CN101532836A - 一种海洋工程模型的环境载荷测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋工程模型的环境载荷测量装置及其使用方法，其特征在于：它的测量系统由六分力仪、弹簧、拉力传感器、非接触式光学测量仪、计算机和数据自动采集卡组成；底座置于水池中，在底座两侧设置可伸缩的固定支架，固定支架下端固定在底座上；海洋平台模型浮于固定支架之间的水面上；海洋平台模型上设置有发光元件；导轨固定连接在两固定支架的顶端；方杆上端连接导轨，下端连接步进电机；步进电机的输出轴上连接六分力仪的一端，六分力仪的另一端连接海洋平台模型；两拉力传感器分别对称地固定在导轨两端，两弹簧的一端分别连接在方杆两侧，另一端分别连接两拉力传感器；计算机分别连接步进电机和数据自动采集卡。

Description

一种海洋工程模型的环境载荷测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置及使用方法，特别是关于一种海洋工程模型的环境载荷测量装置及其使用方法。

背景技术

深海平台系统技术复杂、投资大、风险高，其受力情况是设计海洋平台结构及其系泊、立管等相关系统的重要依据，因此正确地获得其在严酷海洋环境下的受力情况十分重要。在对深海平台系统的载荷进行设计时，目前最为可靠的是通过物理模型试验对深海平台系统的实际工况进行模拟，得出载荷的测量结果，并以此作为设计、建造海洋平台的最终依据。现有技术中，海洋平台的物理模型试验都是在能够模拟海洋环境的海洋工程水池中进行的，风力、流力和一阶波浪载荷通常都是采用单分力仪进行测量，而二阶波浪漂移力则通过单分力仪附加弹簧进行测量。进行载荷测量时，先在水池底部做标记，布置模型和支架等相关设备到对应位置，再进行测量。测量的工况改变后，需要重新布置模型和支架等相关设备到对应位置再进行测量。

经对现有技术的文献检索发现，杨建民等在《海洋工程》2003年第四期第23页发表了“一种新型深海海洋平台——几何形Spar和集成浮力筒的试验研究”。该文中对Spar平台模型模拟海洋环境中的受力进行了测量，具体方式为当试验模型正确布置在水池中的规定位置后，所有测量仪器安装于正确的位置并对所有需要测量的数据采零，然后造波机和其它设备等制造所要求的海洋环境，并用拉力传感器和压力传感器测量所需要的各种数据。另王磊等在《海洋工程》2006年第三期第1页上发表了“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漂移力的方法，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，就可得到半潜式平台模型受到的二阶波浪力。然而，上述方法存在的问题是：

一、试验模型必须预先正确布置在水池中的规定位置后才能进行测量，而测量其它工况下平台模型的受力时需要重新布置、标定。

二、斜浪情况下测量二阶波浪力时，由于波浪力的作用使得弹簧与半潜式平台模型无法保持在一条直线上，使得传感器测得结果的误差很大从而无法应用到分析计算中。

三、每次改变测量角度都需要将连有传感器的支架和弹簧进行移动和拆装，由于是乘船在水池中进行操作，通常无法达到精度，且工作量很大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在不需要重新布置装置的条件下，能够一次完成周向任一方向的风力、流力、一阶波浪载荷和二阶波浪漂移力测量的海洋工程模型的环境载荷测量装置及其使用方法。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海洋工程模型的环境载荷测量装置，其特征在于：它包括海洋平台模型、支撑架和测量系统；其中，所述支撑架由底座、固定支架、导轨、方杆和步进电机组成；所述测量系统由六分力仪、弹簧、拉力传感器、非接触式光学测量仪、计算机和数据自动采集卡组成；所述底座置于水池中，在底座两侧设置可伸缩的固定支架，固定支架下端固定在底座上；所述海洋平台模型浮于所述固定支架之间的水面上；所述海洋平台模型上设置有发光元件；导轨固定连接在两固定支架的顶端；所述方杆上端连接所述导轨，下端连接所述步进电机；所述步进电机的输出轴上连接所述六分力仪的一端，所述六分力仪的另一端连接所述海洋平台模型；两拉力传感器分别固定在所述导轨的两端；两弹簧的一端分别连接在方杆两侧，另一端分别连接两拉力传感器；所述六分力仪、拉力传感器和非接触式光学测量仪分别通过与所述数据自动采集卡连接；所述计算机分别连接步进电机和数据自动采集卡。

