CN106959251A - 一种实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，包括：方向调整装置，用于调整模型的方向，包括安装在模型上的电机，和用于活动安放模型的固定齿轮，所述电机通过旋转齿轮与所述固定齿轮啮合；角度调整装置，用于调整模型相对海平面的俯仰角度；高度调整装置，用于支撑并调整模型相对海平面的高度，包括与所述角度调整装置连接的垂直升降机构；控制单元，用于控制上述部件的动作并接收和发送相应的测量数据，包括测量所述垂直升降机构风载荷的测量仪，和远程发送模块。本发明可以采集不同工况下不同迎风角度下的风载荷，实现实际海上状况下模型的三个自由度位姿(作业/吃水高度×迎风角度×倾斜角度)变换。

Description

一种实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置
技术领域
本发明涉及风载荷实验领域，特别是涉及一种实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置。
背景技术
目前，一般的自升式平台风载荷实验数据测量装置是在风洞中使用六分力天平测量，六分力天平固定在风洞底部，再通过一根垂直的刚性连接杆与平台模型相连接。通过研究模型的风载荷系数的影响规律，可为不同规格的自升式平台的优化设计提供数据支撑，具有重要的理论意义和工程应用价值。
但现有测量装置在变换平台模型位姿时，首先需要先停止风机工作，然后再更换位姿支持工装，这样既浪费人力又费时；其次，考虑拖航工况时，与船不同，自升式平台的长宽比较小，需要测量不同迎风角度时平台绕不同倾覆轴的倾斜力矩以便确定最危险的倾覆轴，所需要的连接工装数量巨大。此外，现有的测量实验都是在实验室中进行的，并没有在实际的海洋环境下进行。
发明内容
本发明的目的是要提供一种可以在实际海洋环境中利用自升式平台获取模型在不同位姿下风载荷的实验测量装置。
特别地，本发明提供一种实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，包括：
方向调整装置，用于调整模型的方向，包括安装在模型上的电机，和用于活动安放模型的固定齿轮，所述电机通过旋转齿轮与所述固定齿轮啮合；
角度调整装置，用于调整模型相对海平面的俯仰角度；
高度调整装置，用于支撑并调整模型相对海平面的高度，包括与所述角度调整装置连接的垂直升降机构；
控制单元，用于控制上述部件的动作并接收和发送相应的测量数据，包括测量所述垂直升降机构风载荷的测量仪，和远程发送模块。
在本发明的一个实施方式中，所述垂直升降机构包括剪式千斤顶，和垂直固定在所述剪式千斤顶上的测力杆。
在本发明的一个实施方式中，所述测力杆的上端设置有外螺纹，所述测力杆通过螺纹与所述角度调整装置连接。
在本发明的一个实施方式中，所述测量仪为六分力天平，所述剪式千斤顶固定在所述六分力天平上。
在本发明的一个实施方式中，所述角度调整装置包括U形的第一固定座和第二固定座，以及固定螺帽和具备倾斜面的定位楔；所述第一固定座的底部与所述测力杆固定，其开口端与所述固定齿轮轴连接，所述第二固定座通过底部设置的通孔套在测力杆的所述第一固定座的下方，且开口端朝向所述固定齿轮方向，所述固定螺帽利用螺纹拧在所述第二固定座下方的测力杆上，所述定位楔插在所述第二固定座和所述固定齿轮之间。
在本发明的一个实施方式中，所述定位楔有多个且分别具备不同的倾斜面。
在本发明的一个实施方式中，还包括用于防止海水进入的保护壳，所述垂直升降装置和所述控制单元安装在所述保护壳内。
在本发明的一个实施方式中，所述保护壳的底部设置有支撑在海底的基座。
在本发明的一个实施方式中，所述角度调整装置包括U形的第三固定座和液压缸，所述第三固定座通过底部与所述测力杆的端部固定，通过开口端与所述固定齿轮的底部轴连接，所述液压缸与所述测力杆固定，所述液压缸的液压杆与所述固定齿轮的底部活动连接。
在本发明的一个实施方式中，所述垂直升降机构包括液压缸和液压杆。
本发明可以在风向不变的情况下，通过控制电机的转动实现模型的角度变换，通过垂直升降装置可以改变模型的高度，以采集不同工况下不同迎风角度下的风载荷，而角度调整装置则可以调整模型不同俯仰角度的位姿，从而实现实际海上状况下模型的三个自由度位姿(作业/吃水高度×迎风角度×倾斜角度)变换。此外，本实施方式也能测试其他浮式海洋结构物，如浮式发电风机、半潜式平台、浮式圆筒型平台等。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的实验测量装置的结构示意图；
图2是图1所示角度调整装置的结构示意图；
