CN102213646B - 铺管船托管架动力子结构实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种托管架动力子结构实验装置及实验方法，设有振动台、托管架、管道及测试控制监测系统，该振动台与测试控制监测系统相连，该托管架及管道的一端安装在振动台上，托管架及管道的另一端与测力装置相连，测力装置与测试控制监测系统相连。本发明可以模拟S型管道铺设中铺管船、托管架和管道的相互作用过程，通过实验能够充分反映托辊荷载的大小及其分布规律、托管架关键部件受力大小、分布以及托管架变形和管道的受力、变形情况；同时，通过模拟不同的铺管船在不同的海洋环境下进行不同工况铺设作业时的铺管过程，为管道与托管架自身安全提供了依据，降低了管道铺设成本。

Description

铺管船托管架动力子结构实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及动力子结构实验装置，尤其涉及一种用于模拟S型管道铺设中铺管船、托管架和管道的相互作用过程的铺管船托管架动力子结构实验装置及实验方法。属于海洋石油工程领域。 

背景技术

托管架是海底管道S型铺设方式的重要装备，在管道铺设过程中起到提供足够大曲率、支撑管道、使管道光滑过渡入水的作用，是保证管道安全铺设的直接因素。从国内外发展状况来讲，深水铺管船托管架的设计理论、设计方法还远谈不上完善，托管架结构的设计与分析都存在许多不确定的因素。这种不确定性主要表现在： 

1)托管架的主要设计荷载(托辊荷载)不明确； 

在管道铺设过程中船体的运动会导致管道与部分托管架的脱离，造成托辊荷载的重新分布。现有的理论分析、数值计算方法无法准确确定动力情况下托辊的荷载及其分布规律。 

2)托管架杆件受力分布情况无法准确确定； 

由于托管架的设计荷载无法准确确定，在进行托管架的受力分析时，无法准确确定托管架的受力分布。 

3)管线的受力情况无法准确确定； 

由于托辊荷载、托管架的受力不明确，托管架在各种荷载作用下的变形情况无法判断，由托管架的变形导致的管道变形及受力分布也无法判断。 

为保证管线的安全，实际铺管作业中往往配有昂贵、复杂的监测系统，大大增加了管道铺设的成本。 

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提供一种铺管船托管架动力子结构实验装置及实验方法，其可以模拟S型管道铺设中铺管船、托管架和管道的相互作用过程，通过实验能够充分反映托辊荷载的大小及其分布规律、托管架关键部件受力大小、分布以及托管架变形和管道的受力、变形情况；同时，通过模拟不同的铺管船在不同的海洋环境下进行不同工况铺设作业时的铺管过程，为管道与托管架自身安全提供了依据，降低了管道铺设成本。 

本发明的目的是由以下技术方案实现的： 

一种铺管船托管架动力子结构实验装置，其特征在于：设有振动台、托管架、管道及测试控制监测系统，该振动台与测试控制监测系统相连，该托管架及管道的一端安装在振动台上，托管架及管道的另一端与测力装置相连，测力装置与测试控制监测系统相连。 

所述振动台包括：台面、支撑架、线性滑筒、液压伺服作动器及底部支座，支撑架通过连接法兰固定在底部支座上，线性滑筒及液压伺服作动器安装在支撑架上，台面通过线性滑筒及液压伺服作动器与支撑架相连。 

所述测试控制监测系统包括：工控机、数模转换器、信号处理装置、液压伺服作动器及数据采集系统，工控机依次与数模转换器、信号处理装置、液压伺服作动器及振动台相连，振动台与托管架、管道、测力装置及数据采集系统相连。 

所述数据采集系统包括：传感器、动态信号采集仪及显示器，传感器的输出端依次与动态信号采集仪及显示器相连，传感器的输入端与测力装置相连。 

所述测力装置包括：测力计、弹簧、质量滑块及固定滑坡，测力计一端与管道相连，测力计的另一端依次与弹簧及质量滑块相连，质量滑块置于带有角度的固定滑坡上。 

一种铺管船托管架动力子结构实验方法，其特征在于：采用以下步骤： 

第一步，启动工控机，在工控机模拟平台上运行模拟铺管船在海洋环境下运动的仿真模型； 

第二步，通过工控机模拟铺管船在海洋环境下的运动状态； 

第三步，工控机模拟平台产生的数字信号，通过数模转换器和信号处理装置转换并放大，驱动电液伺服作动器运动，电液伺服作动器带动振动台、托管架及管道振动，模拟动态铺管过程； 

