CN110987670A - 模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置及方法，由模拟水槽及土箱、船舶运动及落物抛放系统、管缆模型及测量系统、控制主机及同步器四部分组成，可以模拟运动状态的船舶紧急抛锚时对潜埋管缆的撞击过程，并对撞击瞬时过程进行捕捉，将产生的数据进行分析研究，采用光纤应变传感器及微型压力传感器，相较于传统方式不会影响管缆的外观尺寸、结构强度和力学性能，使得测试结果更准确更接近于现实，同时采用同步器将应变测量、撞击力测量、落物速度测量和土体测量仪器进行控制，实现各物理参数的同步测量和记录，有利于撞击过程及管缆损伤机理的揭示和分析。
Description
技术领域
本发明主要涉及港口、海洋、交通工程领域，尤其涉及一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置及方法。
背景技术
海底隧道、输油管道以及通信光缆等水下管缆结构是一类相似的海洋工程结构类型，在海上交通，海洋能源以及管线通信等领域都起到重要的作用。这类管缆结构通常埋设在海床表面以下一定深度的地方，上方有覆盖层进行保护。随着海上航运业的快速发展，港口覆盖的近海区域越来越大，船舶吨位也朝着大型化发展，海上船舶进出港的密集程度也大大提高，尤其当水下管缆结构不可避免穿越港口区域时，大型船舶紧急抛锚以及船舶集装箱滑落等情况，将极有可能对位于海床中的管缆结构形成冲击，造成水下管缆的损害，近些年来相关的事件屡有发生。这些管缆结构一旦损坏，对于交通、能源及通信方面将造成无法估算的损失。
因此，预测和研究船舶紧急抛锚以及落物对于海床中潜埋管缆的冲击效应，有利于管缆上部覆盖保护层的选型和设计，这对于水下潜埋管缆的安全运行和维护至关重要。由于海床土体性质的各向异性以及保护层材料的离散性，数值模型很难真实还原船舶应急抛锚对潜埋管缆的作用过程。因此，通过物理模型实验来模拟船舶紧急抛锚和落物对潜埋管缆的冲击过程，是一种有效而可靠的研究手段。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置及方法，用于进行预测和研究潜埋管缆受落物冲击效应的实验，通过模拟实验装置模拟了落物对管缆撞击的瞬时状态，同时利用同步器对撞击瞬时的参数进行同步分析。
(二)技术方案
本发明提供了一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，包括模拟水槽及土箱系统、船舶运动及落物抛放系统、管缆模型及测量系统以及在模拟水槽外部设置的控制主机及同步器，其中，
模拟水槽及土箱系统包括：波流水槽、模型土箱、水体、地基土体和覆盖层，用于模拟外部水动力条件、海床地基及覆盖层，其中地基土体铺设在模型土箱底部，放置管缆模型后用覆盖层覆盖，模型土箱下沉式设计于波流水槽底部中间段，表面高程与两侧波流水槽底部相平；
船舶运动及电磁落物抛放装置包括：导轨、水平滑动平台、驱动电机、电磁吸附装置和落物模型，用于模拟船舶的运动以及物体的抛放过程；
管缆模型及测量系统包括：管缆模型、光纤应变传感器、微型压力传感器以及在水槽外部垂直玻璃侧壁布置的高速摄像机，用于落物运动以及管缆的变形和受力的测量；
同步器连接光纤应变传感器、微型压力传感器以及高速相机进行同步控制，控制主机连接并控制同步器、水平滑动平台以及电磁落物抛放装置。
其中，管缆模型的材料采用钢或铝或PE、PVC；管缆模型内部填充配重。
其中，在管缆模型的环向表面的下端和两侧端分别布置有一道光纤应变传感器阵列，每道光纤应变传感器阵列在管缆模型表面轴向方向以间隔设置多个光纤应变传感器。
其中，采用热缩套管在光纤应变传感器阵列外侧进行封装保护。
