CN106500959A - 一种用于模拟海洋环境载荷的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟海洋环境载荷的装置。包括长度和宽度方向的反力架及加载单元、海洋导管架平台模型、计算机系统和伺服驱动器；其中，长度方向的加载单元沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载单元沿模型宽度方向施加水平载荷；两个方向的加载单元均包括由伺服电机和作动器构成的伺服电动缸、前端和后端连接板、前端和后端球铰组件以及位移和压力传感器；反力架与地面混凝土基础相连，上端通过焊接与加载装置的后端连接板相连，从而起到支持作用；所述计算机系统根据要求设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令并接其采集的数据。该装置可以对模型施加不同参数的规则波或随机波载荷，并具有抗冲击、寿命长以及操作维护简单的特点。

Description

一种用于模拟海洋环境载荷的装置

技术领域

本发明涉及一种针对导管架海洋平台模型的海洋环境载荷模拟装置。

背景技术

模型实验是海洋工程水动力学研究的重要手段。当前所实施的海洋平台，都要在设计前后对其做模型实验研究，在海洋工程水池中模拟真实的风、浪等海洋环境条件，以预测其在真实海洋环境中的动力学特性。随着海洋工程技术的发展，工程技术人员对海洋平台的模型实验提出了更高的要求。在某些风速比较大的海洋工况中，风载荷、波浪载荷对平台性能影响显著，因此平台所受风载荷和波浪载荷需要精确模拟。而这些载荷往往是变化的，而平台模型的响应也是不断变化的，怎样准确地模拟风载荷和波浪载荷成为一道难题。

中国专利文献号CN201010289529.1记载了一种“非定常载荷模拟装置”。它由基座、伺服电机、绞盘、导缆系统、缆绳、电器箱和控制系统组成，基座和电器箱固定在模型试验水池的岸边，伺服电机固定在基座上，绞盘固定在伺服电机上并与伺服电机的输出轴固定连接，导缆系统固定安装在基座上，缆绳穿过导缆系统且一端固定在绞盘上，另一端固定在模型上，控制系统检测缆绳上的拉力并输出控制指令至伺服电机。这种装置是利用电绞盘对模型施加拉力，以模拟模型受到的风、浪、流环境载荷，尽管可以实现非定常载荷的模拟，但与实际环境载荷的作用点不同，由于缆绳自身重力和特性的影响，其拉力并不等于施加在模型上的载荷，所以不能实现精确控制。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种用于模拟海洋环境载荷的装置，该种装置用安装在长度方向反力架和宽度方向反力架上的加载装置对模型进行加载，并由伺服驱动器的两个通道同步协调，通过程序实时控制电动缸输出载荷，使输出载荷与预定载荷一致，实现精确的非定常载荷模拟。

本发明的技术方案是：该种用于模拟海洋环境载荷的装置，包括导管架海洋平台模型、宽度方向载荷模拟单元、长度方向载荷模拟单元、计算机系统、和伺服驱动器，其独特之处在于：

所述的导管架海洋平台模型是由若干钢管焊接而成的桁架结构，包括工作平台、导管腿、拉筋和桩基；工作平台由甲板、梁和立柱组成，与导管腿通过焊接连接；拉筋包括横撑和斜撑，作为导管腿之间的连接构件；桩基是由钢板和钢结构焊接而成的箱体结构，上部与导管腿通过螺栓连接，下部通过地脚螺栓与混凝土基础连接；工作平台的底层和导管架主体第一层之间的部分为飞溅区，为直接承受载荷的区域；

