CN101464199A - 半潜式海洋平台外载荷模型试验二阶波浪力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋工程技术领域的半潜式海洋平台外载荷模型试验中二阶波浪力测量装置，包括半潜式海洋平台模型、实时计算机控制系统、二阶波浪力测量辅助系统、测量分析系统、拖车，其中：二阶波浪力测量辅助系统包括曲杆、直杆、夹板、刻度板，刻度板固定在直杆上，直杆与曲杆固定，刻度板与曲杆固定，夹板位于曲杆两端，调节夹板高度和间隙将整个二阶波浪力测量辅助系统固定在半潜式海洋平台模型上，试验时二阶波浪力测量辅助系统通过调节刻度板每10度改变半潜式海洋平台模型的角度，获得各波浪方向下的二阶波浪力。本发明能测量各种波浪方向下半潜式海洋平台模型受到的二阶波浪力，提高了半潜式海洋平台外载荷模型试验的精度和可靠度。

Description

半潜式海洋平台外载荷模型试验二阶波浪力测量装置

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，具体涉及的是一种半潜式海洋平台外载荷模型试验二阶波浪力测量装置。

背景及相关理论

在对深海平台技术的研究开发过程中，由于深海平台的工作环境及其自身的特点，波浪对结构物的二阶作用力不可忽视。二阶作用力尽管数值比一阶要小得多，但由于波浪本身的非线性相互作用会产生对结构物的低频(差频)作用，而大部分深海结构在水平方向或铅直方向的回复力很小，因而对应的自然振荡周期较大，可能会与低频作用力产生强烈的共振。另外二阶作用力中高频(和频)部分的危害也值得注意。因此在半潜式海洋平台模型试验中，对二阶波浪力进行测量，从而准确预测半潜式海洋平台外载荷强度，对半潜式海洋平台动力定位系统和锚泊系统等进行合理的设计具有重要的意义。

半潜式海洋平台模型试验在没有风、流的情况下，二阶波浪力表现为模型的慢漂，使其位置改变而无法回复，这是相对与一阶波浪力的振荡而言的。因此，在各种海洋工程的模型试验中，就认为该慢漂力即二阶波浪力。

海洋工程界在对低频二阶波浪力的测量方法的探讨中指出，需要测量模型低频漂移力，必须对其低频范围内的慢漂运动进行限制以进行测量，而二阶力又受到一阶运动的影响，因此同时必须使模型的一阶运动不受限制系统的影响，使其在波频范围内的运动获得充分的释放。

经对现有技术的文献检索发现，王磊等在《海洋工程》2006年第三期第1页上发表的“动力定位船舶二阶低频慢漂力模型试验研究”，该文中提出了一种利用线性弹簧的被动式限制系统来测量二阶波浪力，即用弹簧释放模型的一阶线性运动并限制其二阶慢漂运动，当整个运动系统(包括模型和限制系统)是线性的时候，对所测得的力采用低通滤波，过滤掉一阶波频运动引起的高频分量，即可得到半潜式海洋平台模型受到的二阶波浪力。其不足在于：(1)斜浪情况下，由于波浪力的作用使得弹簧与半潜式海洋平台模型无法保持在一条直线上，从而使得传感器测得结果的大大偏离而无法应用到分析计算中。(2)由于采用的弹簧刚度很小，从而在弹簧在张力较小时会产生下垂而增加了测量误差。(3)每次改变测量角度时都需要将连有传感器的支架和弹簧进行移动和拆装，由于是在水池中乘船进行操作，通常无法达到精度且工作量增大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种半潜式海洋平台外载荷模型试验二阶波浪力测量装置，使其能准确测量各种波浪方向下半潜式海洋平台模型受到的二阶波浪力，解决以往半潜式海洋平台外载荷模型试验时存在的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：半潜式海洋平台模型、二阶波浪力测量辅助系统、实时计算机控制系统、测量分析系统、拖车。半潜式海洋平台模型置于试验水池中，二阶波浪力测量辅助系统固定在半潜式海洋平台模型上，和实时计算机运动控制系统相连，实时计算机控制系统置于拖车上，测量分析系统部分置在二阶波浪力测量辅助系统上，部分置于拖车上。