其中，微型压力传感器设置在管缆模型环向表面的上端，采用嵌入式设计，使传感器探头与管壁表面持平。
其中，模型土箱设置于波流水槽中间段，采用下沉式设计，使其表面高程与两侧波流水槽底部相平，波流水槽和模型土箱均采用透明玻璃制成。
其中，在模型水槽两侧边壁上沿设有所述导轨，横跨在导轨上安装有所述水平滑动平台，由驱动电机控制水平滑动平台在导轨上水平运动。
其中，水平滑动平台底部安装有电磁吸附装置吸附落物模型并进行水平运动，水平滑动平台可从静止加速且到达预定位置时，电磁吸附装置断电，落物模型抛落。
一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验方法，步骤如下：
步骤S1：将模型土箱底部铺设土样以模拟地基，对土样进行压实处理，待其排水固结变密实，形成地基土体；
将管缆模型布置于地基之上，使微型压力传感器处于正上方；
在管缆上覆盖多层不同颜色的土层材料形成覆盖层，利用不同颜色将各层覆盖土体材料进行区分，并保证每一分层厚度均匀，进行二次排水固结压实；
步骤S2：在波流水槽外部垂直玻璃侧壁布置一台高速摄像机；
步骤S3：将管缆模型上的光纤应变传感器、微型压力传感器以及水槽外部的高速摄像机连接同步器，并连接于控制主机；
将水平滑动平台拉至管缆上游一定距离处就位，将电磁铁通电，将落物模型挂至电磁铁之上，水平滑动平台和电磁铁开关均与控制主机连接；
步骤S4：向水槽中注水直至设计水深，并在水槽中生成波浪和水流；
步骤S5：通过主机控制水平滑动平台的运动速度，同时利用同步器控制打开各传感器，使其进入工作状态；
当水平滑动平台运动到预定位置处，通过控制主机断开电磁吸附装置电源，使落物模型以一定的水平速度落下，并正好击中管缆模型上方的土层表面，各传感器同步记录各传感器数据；
步骤S6：进行后期实验数据处理。
步骤S6中的数据处理包括：通过光纤应变传感器分析管缆模型的变形状态；通过微型压力传感器分析落物冲击作用力；通过高速摄像机分析落物冲击海床过程中的速度和落物的入土深度；上层土层的最终变形情况。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明中的传感器具有尺寸小，信号灵敏度高，精度高，抗干扰能力强，且可安置于管缆模内部，仅将探头露出管道表面，不会影响管缆的外观尺寸和结构强度，不会对结构的力学性能产生额外影响等较大优势，适合落物撞击管缆的高速瞬时测试。
本发明采用同步器，将应变测量、撞击力测量、落物速度测量和土体测量仪器利用同步器进行控制，实现各物理参数的同步测量和记录，有利于受力过程及管缆损伤机理的揭示和分析。
附图说明
图1a为管道模型布置环向示意图。
图1b为管道模型布置轴向示意图。
图2a为波流水槽侧视图。
图2b为波流水槽剖面图。
符号说明
1 管缆模型
2 光纤应变传感器
3 微型压力传感器
4 内部配重
5 土箱
6 水槽
7 水平滑动平台
8 落物模型
9 电磁吸附装置
10 电机
11 地基
12 覆盖层
13 控制主机
14 同步器
15 高速摄像机
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，由以下四部分组成：
模拟水槽及土箱系统，包括：波流水槽(采用玻璃侧壁)、模型土箱(采用玻璃侧壁)、水体、地基土体和覆盖层，用于模拟外部水动力条件、海床地基及覆盖层。
船舶运动及电磁落物抛放装置，包括：导轨、水平滑动平台、驱动电机、电磁吸附装置和落物模型，用于模拟船舶的运动以及物体的抛放过程。
管缆模型及测量系统，包括：管缆模型、光纤应变传感器、微型压力传感器以及水槽外部的高速摄像机，用于落物运动及管缆的变形和受力测量。
