CN108413876B - 一种海洋岩土中锚定位试验的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在海洋岩土锚试验中的定位测量方法，属于土木工程技术领域。本发明针对现有拉线定位测量方法误差大、位移传感器不满足试验要求等不足，本发明提供一种不直接测量锚的位移，而是把锚磁化产生磁场，将光纤粘在磁致伸缩材料上，并将磁致伸缩材料固定，在锚运动的过程中，通过测量光纤即磁致伸缩材料的应变来推算磁致伸缩材料处的磁场强度，然后由磁场强度公式来计算磁致伸缩材料与锚之间的距离，从而对锚定位。与现有测量技术相比，解决了传感器无法在土中测量及无线传感器安装在锚上测量的误差。能够对海洋岩土试验中锚轨迹进行精确测量。

Description

一种海洋岩土中锚定位试验的测量方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种海洋岩土中锚试验的定位方法，尤其涉及一种利用光纤光栅传感器为测量部件的定位测量方法。

背景技术

随着海洋资源的开发和利用，系泊系统及其系泊基础的研发已成为国际海洋工程领域的前沿和关键课题，对于海洋锚的需求日益增加，同时出现了许多新型锚结构。目前，对于浮动式采油平台的锚泊系统一般采用鱼雷锚，深水系泊系统一般采用拖曳锚，大型海洋平台一般采用平板锚等。

鱼雷锚的贯入深度决定了锚泊系统的稳定性；拖曳锚的轨迹决定了拖曳锚的反悬链方程，拖曳锚的倾斜角和深度决定的拖曳锚的受力状态；平板锚的运动轨迹决定了平板锚最终的丢失深度和倾斜角，即直接决定了平板锚的承载力。因此，锚轨迹的精确定位就很有意义。对于海洋锚的安装定位普遍采用经验法，通过试验指导实际工程。对于船舶、海洋平台等海上工程结构的稳定性及承载力等主要取决于锚的轨迹定位，因此在海洋岩土工程中锚的定位试验就有很大意义。

传统的锚定位试验通常采用拉线定位、位移传感器、无线传感器等方法测量。以上方法已经在试验中广泛应用，但是也存在一些问题。例如，拉线定位测量误差大，普通传感器精度低并且可能不符合试验条件和环境，对于一些锚比如鱼雷锚需要很高频率的无线传感器才能准确测量，往往很难满足测量精度，同时无线传感器安装在锚上会改变锚的自身参数，存在误差。现有的测量手段往往不能准确地模拟锚的运动轨迹。

本发明提供的光纤光栅测量方法，以光纤作为信号传输介质，具有精度高、灵敏度高、价格低等优点。对于提升测量精度、更准确地模拟锚的运动状态具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种测量手段，以克服现有测量手段的不足。该方法利用光纤光栅来定位锚的轨迹，以光纤作为信号传输介质，具有精度高、灵敏度高、造价低、对试验影响小的优点。

本发明的技术方案：

一种海洋岩土中锚定位试验的测量方法，所用的系统中包括充磁机、磁致伸缩材料2、光缆、光纤光栅3、波长解调仪4、铜管5和木板6；

锚分为鱼雷锚8和平板锚9，均为可磁化材料，利用充磁机将锚磁化后，锚产生永磁体磁场；

所述的光纤光栅3一端用环氧树脂固定在磁致伸缩材料2上，另一端与波长解调仪4相连，中间套在铜管5内插入土中；

所述的磁致伸缩材料2用木板6固定在试验箱7内侧；

磁致伸缩材料2由于磁场作用在初始位置产生初始应变δ₀，当锚在土中运动时，会改变磁致伸缩材料2处的磁场强度，磁致伸缩材料2的应变会发生变化并且应变由光纤测得，通过磁致伸缩材料2的磁致伸缩系数与磁场强度关系曲线可以算出磁致伸缩材料2处的磁场强度，再根据永磁体磁场强度的算法反算出磁致伸缩材料2与锚的距离。因此只需要测量光纤的应变即可定位锚的位置。

所述的磁致伸缩材料2是指材料由于外加磁场的改变，其尺寸发生变化，去掉磁场后又恢复原长，且磁致伸缩系数：

L_H是经过磁场强度变化后的长度；

L₀是磁致伸缩材料的原长度；

永磁体的磁场强度计算采用等效磁荷模型或等效电流模型的方法计算；

若采用等效磁荷模型，则永磁体周围空间磁场强度：

式中：

R是源点(永磁体内)到场点(求解点)的矢径；

R是源点到场点的距离；

V是永磁体积分区域；

S是永磁体积分域边界；

ρ_m是永磁体内存在的磁荷密度且其中，μ₀为真空磁导率，M为磁化强度；

ρ_ms是永磁体边界上磁荷密度且

其中，e_n为磁体边界的外法向单位矢量；

若采用等效电流模型，则永磁体周围介质的磁感应强度为：

式中：

J_m是磁化磁体内部电流密度且J_m＝Δ×M；

J_ms是磁化磁体表面电流密度且J_ms＝-e_n×M。

本发明的有益效果：本发明的优势在于以光纤光栅作为测量传感器，以光纤作为信号传输介质，具有精度高、灵敏度高、造价低、对试验影响小的优点。测量得出的数据经算法计算能够准确得出锚的位移。

