CN105004506A - 自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，包括：实验平台，包括盛有水的水池、造波机、拖车、测力杆和桩腿模型，造波机设在水池一侧造波以模拟海浪；桩腿模型底部设在水池中，顶部通过测力杆与拖车连接，并在拖车的作用下移动以模拟海流；监测平台，包括用于采集和处理波浪数据信号的波高测试仪、用于采集和处理海流数据信号的速度加速度传感器、扭矩传感器和用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器；控制平台，包括用于控制造波机和拖车输出功率的电机控制单元和用于对来自于监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境载荷测试技术，尤其是一种自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统。
背景技术
自升式海洋平台在复杂多变的海洋自然环境中，将受到风、海浪、海流及海冰等载荷作用，其中波浪和海流载荷(以下简称波流载荷)同时直接作用于平台上，对平台的稳定性和强度产生影响，是海上结构物稳定性和使用寿命的决定性因素，它对工程的造价，安全度及寿命起着非常重要的作用，所以在海洋平台的设计与计算中应重点考虑波流载荷对结构的影响。为了确保平台在恶劣海洋环境条件下的安全及作业性能，必须进行不同海洋环境条件对平台影响的分析研究。
自升式海洋平台桩腿波流系数实验目的是得出自升式平台作业环境下的拖曳力系数CD和惯性力系数CM，以得到环境载荷对海洋平台的影响，为维护设计平台提供依据。对于海洋结构物波流载荷的研究方法，一般可分为理论计算和模型实验两种。目前在工程中以及有限元计算软件中广泛应用的方法一般是仅考虑主要弦杆的波流载荷，引用水动力系数的经验值，这种方法虽然简便易行，但计算结果不精确。因此通过实验系统来确定桩腿整体的拖曳力系数CD和惯性力系数CM的方法具有很重要的研究价值。
发明内容
本发明提供一种自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，用于克服现有技术中的缺陷，测量准确，为以后预测大型机械或材料本身的安全性能提供理论及数据支持。
本发明提供一种自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，包括：
实验平台，包括盛有水的水池、造波机、拖车、测力杆和桩腿模型，所述造波机设置在水池一侧造波以模拟海浪；所述桩腿模型底部设置在水池中，顶部通过测力杆与所述拖车连接，并在所述拖车的作用下移动以模拟海流；
监测平台，包括用于采集和处理波浪数据信号的波高测试仪、用于采集和处理海流数据信号的速度加速度传感器、扭矩传感器和用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器；
控制平台，包括用于控制造波机的输出功率和拖车的输出功率的电机控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。
其中，所述拖车还包括使得所述桩腿模型旋转的转向机构。
优选地，所述测力杆上沿轴向设置有两个所述应力应变传感器；所述波高测试仪和速度加速度传感器均设置在所述桩腿模型顶部；所述扭矩传感器设置在所述测力杆上，且位于两所述应力应变传感器之间。
优选地，所述测力杆两端分别通过法兰固定连接所述拖车与所述桩腿模型。
本发明提供的自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，通过造波机在水池中造波一模拟海浪，通过拖车带动桩腿模型在水池中以一定速度移动以模拟海流，并通过监测平台采集上述模拟波流载荷作用下的桩腿模型响应的数据信号，最后通过控制系统对造波机电机和拖车电机输出功率的控制对实验平台进行控制运行，并对桩腿模型响应的数据信号进行处理分析，最终显示下数据采集界面上，通过实验可以得出不同环境载荷下的拖曳力系数CD和惯性力系数CM，为以后预测大型机械或材料本身的安全性能提供理论及数据支持；相对于有限元计算软件的计算方法，准确性较高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实验系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的实验系统中监测平台的各元件的布置结构图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，包括：