第四步，通过传感器同步测量振动台及托管架的位移、倾角、速度、加速度，托辊的荷载及托管架杆件的受力数据； 

第五步，通过动态信号采集仪采集实验过程中传感器产生的各种信号数据，并传回工控机进行分析，对所模拟的铺管过程的实时监测。 

本发明的有益效果：本发明可以在仿真环境下对不同铺设工况的铺管船、托管架和管道之间的相互作用过程进行模拟，对托辊荷载及托管架杆件的受力分布进行测量。所有的测试环境均从模拟真实的环境中得到，并且，从控制角度上看振动台的运动与真实的铺管船运动一致。由于仿真模型可以按照要求进行参数修改，从而，可以模拟不同的铺管船在不同的海洋环境下进行不同工况铺设作业时的铺管过程，为各种力学参数的测量提供不同的仿真环境，为托管架安全铺管提供了依据；同时，能够进行大尺度托管架模型实验，提高了实验的精度，降低了管道铺设成本。 

附图说明：

图1为本发明实验测试控制监测系统连接框图。 

图2为本发明结构示意图。 

图3为本发明试验振动台主视示意图。 

图4为本发明试验振动台侧视示意图。 

图5为本发明托管架模型示意图。 

图中主要标号说明： 

1台面，2支撑架，3线性滑筒，4液压伺服作动器，5底部支座，6连接 法兰、7托管架、8管道、9测力计、10弹簧、11质量块、12固定滑坡、13工控机、14数模转换器、15信号处理装置、16液压伺服作动器、17振动台、18传感器、19动态信号采集仪、20显示器。 

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明设有振动台17、托管架7、管道8及测试控制监测系统，该振动台17与测试控制监测系统相连，该托管架7及管道8的-端安装在振动台17上，托管架7及管道8的另一端与测力装置相连，测力装置与测试控制监测系统相连。 

如图3-图4所示，振动台主要由台面1、支撑架2、线性滑筒3、液压伺服作动器4及底部支座5构成，支撑架2通过连接法兰6采用螺栓连接方式固定在底部支座5上，线性滑筒3及液压伺服作动器4安装在支撑架上，台面1通过线性滑筒3及液压伺服作动器4与支撑架2相连。台面1上设有托管架7的悬吊点，托管架7可通过悬吊点固定在振动台上。支撑架2及底部支座5为钢结构框架。 

如图1所示，测试控制监测系统包括：工业控制计算机(简称：工控机13)、数模转换器14、信号处理装置15、液压伺服作动器16及数据采集系统，工控机13依次与数模转换器14、信号处理装置15、液压伺服作动器16、振动台17相连，振动台17与托管架7、管道8、测力装置及数据采集系统相连。 

数据采集系统包括：传感器18、动态信号采集仪19及显示器20，传感器18的输出端依次与动态信号采集仪19及显示器20相连，传感器18的输入端与测力装置相连。 

测力装置包括：测力计9、弹簧10、质量块11及固定滑坡12，测力计9一端与管道8相连，测力计9的另一端依次与弹簧10及质量滑块11相连，质量块11置于带有角度的固定滑坡12上。 

在工控机13上建立由铺管船仿真模型、海洋环境仿真模型组成的工控机13模拟平台，模拟真实铺管过程中的铺管船、托管架7和管道8之间的相互作用。 

工控机13模拟平台产生的数字信号，通过数模转换器14和信号处理装置转换并放大，驱动电液伺服作动器16运动，电液伺服作动器16带动振动台17振动，使振动台17模拟铺管船在真实环境荷载作用下船体的振动响应。待托管架7及管道8安装在振动台17上后，即可模拟管道铺设过程中铺管船、托管架7和管道8之间的相互作用过程。用传感器18同步测量振动台17及托管架7的位移、倾角、速度、加速度，托辊的荷载及托管架7杆件的受力，并传回计算机进行分析，即可实时测量托辊荷载、托管架的倾角、船体运动的加速度、速度等值，实现对所模拟的铺管过程的实时监测。 

工控机13模拟平台是以一台带有DS1104PPC控制器板的PVI/2GHz的研华工业控制机作为硬件平台，DS1104集成了PowerPC处理器部分和数据采集卡部分，PowerPC处理器部分可用来进行浮点运算(250MHz)，数据采集卡部分拥有八路数模(A/D)和八路模数(D/A)及其它一些I/O接口。软件开发平台采用Matlab/Simulink。 

工控机13模拟平台中的铺管船仿真模型是根据铺管船的设计图纸得到的铺管船的长度、宽度、质量、质心等信息，利用数学建模方法建立的真实反映铺管船运动特性的数学模型；海洋环境仿真模型是模拟海洋环境载荷的数学模型，具体表现为铺管船的运动方式，可表示为时间的函数形式。 