所述方杆上端可在导轨上滑动，也可通过与导轨进行固定。

所述非接触式光学测量仪、计算机和数据自动采集卡设置在一拖车上。

所述非接触式光学测量仪的位置与所述发光元件对应。

一种海洋工程模型的环境载荷测量装置的使用方法，其步骤包括：1)制作海洋平台模型，确定在环境载荷测量试验中的模拟海洋环境条件；2)当测量风、流、一阶波浪载荷时，调节固定支架的高度后，将所述海洋平台模型移动到相应位置，将方杆的上端与导轨进行固定，对测量系统的仪器进行调试；当测量二阶波浪漂移力时，调节固定支架的高度后，将所述海洋平台模型移动到相应位置，令所述方杆的上端沿所述导轨滑动，对测量系统的仪器进行调试；3)制造试验所需的各种海洋环境条件，待系统稳定后，打开数据自动采集卡和计算机进行所述海洋平台模型的运动信息的采集和分析；4)当需要改变测量角度时，调节所述海洋平台模型到适应位置，重复步骤2)和步骤3)。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用六分力仪加弹簧的弹性结构、可调节的固定支架、固定方式可根据测量目标变化的方杆和角度可根据需要调整的海洋平台模型，因此可在不需要重新布置装置的条件下，一次性完成周向任一方向的风力、流力、一阶波浪载荷和二阶波浪漂移力测量，不必在测量不同的环境荷载时对测量装置进行拆装，从而大幅度提高了工作效率，操作灵活方便，节省了试验消耗。2、本发明的六分力仪通过附加弹簧结构，可一次性集成风力、流力、一阶波浪载荷和二阶波浪漂移力等几项的测量功能，在不移动装置的条件下测量模型任一方向的载荷。3、本发明采用由计算机控制的步进电机连接平台模型的方式，使得海洋平台模型的角度可以调节，因此使得测量装置可以对平台模型在周向上的任意方向的载荷进行测量。本发明可广泛用于海洋工程模型试验平台模型试验中，对风、浪和流等不同的环境载荷进行测量。

附图说明

图1是本发明的装置整体结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的环境载荷测量装置包括海洋平台模型1、支撑架和测量系统，通过一水池对海洋环境进行模拟。其中，支撑架由底座2、固定支架3、导轨4、方杆5和步进电机6组成。测量系统由六分力仪7、弹簧8、拉力传感器9、非接触式光学测量仪10、计算机11和数据自动采集卡12组成。底座2置于水池中，在底座2的两侧设置可伸缩的固定支架3，固定支架3下端固定在底座2上，上端伸出水面13。海洋平台模型1位于底座2两侧的固定支架3之间，漂浮于底座2上方的水面13。海洋平台模型1上设置有三个发光元件，对应于非接触式光学测量仪10，测量海洋平台模型1的角度和运动状态。导轨4固定连接在两固定支架3的顶端，方杆5上端可在导轨4上滑动，也可通过固定装置与导轨4进行固定。方杆5下端连接步进电机6，步进电机6的输出轴上连接六分力仪7的一端，六分力仪7的另一端连接海洋平台模型1。两拉力传感器9分别对称地固定在导轨4两端，两弹簧8的一端分别连接在方杆5两侧，另一端分别连接两拉力传感器9。拖车14可置于本发明装置所在的水池之外，也可浮于水面13，拖车14上设置有非接触式光学测量仪10、计算机11和数据自动采集卡12。六分力仪7、拉力传感器9和非接触式光学测量仪10分别通过数据信号线与数据自动采集卡12连接。计算机11通过信号线分别连接步进电机6和数据自动采集卡12。

本发明的六分力仪7测量海洋平台模型1在海洋环境中受到的六个自由度的载荷，即纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和及艏摇。弹簧8在测量二阶波浪漂移力时，释放海洋平台模型1的一阶波浪运动。拉力传感器9测量海洋平台模型1受到的二阶波浪漂移力。非接触式光学测量仪10测量固定在海洋平台模型1上的三个发光元件的运动，将所得到的运动信息发送到数据自动采集卡12，并使用计算机11程序解析出海洋平台模型1在波浪中的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和垂摇六个自由度的运动状态。计算机11分析处理数据自动采集卡12采集到的海洋平台模型1的运动信息，并根据数据自动采集卡12上获得的位置信息控制步进电机6的运行状态，对海洋平台模型1的角度进行修正。