所述宽度方向载荷模拟单元包括宽度方向的反力架和宽度方向的加载机构，所述宽度方向载荷模拟单元的作用为沿宽度方向施加水平载荷；

所述的宽度方向的反力架底部通过地脚螺栓与桩基混凝土固定连接，并通过焊接作用与桩基固定连接，上部通过焊接作用与宽度方向的后端连接板固定连接，从而起到支持的作用；

所述的宽度方向的加载机构包括后端连接板、后端球铰组件、压力传感器、作动器、伺服电机、位移传感器、前端球铰组件以及前端连接板；所述的后端连接板与宽度方向的反力架固定连接，上面开有4个螺纹孔，通过4个内六角螺栓与后端球铰组件固定连接；后端球铰组件通过1个双头螺杆和消隙环与压力传感器固定连接；宽度方向压力传感器通过8个内六角螺栓与作动器固定连接，其作用是检测作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号，并将信号传输给伺服驱动器；宽度方向位移传感器通过内六角螺栓与伺服电机固定连接，其作用是检测作动器丝杆的实际位移信号，并将信号传输给伺服驱动器；伺服电机与作动器是一体化设计的模块化产品，伺服电机的旋转运动通过同步带转化为作动器丝杆的往复直线运动，进而实现非定常水平载荷的输出；前端球铰组件通过作动器丝杆连接在一起，在前端连接板上开有4个螺栓孔，通过内六角螺栓与前端球铰组件固定连接在一起，同时，前端连接板通过5个卡扣和20个内六角螺栓与导管架海洋平台模型固定连接，连接位置为宽度方向的飞溅区，将前端球铰组件调整为水平位置后，能够实现作动器输出的非定常水平载荷合理传递到导管架海洋平台模型，并通过前端连接板将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；

所述长度方向载荷模拟单元包括长度方向的反力架和长度方向的加载机构；所述长度方向载荷模拟单元的结构组成与所述宽度方向载荷模拟单元相同，其作用是沿长度方向施加水平载荷；

所述计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数和PID调节参数，所述载荷参数为波形、幅值、频率和循环次数，然后将载荷参数和PID调节参数指令传输给所述伺服驱动器；所述计算机系统以曲线形式将所述伺服驱动器反馈的实际控制信号与给定信号出现在人机交互界面；

所述伺服驱动器通过电缆线为所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机提供电源，所述伺服驱动器接收计算机系统传递过来的参数指令，以控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩；所述伺服驱动器通过电缆线接收所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的位移传感器和压力传感器传输过来的实际载荷信号和位移信号，并与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次将控制信号传输给所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机，进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给所述计算机系统；

所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机、压力传感器和位移传感器通过电缆线分别与伺服驱动器的两个通道相连，两个通道又通过串口分别与所述计算机系统相连；所述计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数和PID调节参数，然后将参数指令传输给伺服驱动器；所述伺服驱动器一方面通过电缆线为两个方向的伺服电机提供电源，另一方面将计算机系统的参数指令通过A/D将数字信号转换成模拟信号，控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩，进而通过作动器实现非定常水平载荷的输出，最终通过前端球铰组件和前端连接板将非定常水平载荷在水平方向上施加在导管架海洋平台模型上，并将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动器，伺服驱动器通过D/A将模拟信号转换成数字信号，并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给计算机系统，以曲线形式将控制信号与给定信号出现在人机交互界面，根据两者的拟合度评价该装置模拟载荷的准确度，根据需要调整PID调节参数以得到最好的模拟载荷。

本发明具有如下有益效果：

本种装置在导管架海洋平台模型的长度和宽度方向上分别安装一套载荷加载装置，由伺服驱动器的两个通道同步协调，可实现水平方向任意角度的加载；PID调节保证了位移的精确控制。此外，本装置选用电动缸为导管架海洋平台模型提供载荷源，控制精度和定位精度较高，实时性强，运动平稳，能准确地模拟给定的波浪载荷；电动缸、球铰组件、连接板以及导管架海洋平台模型通过固定连接一起，结构紧凑，使电动缸输出的非定常载荷施加在导管架海洋平台模型上损耗极小，而且压力和位移传感器能非常精确的反馈施加在模型的推力。

