CN109625165A - 一种海上浮式结构运动的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上浮式结构运动的模拟系统，包括：机械结构、连接在机械结构下方的浮式结构模型和驱动控制结构，机械结构包括X轴移动装置、Y轴移动装置、Z轴移动装置、转向机构和五块水平板，五块水平板从上至下分别为悬挂本体、回转架、上架、X向板以及Y向板，模拟步骤如下：根据海上浮式结构尺寸和缩比尺，选取和制作尺寸合适的海上浮式结构模型；检查机械结构的位置；检查加速度传感器的连接状态；安装摄像设备；打开上位工控机，在应用程序内导入预先转换好的运动数据，在用户界面上得到其对应的预期运动曲线，作为后续实时反馈的参考；进行采样操作；运动控制器带动各轴驱动及电机运转，实现三轴的运动模拟。

Description

一种海上浮式结构运动的模拟方法

技术领域

本发明属于深海管线物理模拟技术领域，涉及一种海上浮式结构运动的模拟系统。

背景技术

海洋中的环境比较复杂，在海洋环境中的海上浮式结构以及各种设备均要承受来自风、浪、流和潮汐等各种环境因素以及设备自身载荷的影响。海上浮式结构运动响应复杂，往往具有纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇等六自由度运动，其中纵荡、横荡与垂荡运动幅值大，各自由度的运动周期也具有较大差异。平台的运动性能会对结构稳定和人员工作、设备的正常运行产生较大影响，直接决定了整个油田的生产效率及安全可靠性。而深海管线是深水作业的关键装备，包括海洋立管、海底管道、海上电缆和脐带缆等，起到了在海上浮体与水下生产系统之间、水下生产系统之间进行油气输送和作业控制的重要作用。上部浮式结构运动对于深海管线安装及生产有着重大的作用，因此模拟物理管线安装过程中结构多向运动显得至关重要。

为了达到以上目的，将浮式结构模型固定在机械结构上，通过控制机械结构来直接控制模型运动是最直接有效的手段，这对研究管线模型在真实安装工况下的形态及动力响应具有重要意义。海洋工程领域常采用水池试验进行浮式结构(浮式平台、海上风机、FPSO等)的动力响应分析，但水池试验往往操作困难，成本昂贵，且试验周期较长，并且水池试验通过早造波形成的浮体运动是一种被动控制。对于海上浮式结构运动的主动控制模拟，尚缺乏行之有效的试验方法。

发明内容

本发明提供一种海上浮式结构运动的模拟方法，可以用来对深海管线连接的海上浮式结构的多自由度运动模拟、动态演示以及数值验证,进而根据真实海况监测数据完成缩尺比，使试验更具可靠性。技术方案如下：

一种海上浮式结构运动的模拟方法，所采用的模拟系统包括：机械结构、连接在机械结构下方的浮式结构模型和驱动控制结构，其特征在于：

所述的机械结构包括X轴移动装置、Y轴移动装置、Z轴移动装置、转向机构和五块水平板，五块水平板从上至下分别为悬挂本体、回转架、上架、X向板以及Y向板，悬挂本体和回转架用以支撑Z轴移动装置，悬挂本体与回转架之间通过锁紧环和与锁紧环相配合的第一锁紧装置相连接；

转向机构与悬挂本体相连，再经由滚动轴承嵌套在Z轴移动装置套筒的外侧，在悬挂本体上侧固定连接有第二锁紧装置，第二锁紧机构的底端挨近回转架，以外周小齿轮啮合一螺钉连接固定在套筒外侧的大齿轮，从而实现机械锁紧；

套筒内连轴器将Z轴电机输出力矩传递到滚珠螺杆实现转动，滚珠螺杆的螺帽固定在上架上，随着力矩的传递，上架产生竖直方向的位移从而实现Z轴运动；在上架上固定有至少一根直线光轴，直线光轴通过固定在回转架上的直线轴承实现连接；

上架下方的两侧固定有X轴滑轨，X轴开口直线轴承固定到滑轨上，中间，X向板通过可调开口轴承座固定在X轴开口直线轴承上，可调开口轴承座能够随着X向滚珠丝杆的移动而沿X轴开口直线轴承移动，从而实现X轴运动；Y轴同理，将Y轴滑轨固定在X向板下方的两侧，Y轴开口直线轴承连接固定到滑轨中间，Y向板通过可调开口轴承座固定在Y轴开口直线轴承上，可调开口轴承座能够随着Y向滚珠丝杆的移动而沿直线轴承移动，从而实现Y轴运动；