图3是图2所示角度调整装置的侧视图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明一个实施方式的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，一般性地包括调整模型1方向的方向调整装置2，调整模型1俯仰角度的角度调整装置3，和调整模型1高度的高度调整装置4，以及控制上述装置运行的控制单元5。
该方向调整装置2用于调整模型1在海上的迎风方向，包括安装在模型1上的电机21，和用于活动安放模型1的固定齿轮23，电机21可以通过旋转齿轮22与固定齿轮23啮合。由于模型1与固定齿轮23之间并没有相对的固定关系，因此，当电机21驱动旋转齿轮22转动时，固定齿轮23施加至旋转齿轮22上的反作用力即可推动模型1相对固定齿轮23调整方向。具体的电机21可以是步进电机。
角度调整装置3用于调整模型1相对海平面8的俯仰角度，可以是齿轮结构或可相对转动的机械结构组成；如在固定齿轮23的底部固定或设置半环形的内齿轮(图中未示出)，利用一个垂直与固定齿轮23的调节齿轮与内齿轮啮合，固定齿轮23相对调节齿轮为活动接触，当调节齿轮转动时，即可推动固定齿轮改变俯仰角度，从而调整模型1的俯仰角度。
高度调整装置4根据测试处的海底深度，用于将模型1支撑出海平面8，并可实现模型1相对海平面8高度的调整，具体结构可以是与角度调整装置3连接的垂直升降机构。具体的垂直升降机构可以是液压、气压等在高度方向上可以调节升降幅度的结构。
控制单元5用于控制上述装置的动作并接收和发送相应的测量数据，可以包括测量垂直升降装置4承受的风载荷的测量仪51，和接收相关测量数据并向远程接收系统发送的远程发送模块。这里的远程接收系统可以是位于岸上的PC机，而远程发送模块可以采用GSM卡、无线网卡等部件。
在实验时，通过高度调整装置4将模型1支撑在海平面8上，利用电机21驱动旋转齿轮22改变与固定齿轮23的相对位置关系，从而调整模型1相对风向的角度，再利用角度调整装置3根据实验要求调整模型1的俯仰角度。上述调整过程可以通过控制单元5完成。模型1受到的风力通过垂直升降装置4传递至测量仪51，而测量仪51获取的相关数据可以传输至远程发送模块，再传送至位于岸上的指定接收电脑。
本发明可以在风向不变的情况下，通过控制电机的转动实现模型的角度变换，通过垂直升降装置可以改变模型的高度，以采集不同工况下不同迎风角度下模型的风载荷，而角度调整装置则可以调整模型不同俯仰角度的位姿，从而实现实际海上状况下模型的三个自由度位姿(作业/吃水高度×迎风角度×倾斜角度)变换。此外，本实施方式也能测试其他浮式海洋结构物，如浮式发电风机、半潜式平台、浮式圆筒型平台等。
在本发明的一个实施方式中，具体的垂直升降装置4可以包括剪式千斤顶41，和垂直固定在剪式千斤顶41上的测力杆42，测力杆42的顶端与角度调整装置3连接。测力杆42的高度可以保证模型1位于海平面8以上，而剪式千斤顶41则可以根据实际海况对模型1的高度进行微调。本实施方式中的剪式千斤顶41可以由电机提供升降动力，也可以由人员直接进行升降调整，测力杆42可以通过焊接的方式固定在剪式千斤顶41上。
为方便与角度调整装置3连接，该测力杆42的上端可以设置外螺纹，使角度调整装置3可以通过螺纹结构安装在测力杆42上。
在本发明的一个实施方式中，具体的测量仪51可以采用六分力天平，而剪式千斤顶41可以通过螺栓等方式固定在六分力天平上。当模型1受到风力作用时，风力则可通过测力杆42间接传递到六分力天平处。
在本发明的一个实施方式中，提供一种具体的角度调整装置，包括U形的第一固定座31和第二固定座32，以及固定螺帽33和具备倾斜面的定位楔34。
第一固定座31用于连接测力杆42和固定齿轮23，其通过底部与测力杆42的螺纹端头螺纹固定或焊接固定，而开口端与固定齿轮23的中部通过轴杆35连接，连接后的固定齿轮23相对第一固定座31绕轴杆35相对转动(俯仰角度)。第二固定座32通过底部设置的通孔活动套在测力杆42上且位于第一固定座31的下方，第二固定座32的开口端朝向固定齿轮23方向。固定螺帽33利用螺纹拧在第二固定座32下方的测力杆42上，定位楔34插在第二固定座32和固定齿轮23之间，定位楔23一面为倾斜面，与倾斜面相对的一面为平面。
安装时，第二固定座32与第一固定座31可以采用交叉的方式相互错开，第二固定座32将定位楔34顶在固定齿轮23的下表面，定位楔34的倾斜面与固定齿轮23接触，然后利用固定螺帽33使第二固定座32紧紧顶住定位楔34的底面。定位楔34的倾斜面即决定了模型1的俯仰角度。