附图说明：

图1为导管架海洋平台模型的长度方向结构示意图。

图2为导管架海洋平台模型的宽度方向结构示意图。

图3为宽度方向的载荷模拟装置示意图。

图4为图1中Ⅰ处的局部放大图。

图5为图1中Ⅱ处的局部放大图。

图6为图1中Ⅲ处的局部放大图。 图7为图1中Ⅳ处的局部放大图。

图8为长度方向的加载装置结构示意图。

图9为图8的俯视结构示意图。

图10为图1中平台模型与宽度方向连接板的连接的右视结构示意图。

图11为长度方向的载荷模拟装置示意图。

图12为图11中Ⅴ处的局部放大图。

图13为图11中平台模型与长度方向连接板的连接的右视结构示意图。

图14为本装置的电气控制原理图。

图中1-工作平台，2-导管腿，3-拉筋，4-桩基，5-宽度方向的反力架，6-宽度方向的加载机构，7-导管架海洋平台模型，8-长度方向的前端连接板，9-长度方向的反力架，10-后端连接板，11a-内六角螺栓，11b-内六角螺栓，11c-内六角螺栓，11d-内六角螺栓，11e-内六角螺栓，12-后端球铰组件，13-双头螺杆，14-消隙环，15-压力传感器，16-作动器，17-丝杆，18-前端球铰组件，19-前端连接板，20a-卡扣，20b-卡扣，21-伺服电机，22-位移传感器，23-长度方向的加载机构。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，所述的导管架海洋平台模型是由若干钢管焊接而成的桁架结构，包括：工作平台1、导管腿2、拉筋3和桩基4。工作平台1由甲板、梁和立柱组成，与导管架的导管腿通过焊接连接；导管腿2一共有8根，是承受并传递平台载荷的主要构件；拉筋3包括横撑和斜撑，它是导管腿8之间的连接构件；桩基4是由钢板和钢结构焊接而成的箱体结构，上部与导管腿8通过螺栓连接，下部通过地脚螺栓与混凝土基础连接；工作平台的底层和导管架主体第一层之间的部分称为飞溅区，是直接承受载荷的区域。

如图3至图6、图8至图10以及图12所示，所述的导管架海洋平台模型的宽度方向载荷模拟装置包括宽度方向的反力架5、宽度方向的加载机构6、导管架海洋平台模型7，其作用是沿宽度方向施加水平载荷。

所述的宽度方向的反力架5底部通过地脚螺栓与桩基混凝土固定连接，并通过焊接作用与桩基4固定连接，上部通过焊接作用与宽度方向的后端连接板固定连接，从而起到支持的作用。

所述的宽度方向的加载机构6包括后端连接板10、后端球铰组件12、压力传感器15、作动器16、伺服电机21、位移传感器22、前端球铰组件18、前端连接板19；所述的后端连接板10通过焊接作用与宽度方向的反力架5固定连接，上面开有4个螺纹孔，通过4个内六角螺栓11a与后端球铰组件12固定连接；后端球铰组件通过1个双头螺杆13和消隙环14与压力传感器15固定连接；压力传感器15通过8个内六角螺栓与作动器16固定连接，其作用是检测作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号，并将信号传输给伺服驱动器；位移传感器22通过内六角螺栓与伺服电机固定连接，其作用是检测作动器丝杆17的实际位移信号，并将信号传输给伺服驱动器；伺服电机21与作动器16是一体化设计的模块化产品，伺服电机21的旋转运动通过同步带转化为作动器丝杆17的往复直线运动，进而实现非定常水平载荷的输出；前端球铰组件18通过作动器丝杆17连接在一起，在前端连接板19上开有4个螺栓孔，通过内六角螺栓11b与前端球铰组件18固定连接在一起，同时，前端连接板19通过5个卡扣20a和20个内六角螺栓11c与导管架海洋平台模型7固定连接，连接位置为宽度方向的飞溅区，这样，将前端球铰组件18调整为水平位置后，能够实现作动器16输出的非定常水平载荷合理传递到导管架海洋平台模型7，并通过前端连接板19将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区。