控制主机及同步器，包括：同步器，用于连接光纤应变传感器、微型压力传感器以及高速相机等进行同步控制；控制主机，用于控制同步器、水平滑动平台以及电磁落物抛放装置。
其中，实验中的管缆模型可根据原型存在问题的不同，采用不同材料制成，对于海底隧道等尺寸和刚度较大的结构物可采用钢管或铝管等材料；对于海底光缆等相对较柔软的结构物可采用硬橡胶管；对于海底输油气管道，其尺寸和刚度介于前述二者之间，可采用PE或PVC管。管缆模型的外形尺寸将基于几何相似原理确定，管缆模型壁厚根据水弹性相似原理确定。同时在管缆模型内部填充配重以确保管缆模型和原型的平均密度相同。管缆模型的长度与波流水槽以及所放置模型土箱宽度相同。
由于管缆模型的变形属于弹性变形范围内，其上表面和下表面的变形近似相同，因此上下表面数值相同，方向(数值正负)相反。在管缆模型的环向表面的下端B和两侧端L、R各布置一道光纤应变传感器阵列，本发明采用光纤光栅传感器，如图1a所示，每道光纤应变传感器阵列在管道轴向方向以一定间距设置若干个应变测量点(光纤光栅传感器)。本发明设定落物模型落下后击中管缆模型的中部，其附近变形变化较大，因此在管缆模型中心部附近将应变测量点设置相对密集，两端远处应变测量点可以相对稀疏，如图2所示。由于光纤光栅传感器抗剪能力差，在剪切力的作用下易折断，因此需要对光纤应变传感器阵列进行特殊的封装，如采用热缩套管在外侧进行保护。基于类似实验，管缆模型上表面由于落物模型直接撞击作用，极易造成光纤应变传感器的破坏失效，本发明通过下表面的应变，利用上下表面弹性形变近似相同，但数值相反的特点，反推出上表面的应变数值。
由于微型压力传感器较为稳固，不易损坏，适合瞬间的测量，本发明将微型压力传感器设置在管缆模型管壁的上端，采用嵌入式设计，使传感器表面与管壁表面持平，数据线由管内穿过，并从管端引出，连接同步器，如图1所示。微型压力传感器在管缆模型水平轴向设置方式与光纤应变传感器相同，如图1a中U位置所示。
本发明所述的撞击实验在波流水槽中进行，可以同时模拟港口区域的水动力条件，考虑了波浪、水流对于物体下落的影响。在波流水槽中间段设置一模型土箱，该模型土箱采用下沉式设计，即模型土箱的表面高程与两侧波流水槽底部相平，波流水槽和模型土箱均采用透明玻璃制成，以便于外部摄像机拍摄，对落物模型下落的过程进行捕捉，尤其是撞击之前的瞬间运动的捕捉。同时模型土箱的透明侧壁还可以测量落物模型落入海床中的深度以及捕捉土体变形的过程。
本发明在模型水槽两侧边壁的上沿设有一导轨，横跨在导轨上安装有一水平滑动平台，由驱动电机控制其在导轨上水平运动，通过设定水平滑动平台的速度来模拟不同的船舶运行状态。本发明还在水平滑动平台底部设置有电磁吸附装置，利用电磁技术实现对物体的抛射控制，即利用电磁吸附装置将落物模型吸附并进行水平初始运动，实验开始时，水平滑动平台在位于管缆模型上游的一定位置处开始从静止加速，在具有一定速度且达到某一位置时，电磁吸附装置断电，落物模型和水平滑动平台分离，使落物模型在具有一定水平初速的状态下，做自由落体运动，此过程可由计算机实现精确控制，根据具有初速度的自由落体运动公式计算出物体抛出的位置，使其恰好击中管缆上方的海床，如图2所示。
根据以上装置，本发明提供了一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验方法，步骤如下：
步骤S1：将模型土箱底部铺设一定厚度的土样以模拟地基，对土样进行压实处理，待其排水固结变密实，形成地基土体；
将管缆模型布置于地基之上，使微型压力传感器处于正上方，如图1所示的方向；
根据设计的管缆上覆盖多层不同颜色的土层材料形成覆盖层，利用不同颜色将各层覆盖土体材料进行区分，并保证每一分层厚度均匀，进行二次排水固结压实；