所述的半潜式海洋平台模型是根据缩尺比和实际工作的半潜式海洋平台制作的，置于试验水池中。

所述的二阶波浪力测量辅助系统为一套杆件装置，其中包括曲杆、直杆、夹板、刻度板，刻度板固定在直杆上，直杆与曲杆固定，刻度板与曲杆固定，夹板位于曲杆的两端，调节曲杆两端夹板的高度和间隙将整个二阶波浪力测量辅助系统固定在半潜式海洋平台模型的甲板上，试验时二阶波浪力测量辅助系统通过调节刻度板每10度改变半潜式海洋平台模型的角度进而获得不同波浪方向下平台模型受到的二阶波浪力。

所述的夹板位于曲杆的两端，位置可上下调整用螺栓固定，用于将曲杆固定在半潜式海洋平台模型上。

所述的刻度板为一环形板的二分之一，标有刻度，每隔10度位置上打有小孔，固定在直杆上。

所述的曲杆与直杆固定，两者可相对转动，曲杆在相应位置处开孔，并通过螺栓与刻度板固定以调整曲杆和直杆之间的角度。

所述的直杆两端打孔，用于连接测量分析系统中的弹簧并穿过铁丝。

所述的实时计算机控制系统用来控制试验水池的造波装置，根据半潜式海洋平台模型的缩尺比和实际半潜式海洋平台的工作环境产生试验所需要的波浪。

所述的测量分析系统包括非接触式光学测量系统、力传感器、应变放大器、连接装置、弹簧、铁丝、支架、浪高仪、数据自动采集卡及计算机实时分析模块。其中，非接触式光学测量系统、连接装置、数据自动采集卡和计算机实时分析模块置于拖车上，非接触式光学测量系统连接数据自动采集卡及计算机实时分析模块，力传感器连接到应变放大器，应变放大器通过连接装置与数据自动采集卡及计算机实时分析模块相连，力传感器固定在支架上，弹簧连接到力传感器上并固定于二阶波浪力测量辅助系统中直杆两端，铁丝穿过弹簧和直杆端部的孔连接在支架上并绷紧，浪高仪和支架固定在水池中。

所述的非接触式光学测量系统利用位置测量仪测量固定在半潜式海洋平台模型上的三个发光元件的运动，并使用计算机程序解析出船模在波浪中的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇及艏摇六个自由度的运动，所得到的运动信息发送到数据自动采集卡及计算机实时分析模块。

所述的应变放大器将拉力传感器测量得到的应力信号放大，放大后的信号再传送到数据自动采集卡及计算机实时分析模块。

所述的连接装置连接应变放大器和数据自动采集卡及计算机实时分析模块。

所述的数据自动采集卡及计算机实时分析模块采集和实时分析海洋平台试验时的各种数据。

所述的弹簧释放半潜式海洋平台模型的一阶运动并限制其慢漂运动。

所用的铁丝限制弹簧压缩时产生的下垂变形。

所述的力传感器用于测量每根弹簧的拉力(或压力)。所述的浪高仪用于测量试验时实际波浪高度。

所述的拖车用于放置部分实时计算机控制系统和测量分析系统。

本发明具有实质性特点和显著进步，直接通过调整二阶波浪力辅助装置即可获得不同波浪方向下半潜式海洋平台模型的运动和受力情况，并直接在计算机中将数据进行处理得到半潜式海洋平台在实际海况中受到的二阶波浪力，解决了以往模型试验中试验结果偏差过大的问题。弹簧采取了措施防止弹簧压缩时下垂变形，提高了测量的准确度。一次性固定了整套装置，不必在试验中对测量装置进行拆装，提高了工作效率。另外，可以通过优化二阶波浪力测量辅助系统上的固定方式以适合其他类型的平台模型和更多形式的海洋结构物。本发明缩短了实验的周期，提高了实验的经度，节省了实验经费。