X轴移动装置通过上架支承板与上架连接，Y轴移动装置通过Y向支承板与X向板连接。

所述的驱动控制结构包括伺服马达，X、Y、Z轴各向的驱动器，运动控制器和上位工控机，运动控制器通过连接电缆来对各轴的驱动、电机进行主动控制，从而实现机械结构的运动模拟；

所述的浮式结构模型包括通过万向接头与机械结构相连接,其上固定有加速度传感器，加速度传感器采集的信号被送入上位工控机。

模拟步骤如下：

步骤S1、根据海上浮式结构尺寸和缩比尺，选取和制作尺寸合适的海上浮式结构模型；

步骤S2、检查机械结构的连接及安装情况；

步骤S3、检查机械结构的位置，Y向板、X向板是否处于零点位置；

步骤S4、检查加速度传感器的连接状态，确保与数据采集仪使用线缆连接，并将数据采集仪各通道输出端口接入上位工控机；

步骤S5、安装摄像设备，对焦至模型零位，最好使镜头轴线与其处在同一直线上，便于后续的影像分析；

步骤S6、打开上位工控机，在应用程序内导入预先转换好的运动数据，在用户界面上得到其对应的预期运动曲线，作为后续实时反馈的参考；

步骤S7、进行采样操作，表征加速度传感器的实时数据；

步骤S8、运动控制器带动各轴驱动及电机运转，实现三轴的运动模拟，同时使用摄像设备对模拟过程进行录制；

步骤S9、处理数据，得到模型的真实运动状态，并对比输入数据、实时反馈数据以及加速度传感器监测数据。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下积极效果：

(1)本发明能够进行错综复杂的海况下不同的海上浮式结构模型试验，无需在水环境下开展试验，使得操作要简单易行，试验费用大大减少；

(2)本发明利用机械结构与模型连接能够直接控制浮式结构模型的运动状态，相比于水池试验中通过造波实现的海上浮式结构运动是被动的且具有一定的迟滞性，更加直接有效；

(3)本发明使用滚珠丝杆传动机构，具有精度高、寿命长、工作平稳、可靠性高等优点。该传动机构的丝杆能带动外套在正常行程范围内作轴向运动，且当外套运动到行程末端后，丝杆仍可继续不停转动而外套能自动停止轴向运动，具有简单可靠的优点；

(4)本发明能够通过调节驱动程序中的运动参数模拟不同海况下的动力响应。不同频率、幅值的结构动力响应，也是基于不同的浮式结构型式(FPSO、TLP、半潜式等)产生的，再者，通过调节模型的比例尺，能够模拟更加剧烈的结构动力响应。

附图说明

图1-4分别是机械机构的仰视、右视、正视和左视图。

图5是本发明模拟装置的结构示意图

图6是驱动控制流程的示意图

图中标号的说明：1-X轴电机；2-连接套；3-X向滚珠丝杆；4-悬挂本体；5-Y轴电机；6-连接套；7-Y向滚珠丝杆；8-Y轴滑轨；9-X轴滑轨；10-锁紧机构；11-上架；12-万向接头；13-Y向板；14-Z轴电机；15-锁紧环；16-回转架；17-直线光轴；18-连轴器；19-轴承座；20-X轴开口直线轴承；21-可调开口轴承座；22-加速度传感器；23-Y轴开口直线轴承；24-X向板；25-连轴器；26-Z轴移动装置套筒；27-转向机构；28-直线轴承；29-小齿轮；30-大齿轮；31-锁紧装置；32-轴承座；33-滚珠螺杆；34-连轴器；35-上架支承板；36-Y向支承板；37-机械结构；38-浮式结构模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种海上浮式结构运动的模拟装置，如图1-5所示，该装置包括：a.机械结构37，b.驱动控制结构，c.浮式结构模型38，其特征在于：