如图7、图11和图13所示，所述的导管架海洋平台模型的长度方向载荷模拟装置包括长度方向的反力架9、长度方向的加载装置23、导管架海洋平台模型7，20b为卡扣，11d为内六角螺栓。其作用是沿长度方向施加水平载荷。其结构组成与宽度方向载荷模拟装置完全相同。

图14是本装置的电气控制原理图。如图所示，两个方向的伺服电机、压力传感器和位移器通过电缆线分别与伺服驱动器的两个通道相连，两个通道又通过串口分别与计算机系统相连。计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数（波形、幅值、频率和循环次数等）和PID调节参数，然后将参数指令传输给伺服驱动器，伺服驱动器一方面通过电缆线为两个方向的伺服电机提供电源，另一方面将计算机系统的参数指令通过A/D将数字信号转换成模拟信号，控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩，进而通过作动器实现非定常水平载荷的输出，最终通过前端球铰组件和前端连接板将非定常水平载荷在水平方向上施加在导管架海洋平台模型上，并将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动器，伺服驱动器通过D/A将模拟信号转换成数字信号，并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给计算机系统，以曲线形式将控制信号与给定信号出现在人机交互界面，根据两者的拟合度评价该装置模拟载荷的准确度，根据需要调整PID调节参数以得到最好的模拟载荷。由于在导管架海洋平台模型的长度方向和宽度方向上分别安装一套加载装置，由伺服驱动器的两个通道同步协调，因此可以实现水平方向任意角度的加载。

本装置由于将长度方向和宽度方向的反力架分别通过焊接与长度方向和宽度方向的后端连接板固定连接，导管架海洋平台模型通过卡环与分别与两个方向的前端连接板固定连接；长度方向和宽度方向的加载装置中的压力传感器与后端球铰组件均采用双头螺杆固定连接，压力传感器通过内六角螺栓与作动器固定连接，位移传感器与伺服电机通过内六角螺栓固定连接，前端球铰组件通过作动器的丝杆与作动器连接，前端和后端的球铰组件又分别通过内六角螺栓与前端和后端连接板固定连接；两个方向的伺服电机、压力传感器和位移器通过电缆线分别与伺服驱动器的两个通道相连，两个通道又通过串口分别与计算机系统相连。计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数（波形、幅值、频率和循环次数等）和PID调节参数，然后将参数指令传输给伺服驱动器，伺服驱动器一方面通过电缆线为两个方向的伺服电机提供电源，另一方面将计算机系统的参数指令通过A/D将数字信号转换成模拟信号，控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩，进而通过作动器实现非定常载荷的输出，最终通过前端连接板将非定常载荷施加在导管架海洋平台模型上，并通过前端连接板将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷或位移通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动器，通过D/A将模拟信号转换成数字信号，伺服驱动器将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给计算机系统，以曲线形式将控制信号与给定信号出现在人机交互界面，根据两者的拟合度评价该装置模拟载荷的准确度，从而根据需要调整PID调节参数以得到最好的模拟载荷。

Claims (1)

1.一种用于模拟海洋环境载荷的装置，包括导管架海洋平台模型、宽度方向载荷模拟单元、长度方向载荷模拟单元、计算机系统、和伺服驱动器，其特征在于：

所述的导管架海洋平台模型是由若干钢管焊接而成的桁架结构，包括工作平台（1）、导管腿（2）、拉筋（3）和桩基（4）；工作平台（1）由甲板、梁和立柱组成，与导管腿通过焊接连接；拉筋（3）包括横撑和斜撑，作为导管腿（8）之间的连接构件；桩基（4）是由钢板和钢结构焊接而成的箱体结构，上部与导管腿8通过螺栓连接，下部通过地脚螺栓与混凝土基础连接；工作平台的底层和导管架主体第一层之间的部分为飞溅区，为直接承受载荷的区域；