附图说明

图1是二阶波浪力测量辅助系统结构示意图。

图2是半潜式海洋平台外载荷模型试验二阶波浪力测量装置结构示意图。

附图标记说明：半潜式海洋平台模型1，曲杆2，夹板3，直杆4，刻度板5，实时计算机控制系统6，非接触式光学测量系统7，力传感器8，应变放大器9，连接装置10，弹簧11，支架12，浪高仪13，数据自动采集卡及计算机实时分析模块14，拖车15，铁丝16。

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。

如图2所示，本实施例由半潜式海洋平台模型1，曲杆2，夹板3，直杆4，刻度板5，实时计算机控制系统6，非接触式光学测量系统7，力传感器8，应变放大器9，连接装置10，弹簧11，支架12，浪高仪13，数据自动采集卡及计算机实时分析模块14，拖车15，铁丝16。

刻度板5固定在直杆4上，直杆4与曲杆2固定，调整直杆4与曲杆2之间角度，并在刻度板5的对应位置处的孔用螺钉与曲杆2固定，调节曲杆2两端夹板3的高度和间隙将整个二阶波浪力测量辅助系统固定在半潜式海洋平台模型1的甲板上，试验时二阶波浪力测量辅助系统通过调节刻度板5每10度改变半潜式海洋平台模型1的角度进而获得不同波浪方向下的二阶波浪力，弹簧11一端连接在直杆4两端，另一端与力传感器8相连，力传感器8固定于支架12上，并与应变放大器9相连，应变放大器9通过连接装置10与数据自动采集卡及计算机实时分析模块14相连，支架12置于试验水池中，铁丝16穿过弹簧11和直杆4端部的孔固定在支架12上，浪高仪13固定于试验水池中，与数据自动采集卡及计算机实时分析模块14相连，实时计算机控制系统6，非接触式光学测量系统7，应变放大器9，连接装置10，数据自动采集卡及计算机实时分析模块14布置在拖车15上。

所述的夹板3位于曲杆2的两端，位置可上下调整用螺栓固定，用于将曲杆2固定在半潜式海洋平台模型1上。

所述的刻度板5为一环形板的二分之一，标有刻度，每隔10度位置上打有小孔，固定在直杆4上。

所述的曲杆2与直杆4固定，两者可相对转动，曲杆2在相应位置处开孔，并通过螺栓与刻度板5固定以调整曲杆2和直杆4之间的角度。

所述的直杆4两端打孔，用于连接弹簧11并穿过铁丝16。

所述的实时计算机控制系统6用来控制试验水池的造波装置，根据半潜式海洋平台模型1的缩尺比和实际半潜式海洋平台的工作环境产生所需要的波浪。

所述非接触式光学测量系统7利用位置测量仪测量固定在半潜式海洋平台模型1上的三个发光元件的运动，并使用计算机程序解析出船模在波浪中的六个自由度的运动(即：纵荡，横荡，垂荡，横摇，纵摇，及艏摇)，所得到的运动信息发送到数据自动采集卡及计算机实时分析模块14。

所述力传感器8，用于测量弹簧11的拉力或压力，所得到的应力信号发送到应变放大器9中。

所述的应变放大器9，用于将力传感器8测量得到的应力信号放大。

所述的浪高仪13，用于测量试验时实际波浪高度，所得到的结果发送到数据自动采集卡及计算机实时分析模块14。

所述的连接装置10，用于将应变放大器9放大后的信号发送到数据自动采集卡及计算机实时分析模块14。

所述数据自动采集卡及计算机实时分析模块14，接收非接触式光学测量系统7测量到的运动信息、浪高仪13测量的波浪高度信息以及应变放大器9得到的应力信息，并对所得的信息进行实时分析和处理。