所述的机械结构包括X轴移动装置(包括X轴电机1、连轴器34及其连接套2、滚珠丝杆3等)、Y轴移动装置(包括Y轴电机5、连轴器18及其连接套、滚珠丝杆7等)、Z轴移动装置(包括Z轴电机14、连轴器25及其连接套、滚珠螺杆33等)、手动旋转部分(包括锁紧机构10&31、悬挂本体4)。主结构由五块水平板构成，从上至下分别为悬挂本体4、回转架16、上架11、X向板24以及Y向板13。悬挂本体4和回转架16主要用来支撑Z轴移动装置，由于通过旋转实现的Z轴位移可能会导致回转架16的偏转，因此在悬挂本体4与回转架16之间加入锁紧环15，通过螺钉和垫片连接，对应锁紧装置10则外接在锁紧环15的外侧。转向机构27通过螺钉连接安装在悬挂本体4上，再经由滚动轴承嵌套在Z轴移动装置套筒26的外侧。由于锁紧环15设置在回转架16的外缘，锁紧能力有限，于是在悬挂本体上侧附加另一锁紧装置31。该装置通过螺钉连接固定穿过悬挂本体4，底端挨近回转架16，以外周小齿轮29啮合一螺钉连接固定在套筒外侧的大齿轮30，从而实现机械锁紧。套筒内连轴器25将Z轴电机输出力矩传递到滚珠螺杆33实现转动，滚珠螺杆的螺帽固定在上架上，随着力矩的传递，上架产生竖直方向的位移从而实现Z轴运动。但是仅靠滚珠螺杆33承受整个下部结构是不可靠的，因此在上架的四角设置四根直线光轴17并使用螺钉固定，直线光轴17通过固定在回转架16上的直线轴承28实现连接。X轴滑轨9通过螺钉连接固定在上架下方的两侧，开口开直线轴承20通过螺钉连接固定到滑轨中间。可调开口轴承座21安装在直线轴承外侧，并使用螺钉连接固定到X向板24上，轴承座会随着X向滚珠丝杆3的移动而沿直线轴承20移动，从而实现X轴运动。Y轴同理，将Y轴滑轨8通过螺钉连接固定在X向板24下方的两侧，开口开直线轴承23通过螺钉连接固定到滑轨中间。可调开口轴承座安装在直线轴承23外侧，并使用螺钉连接固定到Y向板13上，轴承座会随着Y向滚珠丝杆7的移动而沿直线轴承23移动，从而实现Y轴运动。由于各轴电机直接连接在滚珠丝杆的端部，对于结构的稳定性具有不利影响，因此需要支承板进行固定，将X轴移动装置通过上架支承板35与上架11连接，将Y轴移动装置通过Y向支承板36与X向板24连接。

所述的驱动控制结构包括伺服马达，X、Y、Z轴各向的驱动器，运动控制器，上位工控机，连接电缆对应连接到X、Y、Z轴电机上以及应用软件自开发等。使用自开发的应用软件实现运动数据的输入及运动控制器的实时反馈监测，运动控制器通过连接电缆来对各轴的驱动、电机进行主动控制，从而实现结构的运动模拟。

所述的浮式结构模型包括缩尺比平台或浮式采油装置及其周围连接的模拟管线。浮式结构模型通过万向接头12与机械结构相连接。加速度传感器22按照标准坐标系安装在浮式结构模型38顶部或者机械结构37底部。

步骤S1、根据目标项目的海上浮式结构尺寸和缩比尺，选取和制作尺寸合适的海上浮式结构模型38,这里的模型可以是张力腿平台、Spar平台、半潜式平台、FPSO、海上风机等多种浮式结构型式；

步骤S2、检查机械结构37的连接及安装情况，尤其是锁紧机构7是否锁紧(防止机械结构因Z轴电机14而发生自发的旋转)，并对滚珠丝杆3&7及滚动轴承接触面上涂抹适量机油润滑(保护机构)；

步骤S3、检查机械结构37的位置，是否处于各向板(Y向板36、X向板24)的零点位置(即中点)，使用记号贴纸进行标记便于观察校准，若已归零，则继续下一步骤；若没有，则需要进行复位归零；

步骤S4、检查加速度传感器22的连接状态，确保与数据采集仪使用线缆连接，并将数据采集仪各通道输出端口接入电脑，在配套的数据监测软件中选择设备连接，从而实现输入-反馈-输出的多重验证；

步骤S5、安装摄像设备，对焦至模型零位，最好使镜头轴线与其处在同一直线上，便于后续的影像分析；

步骤S6、打开上位工控机，在应用程序内导入预先转换好的运动数据(根据模型的缩尺比进行处理)，能够在用户界面上得到其对应的预期运动曲线，作为后续实时反馈的参考；

步骤S7、在数据采集仪配套软件中，进行采样操作，表征加速度传感器22的实时数据；

步骤S8、运行上述输入曲线，运动控制器带动各轴驱动及电机运转，实现三轴的运动模拟，同时使用摄像设备对模拟过程进行录制；

步骤S9、运行过程中，可以在应用软件界面内对于运动的模拟过程进行暂停、继续等操作，暂停后，进行复位操作后终止或重新开始新的模拟方案；

步骤S10、运行结束后，终止数据采集仪采样操作，导出采样结果；关闭摄像设备，存储影像资料；导出应用软件中实时反馈运动数据，关闭总电源，结束试验模拟阶段；

步骤S11、处理数据。利用相关处理软件对影像资料进行处理，得到模型的真实运动状态，并对比输入数据、实时反馈数据以及加速度传感器15监测数据，证明运动模拟的可靠性。