所述宽度方向载荷模拟单元包括宽度方向的反力架（5）和宽度方向的加载机构（6），所述宽度方向载荷模拟单元的作用为沿宽度方向施加水平载荷；

所述的宽度方向的反力架（5）底部通过地脚螺栓与桩基混凝土固定连接，并通过焊接作用与桩基（4）固定连接，上部通过焊接作用与宽度方向的后端连接板固定连接，从而起到支持的作用；

所述的宽度方向的加载机构（6）包括后端连接板（10）、后端球铰组件（12）、压力传感器（15）、作动器（16）、伺服电机（21）、位移传感器（22）、前端球铰组件（18）以及前端连接板（19）；所述的后端连接板（10）与宽度方向的反力架（5）固定连接，上面开有4个螺纹孔，通过4个内六角螺栓（11a）与后端球铰组件（12）固定连接；后端球铰组件通过1个双头螺杆（13）和消隙环（14）与压力传感器（15）固定连接；压力传感器（15）通过8个内六角螺栓与作动器（16）固定连接，其作用是检测作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号，并将信号传输给伺服驱动器；位移传感器（22）通过内六角螺栓与伺服电机固定连接，其作用是检测作动器丝杆（17）的实际位移信号，并将信号传输给伺服驱动器；伺服电机（21）的旋转运动通过同步带转化为作动器丝杆（17）的往复直线运动，进而实现非定常水平载荷的输出；前端球铰组件（18）通过作动器丝杆（17）连接在一起，在前端连接板（19）上开有4个螺栓孔，通过内六角螺栓（11b）与前端球铰组件（18）固定连接在一起，同时，前端连接板（19）通过5个卡扣（20a）和20个内六角螺栓（11c）与导管架海洋平台模型（7）固定连接，连接位置为宽度方向的飞溅区，将前端球铰组件（18）调整为水平位置后，能够实现作动器（16）输出的非定常水平载荷传递到导管架海洋平台模型（7），并通过前端连接板（19）将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；

所述长度方向载荷模拟单元包括长度方向的反力架（9）和长度方向的加载机构（23）；所述长度方向载荷模拟单元的结构组成与所述宽度方向载荷模拟单元相同，其作用是沿长度方向施加水平载荷；

所述计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数和PID调节参数，所述载荷参数为波形、幅值、频率和循环次数，然后将载荷参数和PID调节参数指令传输给所述伺服驱动器；所述计算机系统以曲线形式将所述伺服驱动器反馈的实际控制信号与给定信号出现在人机交互界面；

所述伺服驱动器通过电缆线为所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机提供电源；所述伺服驱动器接收计算机系统传递过来的参数指令，以控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩；所述伺服驱动器通过电缆线接收所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的位移传感器和压力传感器传输过来的实际载荷信号和位移信号，并与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次将控制信号传输给所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机，进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给所述计算机系统；

所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机、压力传感器和位移传感器通过电缆线分别与伺服驱动器的两个通道相连，两个通道又通过串口分别与所述计算机系统相连；所述计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数和PID调节参数，然后将参数指令传输给伺服驱动器；所述伺服驱动器一方面通过电缆线为两个方向的伺服电机提供电源，另一方面将计算机系统的参数指令通过A/D将数字信号转换成模拟信号，控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩，进而通过作动器实现非定常水平载荷的输出，最终通过前端球铰组件和前端连接板将非定常水平载荷在水平方向上施加在导管架海洋平台模型上，并将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动器，伺服驱动器通过D/A将模拟信号转换成数字信号，并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给计算机系统，以曲线形式将控制信号与给定信号出现在人机交互界面，根据两者的拟合度评价该装置模拟载荷的准确度，根据需要调整PID调节参数以得到最好的模拟载荷。