数据采集系统由压力传感器、位移计、倾角仪、加速度传感器、光纤应变计等传感器及动态信号测试分析仪组成，动态分析仪包括所需的信号调理器(应变、振动等调理器)、直流电压放大器、抗混滤波器、A/D转换器、缓冲存储器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件，并提供操作方便的控制软件及分析软件，能实现对压力、位移、倾角、加速度、应变等的测量。显示部分可由显示器、键盘、鼠标等组成，可以将测得的数据信息在显示器上实时显示。 

托管架7可以根据真实托管架的设计图纸对托管架进行缩比建造，建造相应比尺的托管架7。缩比时需要保证托管架7的主要尺寸相似，对于托管架7上的托辊、A形支架等附件可以进行适当简化。 

管道8可以根据真实铺管作业中的管道的属性如管道的材料的强度、材料的弹性模量、截面尺寸、管道的长度等进行缩比建造。管道的建造中应当保证管道的弯曲刚度相似以及管道在截断点下端的管道质量相似，截断点下端的管道质量可以通过质量块11模拟。 

托管架实验的操作步骤如下： 

(1)启动工业控制计算机，运行dSPACE控制系统软件，在工控机模拟平台上运行模拟铺管船和海洋环境的Matlab/Simulink仿真模型； 

(2)通过工控机模拟铺管船及海洋环境； 

(3)工控机模拟平台产生的数字信号，通过数模转换器和信号处理装置转换并放大，控制液压伺服作动器的运动，电液伺服作动器带动带动振动台、托管架及管道振动，模拟铺管过程； 

(4)通过传感器同步测量振动台及托管架的位移、倾角、速度及加速度，托辊的荷载及托管架杆件的受力数据； 

(5)通过动态信号采集仪采集实验过程中传感器产生的各种信号数据。 

本发明的优点： 

1)仿真环境设计方便、灵活性强、适用范围广、成本低，且实验系统建成后可以重复多次使用； 

2)提高了托管架模型实验的效率； 

3)为托管架的设计及运营提供重要参数，降低了铺管船的使用风险及成本； 

4)本动力子结构实验装置具有通用性，解决了模拟海洋浮式结构运动困难的问题，应用前景广泛。 

线性滑筒3、液压伺服作动器4，连接法兰6、托管架7、管道8、测力计9、弹簧10、质量块11、固定滑坡12、工控机13、数模转换器14、信号处理装置15、液压伺服作动器16、传感器18、动态信号采集仪19、显示器20为市售产品或采用已知技术制造。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (6)

1.一种铺管船托管架动力子结构实验装置，其特征在于：设有振动台、托管架、管道及测试控制监测系统，该振动台与测试控制监测系统相连，该托管架及管道的一端安装在振动台上，托管架及管道的另一端与测力装置相连，测力装置与测试控制监测系统相连。

2.根据权利要求1所述的铺管船托管架动力子结构实验装置，其特征在于：所述振动台包括：台面、支撑架、线性滑筒、液压伺服作动器及底部支座，支撑架通过连接法兰固定在底部支座上，线性滑筒及液压伺服作动器安装在支撑架上，台面通过线性滑筒及液压伺服作动器与支撑架相连。

3.根据权利要求1所述的铺管船托管架动力子结构实验装置，其特征在于：所述测试控制监测系统包括：工控机、数模转换器、信号处理装置、液压伺服作动器及数据采集系统，工控机依次与数模转换器、信号处理装置、液压伺服作动器及振动台相连，振动台与托管架、管道、测力装置及数据采集系统相连。

4.根据权利要求3所述的铺管船托管架动力子结构实验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括：传感器、动态信号采集仪及显示器，传感器的输出端依次与动态信号采集仪及显示器相连，传感器的输入端与测力装置相连。

5.根据权利要求1或3所述的铺管船托管架动力子结构实验装置，其特征在于：所述测力装置包括：测力计、弹簧、质量滑块及固定滑坡，测力计一端与管道相连，测力计的另一端依次与弹簧及质量滑块相连，质量滑块置于带有角度的固定滑坡上。

6.一种铺管船托管架动力子结构实验方法，其特征在于：采用以下步骤：

第一步，启动工控机，在工控机模拟平台上运行模拟铺管船在海洋环境下运动的仿真模型；

第二步，通过工控机模拟铺管船在海洋环境下的运动状态；

第三步，工控机模拟平台产生的数字信号，通过数模转换器和信号处理装置转换并放大，驱动电液伺服作动器运动，电液伺服作动器带动振动台、托管架及管道振动，模拟动态铺管过程；

第四步，通过传感器同步测量振动台及托管架的位移、倾角、速度、加速度，托辊的荷载及托管架杆件的受力数据；

第五步，通过动态信号采集仪采集实验过程中传感器产生的各种信号数据，并传回工控机进行分析，对所模拟的铺管过程的实时监测。

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