本发明的环境载荷测量装置的使用方法包括以下步骤：

1)根据实际海洋平台系统在工作中所受的海洋环境条件，按照真正的海洋平台大小和试验中水池的尺度进行同比缩放，制作所需的海洋平台模型1。之后通过相关的数值计算软件模拟计算海洋平台系统受到的风、流、一阶波浪载荷，确定在环境载荷测量试验中的模拟海洋环境条件。

2)当需要测量风、流、一阶波浪载荷时，调节固定支架3的高度后，将海洋平台模型1移动到相应位置，将方杆5的上端通过固定装置与导轨4进行固定，对测量系统的仪器进行调试。

当需要测量二阶波浪漂移力时，调节固定支架3的高度后，将海洋平台模型1移动到相应位置，打开方杆5的上端与导轨4之间的固定装置，令方杆5的上端沿导轨4滑动，对测量系统的仪器进行调试。

3)根据数值计算软件模拟计算结果，在水池中制造海洋平台环境载荷测量试验所需的各种海洋环境条件，待系统稳定后，打开数据自动采集卡12和计算机11进行海洋平台模型1的运动信息的采集和分析，进行主动式海洋平台混合模型试验。

4)待需要改变测量角度时，通过计算机11控制步进电机6转动海洋平台模型1到适应位置，然后再重复步骤2)和步骤3)。

本发明仅以实施为说明，任何实施对本发明进行的等效变换都不排除在本发明的权利保护范围之外。

本发明可广泛用于海洋工程模型试验平台模型试验中，对风、浪和流等不同的环境载荷进行测量，不必在测量不同的环境荷载时对测量装置进行拆装，从而大幅度提高了工作效率，操作灵活方便，节省了试验消耗。

Claims (6)

1、一种海洋工程模型的环境载荷测量装置，其特征在于：它包括海洋平台模型、支撑架和测量系统；其中，所述支撑架由底座、固定支架、导轨、方杆和步进电机组成；所述测量系统由六分力仪、弹簧、拉力传感器、非接触式光学测量仪、计算机和数据自动采集卡组成；所述底座置于水池中，在底座两侧设置可伸缩的固定支架，固定支架下端固定在底座上；所述海洋平台模型浮于所述固定支架之间的水面上；所述海洋平台模型上设置有发光元件；导轨固定连接在两固定支架的顶端；所述方杆上端连接所述导轨，下端连接所述步进电机；所述步进电机的输出轴上连接所述六分力仪的一端，所述六分力仪的另一端连接所述海洋平台模型；两拉力传感器分别固定在所述导轨的两端；两弹簧的一端分别连接在方杆两侧，另一端分别连接两拉力传感器；所述六分力仪、拉力传感器和非接触式光学测量仪分别通过与所述数据自动采集卡连接；所述计算机分别连接步进电机和数据自动采集卡。

2、如权利要求1所述的一种海洋工程模型的环境载荷测量装置，其特征在于：所述方杆上端可在导轨上滑动，也可通过与导轨进行固定。

3、如权利要求1所述的一种海洋工程模型的环境载荷测量装置，其特征在于：所述非接触式光学测量仪、计算机和数据自动采集卡设置在一拖车上。

4、如权利要求2所述的一种海洋工程模型的环境载荷测量装置，其特征在于：所述非接触式光学测量仪、计算机和数据自动采集卡设置在一拖车上。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种海洋工程模型的环境载荷测量装置，其特征在于：所述非接触式光学测量仪的位置与所述发光元件对应。

6、一种如权利要求1～5所述的海洋工程模型的环境载荷测量装置的使用方法，其步骤包括：

1)制作海洋平台模型，确定在环境载荷测量试验中的模拟海洋环境条件；

2)当测量风、流、一阶波浪载荷时，调节固定支架的高度后，将所述海洋平台模型移动到相应位置，将方杆的上端与导轨进行固定，对测量系统的仪器进行调试；

当测量二阶波浪漂移力时，调节固定支架的高度后，将所述海洋平台模型移动到相应位置，令所述方杆的上端沿所述导轨滑动，对测量系统的仪器进行调试；

3)制造试验所需的各种海洋环境条件，待系统稳定后，打开数据自动采集卡和计算机进行所述海洋平台模型的运动信息的采集和分析；

4)当需要改变测量角度时，调节所述海洋平台模型到适应位置，重复步骤2)和步骤3)。

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