实验平台，包括盛有水的水池1、造波机2、拖车3、测力杆4和桩腿模型5，造波机2设置在水池1一侧造波以模拟海浪；桩腿模型5底部设置在水池1中，顶部通过测力杆4与拖车3连接，并在拖车3的作用下移动以模拟海流；其中，拖车3还包括使得桩腿模型旋转的转向机构(图中未示)。为方便拆装，测力杆4两端分别通过法兰固定连接拖车3与桩腿模型5。测力杆4顶部通过第一法兰41与固定架42连接，固定架42与拖车3连接。
拖车3带动桩腿模型5以一定速度移动，模拟海流，造波机2在水池1岸边造波，模拟海浪，拖车3上的转向机构可以旋转以调整桩腿模型5角度，以达到模拟真实环境载荷的效果。
监测平台，包括用于采集和处理波浪数据信号的波高测试仪6、用于采集和处理海流数据信号的速度加速度传感器7、扭矩传感器8和用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器9；
控制平台，包括用于控制造波机2的输出功率和拖车3的输出功率的电机控制单元10和用于对来自于监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元11。
电机控制单元10可以控制造波机和拖车的电机输出功率从而在不同功率下产生不同波高的海浪及不同速度的海流，从而模拟不同作业环境下的波流载荷；数据采集及处理单元11通过系统内部的软件将实验平台上各部位的传感器信号实时的采集进计算机，然后通过内部程序将采集到的各种类型的传感器信号做相应的处理分析，最后显示在数据采集界面上。数据采集类型主要包括速度信号、应力应变信号(如波形、幅频图等)。通过实验可以得出不同环境载荷下的拖曳力系数CD和惯性力系数CM，为以后预测大型机械或材料本身的安全性能提供理论及数据支持。
作为优选方案，传感器位置布置如图2所示，测力杆4上沿轴向设置有两个应力应变传感器9；波高测试仪6和速度加速度传感器7均设置在桩腿模型5顶部；扭矩传感器8设置在测力杆4上，且位于两应力应变传感器9之间。
两个应力应变传感器9之间的垂向间距为ΔL，通过应力应变传感器9可以测得两测点位置的弯矩M1,M2。波高测试仪6和用于测得实际实验时的波高，速度加速度传感器7用于测得实际实验时桩腿模型5的速度值、加速度值。
上位机软件系统根据公式得出流体力F，并绘制出相应的F-V图像，推算出相应工况下的拖曳力系数和惯性力系数，再根据相似理论得出实验工况所对应的自然载荷环境下的拖曳力系数和惯性力系数，为维护设计平台提供理论及数据支持。
本发明提供的自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，通过造波机在水池中造波一模拟海浪，通过拖车带动桩腿模型在水池中以一定速度移动以模拟海流，并通过监测平台采集上述模拟波流载荷作用下的桩腿模型响应的数据信号，最后通过控制系统对造波机电机和拖车电机输出功率的控制对实验平台进行控制运行，并对桩腿模型响应的数据信号进行处理分析，最终显示下数据采集界面上，通过实验可以得出不同环境载荷下的拖曳力系数CD和惯性力系数CM，为以后预测大型机械或材料本身的安全性能提供理论及数据支持；相对于有限元计算软件的计算方法，准确性较高。
Claims (4)
1.一种自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，其特征在于，包括：
实验平台，包括盛有水的水池、造波机、拖车、测力杆和桩腿模型，所述造波机设置在水池一侧造波以模拟海浪；所述桩腿模型底部设置在水池中，顶部通过测力杆与所述拖车连接，并在所述拖车的作用下移动以模拟海流；
监测平台，包括用于采集和处理波浪数据信号的波高测试仪、用于采集和处理海流数据信号的速度加速度传感器、扭矩传感器和用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器；
控制平台，包括用于控制造波机的输出功率和拖车的输出功率的电机控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。
2.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，其特征在于，所述拖车还包括使得所述桩腿模型旋转的转向机构。
3.根据权利要求2所述的自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，其特征在于，所述测力杆上沿轴向设置有两个所述应力应变传感器；所述波高测试仪和速度加速度传感器均设置在所述桩腿模型顶部；所述扭矩传感器设置在所述测力杆上，且位于两所述应力应变传感器之间。
4.根据权利要求3所述的自升式海洋平台桩腿波流载荷系数测试实验系统，其特征在于，所述测力杆两端分别通过法兰固定连接所述拖车与所述桩腿模型。
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