步骤S12、通过以上步骤对海上浮式结构在复杂海况下的运动全过程高精度模拟试验、动态监测和验证，进而便于后续相关工作的进展，保证结构安全可靠。

本发明能够进行复杂海况下多种海上浮式结构运动过程的预演，无需在水环境下开展试验，使得操作要简单易行，试验费用大大减少；模拟运动平台三维运动范围，X、Y轴平移范围±50mm，Z轴上下范围±20mm，按照模型比例放大后，基本涵盖了所有海上浮式结构极限状态要求；海上浮式结构模型涵盖张力腿平台、Spar平台、半潜式平台、FPSO、海上风机等多种浮式结构型式；驱动控制系统具有4ms的位移控制精度，且数值精确至

0.0005mm，具有良好的性能。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种海上浮式结构运动的模拟方法，所采用的模拟系统包括：机械结构、连接在机械结构下方的浮式结构模型和驱动控制结构，其特征在于：

所述的机械结构包括X轴移动装置、Y轴移动装置、Z轴移动装置、转向机构和五块水平板，五块水平板从上至下分别为悬挂本体、回转架、上架、X向板以及Y向板，悬挂本体和回转架用以支撑Z轴移动装置，悬挂本体与回转架之间通过锁紧环和与锁紧环相配合的第一锁紧装置相连接；

转向机构与悬挂本体相连，再经由滚动轴承嵌套在Z轴移动装置套筒的外侧，在悬挂本体上侧固定连接有第二锁紧装置，第二锁紧机构的底端挨近回转架，以外周小齿轮啮合一螺钉连接固定在套筒外侧的大齿轮，从而实现机械锁紧；

套筒内连轴器将Z轴电机输出力矩传递到滚珠螺杆实现转动，滚珠螺杆的螺帽固定在上架上，随着力矩的传递，上架产生竖直方向的位移从而实现Z轴运动；在上架上固定有至少一根直线光轴，直线光轴通过固定在回转架上的直线轴承实现连接；

上架下方的两侧固定有X轴滑轨，X轴开口直线轴承固定到滑轨上，中间，X向板通过可调开口轴承座固定在X轴开口直线轴承上，可调开口轴承座能够随着X向滚珠丝杆的移动而沿X轴开口直线轴承移动，从而实现X轴运动；Y轴同理，将Y轴滑轨固定在X向板下方的两侧，Y轴开口直线轴承连接固定到滑轨中间，Y向板通过可调开口轴承座固定在Y轴开口直线轴承上，可调开口轴承座能够随着Y向滚珠丝杆的移动而沿直线轴承移动，从而实现Y轴运动；

X轴移动装置通过上架支承板与上架连接，Y轴移动装置通过Y向支承板与X向板连接；

所述的驱动控制结构包括伺服马达，X、Y、Z轴各向的驱动器，运动控制器和上位工控机，运动控制器通过连接电缆来对各轴的驱动、电机进行主动控制，从而实现机械结构的运动模拟；

所述的浮式结构模型包括通过万向接头与机械结构相连接,其上固定有加速度传感器，加速度传感器采集的信号被送入上位工控机。模拟步骤如下：

步骤S1、根据海上浮式结构尺寸和缩比尺，选取和制作尺寸合适的海上浮式结构模型；

步骤S2、检查机械结构的连接及安装情况；

步骤S3、检查机械结构的位置，Y向板、X向板是否处于零点位置；

步骤S4、检查加速度传感器的连接状态，确保与数据采集仪使用线缆连接，并将数据采集仪各通道输出端口接入上位工控机；

步骤S5、安装摄像设备，对焦至模型零位，最好使镜头轴线与其处在同一直线上，便于后续的影像分析；

步骤S6、打开上位工控机，在应用程序内导入预先转换好的运动数据，在用户界面上得到其对应的预期运动曲线，作为后续实时反馈的参考；

步骤S7、进行采样操作，表征加速度传感器的实时数据；

步骤S8、运动控制器带动各轴驱动及电机运转，实现三轴的运动模拟，同时使用摄像设备对模拟过程进行录制；

步骤S9、处理数据，得到模型的真实运动状态，并对比输入数据、实时反馈数据以及加速度传感器监测数据。