附图说明

图1是试验测量方法的示意图。

图2是实施例一的试验布置图。

图3是实施例一的锚磁场分布图。

图4是实施例一的光纤光栅结构图。

图5是实施例一的试验测量坐标图。

图6是实施例二的试验布置图。

图7是实施例二的锚磁场分布图。

图8是实施例二的光纤光栅结构图。

图9是实施例二的试验测量坐标图。

图中：2磁致伸缩材料；3光纤光栅；4波长解调仪；5铜管；6木板；

7模型箱；8鱼雷锚；9平板锚；10锚链。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，详述本发明的具体实施方式。

不同锚的试验条件和方式不同决定了合理布置磁致伸缩材料的位置。下面结合附图，对本发明优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图2所示，为鱼雷锚8贯入试验准备阶段，其中模型箱7的尺寸为a×b×h。先将木板6搭在模型箱上，然后把三个磁致伸缩材料2分别放在三个木板的中心处，并用环氧树脂将光纤粘在磁致伸缩材料2的表面。当试验开始后，鱼雷锚8在土中运动，磁致伸缩材料2根据磁场强度的大小发生应变，并由光纤3测得。

如图3所示，鱼雷锚8试验前的磁感线示意图。

如图4所示，光纤3一端直接粘在磁致伸缩材料2上并与材料伸缩保持一致，另一端直接接在波长解调仪器4上。

如图5所示，若以模型箱7的底部宽边长的中点为原点O,以底部的宽方向为X轴，以底部的长方向为Y轴，并以左侧磁致伸缩材料2与原点的连线方向为Z轴建立三维坐标系。三个磁致伸缩材料2中心的坐标分别为(0，0，h)、(0,b,h)、(a/2,b/2,h)，且任意时刻的鱼雷锚8中心坐标为(x,y,z)，若由磁场强度公式换算三个磁致伸缩材料2与鱼雷锚8的距离分别为r1、r2、r3。则由距离公式可以求出鱼雷锚8的坐标为：

实施例二

如图6所示，为平板锚9试验的开始阶段，模型箱7尺寸同上。将木板6固定于模型箱7内侧，用于放置磁致伸缩材料2。光纤3在土中包裹在铜管5内，一端由环氧树脂粘在磁致伸缩材料2上。另一端连接波长解调仪器4。两个磁致伸缩材料2布置在模型箱7内的两侧宽方向的中点处，另一个布置在模型箱7一侧的长方向的中点处。当平板锚9通过施加给锚链10的竖向力F作用下运动时，三个磁致伸缩材料2处的磁场强度大小发生变化，测得原理同上。

如图7所示，平板锚产生的磁感线示意图。

如图8所示的光纤3布置图。根据不同锚的试验条件不同，当为平板锚9试验时，宜将磁致伸缩材料2布置在模型箱7内部，因此光纤3在土中的部分需要插在铜管5中。

如图9所示，建立三维坐标轴方式同上。。三个磁致伸缩材料2中心的坐标分别为(0，0，h/2)、(0,b,h/2)、(a/2,b/2,h/2)，且任意时刻的平板锚9中心坐标为(x,y,z)，由距离公式可以求出任意时刻平板锚9的坐标为：

Claims (3)

1.一种海洋岩土中锚定位试验的测量方法，其特征在于，所用的系统中包括充磁机、磁致伸缩材料(2)、光缆、光纤光栅(3)、波长解调仪(4)、铜管(5)和木板(6)；

锚分为鱼雷锚(8)和平板锚(9)，均为可磁化材料，利用充磁机将锚磁化后，锚产生永磁体磁场；

所述的光纤光栅(3)一端用环氧树脂固定在磁致伸缩材料(2)上，另一端与波长解调仪(4)相连，中间套在铜管(5)内插入土中；

所述的磁致伸缩材料(2)用木板(6)固定在试验箱(7)内侧；

磁致伸缩材料(2)由于磁场作用在初始位置产生初始应变δ₀，当锚在土中运动时，改变磁致伸缩材料(2)处的磁场强度，磁致伸缩材料(2)的应变发生变化并且应变由光纤测得，通过磁致伸缩材料(2)的磁致伸缩系数与磁场强度关系曲线算出磁致伸缩材料(2)处的磁场强度，再根据永磁体磁场强度的算法反算出磁致伸缩材料(2)与锚的距离；

所述的磁致伸缩材料(2)是指材料由于外加磁场的改变，其尺寸发生变化，去掉磁场后又恢复原长，且磁致伸缩系数：

L_H是经过磁场强度变化后的长度；

L₀是磁致伸缩材料的原长度；

永磁体的磁场强度计算采用等效磁荷模型或等效电流模型的方法计算。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，若采用等效磁荷模型，则永磁体周围空间磁场强度：

式中：

R是源点到场点的矢径；

R是源点到场点的距离；

V是永磁体积分区域；

S是永磁体积分域边界；

ρ_m是永磁体内存在的磁荷密度且其中，μ₀为真空磁导率，M为磁化强度；

ρ_ms是永磁体边界上磁荷密度且

其中，e_n为磁体边界的外法向单位矢量。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，若采用等效电流模型，则永磁体周围介质的磁感应强度为：

式中：

J_m是磁化磁体内部电流密度且J_m＝Δ×M；

J_ms是磁化磁体表面电流密度且J_ms＝-e_n×M。