进一步地，定位楔34可以根据不同的倾斜实验要求设置多个，各定位楔34的倾斜面的倾斜角度不同，如：5度、10度、15度等。然后通过固定螺帽33来松开第二固定座32进行相应定位楔34的更换，实现模型1位姿的调整。
在本发明的一个实施方式中，可以安装用于防止海水进入的保护壳6，保护壳6将垂直调整装置4和控制单元5围护在内，避免被海水浸泡。此外，可以在海底搭建安装基座7，以放置和固定保护壳6。
在本发明的一个实施方式中，提供另一结构的角度调整装置3(图中未示出)，该角度调整装置3包括U形的第三固定座和液压缸，第三固定座通过底部与测力杆42的端部固定，通过开口端与固定齿轮23的底部轴连接，液压缸的缸体可以固定在测力杆42上，也可以固定在保护壳6上，液压缸的液压杆与固定齿轮23的底部活动连接。
本实施方式中，固定齿轮23与第三固定座轴连接后，可以相对第三固定座以轴连接点进行上下旋转，而液压杆的连接点位于第三固定座连接点的前方或后方，当液压杆伸缩时，即可推动固定齿轮23相对第三固定座的连接点进行旋转，从而使放置在固定齿轮23上的模型1实现俯仰角度调整。
在本发明的一个实施方式中，该垂直升降装置4还可以是直接利用液压升降的液压缸和可伸缩的液压杆(图中未示出)，液压缸可以固定在六分力天平上，液压杆由液压缸内伸出后与角度调整装置3连接。液压缸在控制单元5的控制下，通过液压油的变化量来调整液压杆的升降高度，并将模型1受到的风载荷传递到六分力天平。
在本发明的一个实施方式中，该控制单元5可以发送脉冲信号给电机以实现模型1迎风角度的变换。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，包括：
方向调整装置，用于调整模型的方向，包括安装在模型上的电机，和用于活动安放模型的固定齿轮，所述电机通过旋转齿轮与所述固定齿轮啮合；
角度调整装置，用于调整模型相对海平面的俯仰角度；
高度调整装置，用于支撑并调整模型相对海平面的高度，包括与所述角度调整装置连接的垂直升降机构；
控制单元，用于控制上述部件的动作并接收和发送相应的测量数据，包括测量所述垂直升降机构风载荷的测量仪，和远程发送模块。
2.根据权利要求1所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述垂直升降机构包括剪式千斤顶，和垂直固定在所述剪式千斤顶上的测力杆。
3.根据权利要求2所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述测力杆的上端设置有外螺纹，所述测力杆通过螺纹与所述角度调整装置连接。
4.根据权利要求2所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述测量仪为六分力天平，所述剪式千斤顶固定在所述六分力天平上。
5.根据权利要求2所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述角度调整装置包括U形的第一固定座和第二固定座，以及固定螺帽和具备倾斜面的定位楔；所述第一固定座的底部与所述测力杆固定，其开口端与所述固定齿轮轴连接，所述第二固定座通过底部设置的通孔套在测力杆的所述第一固定座的下方，且开口端朝向所述固定齿轮方向，所述固定螺帽利用螺纹拧在所述第二固定座下方的测力杆上，所述定位楔插在所述第二固定座和所述固定齿轮之间。
6.根据权利要求5所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述定位楔有多个且分别具备不同的倾斜面。
7.根据权利要求1所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
还包括用于防止海水进入的保护壳，所述垂直升降装置和所述控制单元安装在所述保护壳内。
8.根据权利要求7所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述保护壳的底部设置有支撑在海底的基座。
9.根据权利要求1所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述角度调整装置包括U形的第三固定座和液压缸，所述第三固定座通过底部与所述测力杆的端部固定，通过开口端与所述固定齿轮的底部轴连接，所述液压缸与所述测力杆固定，所述液压缸的液压杆与所述固定齿轮的底部活动连接。
10.根据权利要求9所述的实际海洋环境中自升式平台风载荷实验测量装置，其特征在于，
所述垂直升降机构包括液压缸和液压杆。
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