加设六分力仪，以测量总水平力，在模型系统的系泊链上端安装拉力传感器用来测试顶部张力。编制伺服电机5控制程序，启动伺服电机5使丝杠4转动，带动滑块13做缓慢的正弦运动，从而带动模型系统在静水中准静态振动，最后读出各个力传感器记录以及伺服电机5程序中的运动情况记录，通过处理数据得到系泊系统总水平力-位移曲线和单根系泊链顶端张力-位移曲线。推动转盘6上的手柄10将该发明装置转动到其它角度，重复上述操作来测量其它方向的系泊系统刚度。

Claims (6)

1、一种海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，其特征在于，包括模型运动控制构件、模型连接构件和转盘，模型运动控制构件与上面的转盘相连接，模型运动控制构件与下面的模型连接构件相连；

所述模型运动控制构件包括两块凸形钢板、两根直圆管、两根平行角钢、五个滑块、伺服电机和丝杠，在两块凸形钢板之间的下端两侧焊接两根平行直圆管，上端两侧焊接两根平行角钢，两块凸形钢板中间设置一根丝杠，伺服电机位于右侧凸形钢板外，并与两根平行角钢的外延部分焊接，通过销连接伺服电机和丝杠，丝杠上套一个滑块，滑块下端焊接在方形钢板上，方形钢板四角处再焊接另外四个形式相同的滑块，这四个滑块分别套在两根直圆管上；

所述模型连接构件是在模型运动控制构件的方形钢板中心处向下连接一根带有螺纹的直管，带有螺纹的直管上标有刻度，带有螺纹的直管上设有六分力仪；

所述模型运动控制构件的两根平行角钢中央处焊接一个钢块，在钢块四角处焊接四根支撑管，支撑管上端再与转盘相连；

所述转盘上标有刻度，转盘边缘加设一个手柄；

所述转盘上部焊接四根圆管，这四根圆管连接在拖车上的强横梁。

2、根据权利要求1所述的海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，其特征是，所述两块凸形钢板垂直于水平面，且两者间距为2米。

3、根据权利要求1所述的海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，其特征是，所述丝杠和伺服电机的中心线共线。

4、根据权利要求1或3所述的海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，其特征是，所述伺服电机驱动丝杠上的滑块做正弦运动。

5、根据权利要求1所述的海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，其特征是，所述带有螺纹的直管与一根水平管绑定，水平管两侧设有两个套管，两根向下的竖直管焊接在这两个套管上，两根竖直管上再分别加设另外一个与前形式相同的套管，竖直管上的两个套管分别连接一根短管，两根短管都水平指向内。

6、根据权利要求5所述的海洋结构物系泊系统刚度自动测量试验装置，其特征是，所述水平管和竖直管上标有刻度，两根短管中心线通过模型重心。

Images