试验时，先根据实际半潜式海洋平台模型1和水池的尺度确定合适的模型缩尺比。利用实际半潜式海洋平台系统和半潜式海洋平台系统在实际工作中所受的海洋环境条件，通过相关的数值计算软件模拟计算半潜式海洋平台系统的运动，并获得截半潜式海洋平台系统受到的二阶波浪力大小，并根据平台缩尺比和受力信息，制作混合模型试验中所需的半潜式海洋平台模型1和弹簧11，并确定其试验中的模拟海洋环境条件。然后将刻度板5固结于直杆4，直杆4固定在曲杆2上，调节直杆4与曲杆2之间角度并将刻度板5与曲杆2固定，调整夹板3的位置将曲杆2固定在半潜式海洋平台模型1上；然后将弹簧11，分别接到直杆4和力传感器8固定，将铁丝16穿过弹簧11和直杆4端部的孔固定在支架12上并张紧，用以防止弹簧下垂；浪高仪13和支架12固定在水池底部；将实时计算机控制系统6置于拖车15上；最后在拖车15上适当位置对准半潜式海洋平台模型1安装非接触式光学测量系统7，把安装好的测量仪器的线接到拖车上的应变放大器9并连接连接装置10和数据自动采集卡及计算机实时分析模块14，调试所有仪器。

在试验水池中制造半潜式海洋平台混合模型试验所需的海洋环境条件，并将刻度板调整到所要测量的角度并固定，待系统稳定后，打开数据自动采集卡及计算机实时分析模块14进行数据采集和分析，进行半潜式海洋平台外载荷模型试验中二阶波浪力的测量。

Claims (4)

1、一种半潜式海洋平台外载荷模型试验中二阶波浪力测量装置，包括：半潜式海洋平台模型、实时计算机控制系统、测量分析系统、拖车，其特征在于还包括：二阶波浪力测量辅助系统，半潜式海洋平台模型置于试验水池中，二阶波浪力测量辅助系统固定在半潜式海洋平台模型上，和实时计算机运动控制系统相连，实时计算机控制系统置于拖车上，测量分析系统部分置在二阶波浪力测量辅助系统上，部分置于拖车上，其中：

所述二阶波浪力测量辅助系统包括曲杆、直杆、夹板、刻度板，刻度板固定在直杆上，直杆与曲杆固定，刻度板与曲杆固定，夹板位于曲杆的两端，调节曲杆两端夹板的高度和间隙将整个二阶波浪力测量辅助系统固定在半潜式海洋平台模型的甲板上，试验时二阶波浪力测量辅助系统通过调节刻度板每10度改变半潜式海洋平台模型的角度进而获得各波浪方向下的二阶波浪力。

2、根据权利要求1所述的半潜式海洋平台外载荷模型试验中二阶波浪力测量装置，其特征是，所述的刻度板为一环形板的二分之一，标有刻度，每隔10度位置上打有小孔，固定在直杆上。

3、根据权利要求1所述的半潜式海洋平台外载荷模型试验中二阶波浪力测量装置，其特征是，所述的曲杆与直杆两者能相对转动，曲杆在相应位置处开孔，并通过螺栓与刻度板固定以调整曲杆和直杆之间的角度。

4、根据权利要求1所述的半潜式海洋平台外载荷模型试验中二阶波浪力测量装置，其特征是，所述的测量分析系统包括非接触式光学测量系统、力传感器、应变放大器、连接装置、弹簧、铁丝、支架、浪高仪、数据自动采集卡及计算机实时分析模块，其中：非接触式光学测量系统、连接装置、数据自动采集卡和计算机实时分析模块置于拖车上，非接触式光学测量系统连接数据自动采集卡及计算机实时分析模块，力传感器连接到应变放大器，应变放大器通过连接装置与数据自动采集卡及计算机实时分析模块相连，力传感器固定在支架上，弹簧连接到力传感器上并固定于二阶波浪力测量辅助系统中直杆两端，铁丝穿过弹簧和直杆端部的孔连接在支架上并张紧，浪高仪和支架固定在水池中。

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