步骤S2：在波流水槽外部垂直玻璃侧壁布置高速摄像机一部，用以记录物体落下的全部过程；
步骤S3：将管缆模型上的光纤应变传感器、微型压力传感器以及水槽外部的高速摄像机连接同步器，并连接于控制主机；
将水平滑动平台拉至管缆上游一定距离处就位，将电磁铁通电，将落物模型挂至电磁铁之上，水平滑动平台和电磁铁开关均与控制主机连接；
步骤S4：向水槽中注水直至设计水深，并在水槽中生成波浪和水流，模拟真实自然水动力条件；
步骤S5：通过主机控制水平滑动平台的运动速度，同时利用同步器控制打开各传感器，使其进入工作状态；
当水平滑动平台运动到预定位置处，通过控制主机断开电磁吸附装置电源，使物体以一定的水平速度落下，并正好击中管缆模型上方的土层表面，各传感器同步记录各传感器数据；
步骤S6：进行后期实验数据处理。基于模态分析方法对光纤应变传感器分析管缆模型的变形状态；通过微型压力传感器的数据直接测量落物冲击作用力；利用图像处理方法对高速摄像机视频进行分析获取落物冲击海床过程中的速度和落物的入土深度。此外由于管缆模型上层土体各层呈不同颜色，以便于通过土层断面的观察，分析上层土层的最终变形情况。
本发明中水下潜埋的管缆模型受冲击变形过程采用光纤应变传感器进行测量，相对于传统的加速度传感器和电阻应变片等，光纤应变传感器具有尺寸小，直径仅有0.5mm，信号灵敏度高，采集频率可高达到5000hz，精度高，抗干扰能力强，不会对结构的力学性能产生额外影响等较大优势，适合落物撞击管缆的高速瞬时测试。
本发明利用微型压力传感器对落物对管缆撞击过程中的作用力进行测量，由于传统的力传感器体积较大，灵敏度不足，没有对落物撞击力进行直接测量的案例，本发明采用微型压力传感器，尺寸为直径6mm，长度16mm，尺寸小，嵌入式安置于管缆模型管壁上端，仅将探头露出管道表面，不会影响管缆的外观尺寸和结构强度，数据线由管内穿过，并由管端引出。
由于落物对土层中潜埋的管缆的撞击是瞬间过程，本发明中测量的内容包括管缆模型的局部应变、冲击作用力、落物速度和土体变形。如果这些测量仪器逐一操作控制，很难及时捕捉整个冲击过程，而且也无法将冲击过程中各个因素关联起来，从而分析落物撞击管缆的力学过程，本发明采用同步器，将应变测量、撞击力测量、落物速度测量和土体测量仪器利用同步器进行控制，实现各物理参数的同步测量和记录，有利于受力过程及管缆损伤机理的揭示和分析。
传统对于船舶落物的模拟是物体静止落下后撞击管缆上方海床表面，由于船舶处于运动状态，因此传统实验中无法模拟物体落下时所具有的水平初速，本发明设计一组水平滑动平台以模拟船舶的水平运动，是落物在具有一定水平初速的情况下抛落，可以更加准确的模拟物体下落的运动状态，同时采用电磁吸附装置来实现落物的准确，快速抛放过程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，包括模拟水槽及土箱系统、船舶运动及落物抛放系统、管缆模型及测量系统以及在模拟水槽外部设置的控制主机及同步器，其中，
模拟水槽及土箱系统包括：波流水槽、模型土箱、水体、地基土体和覆盖层，用于模拟外部水动力条件、海床地基及覆盖层，其中地基土体铺设在模型土箱底部，放置管缆模型后用覆盖层覆盖，模型土箱下沉式设计于波流水槽底部中间段，表面高程与两侧波流水槽底部相平；
船舶运动及电磁落物抛放装置包括：导轨、水平滑动平台、驱动电机、电磁吸附装置和落物模型，用于模拟船舶的运动以及物体的抛放过程；
管缆模型及测量系统包括：管缆模型、光纤应变传感器、微型压力传感器以及在水槽外部垂直玻璃侧壁布置的高速摄像机，用于落物运动以及管缆的变形和受力的测量；
同步器连接光纤应变传感器、微型压力传感器以及高速相机进行同步控制，控制主机连接并控制同步器、水平滑动平台以及电磁落物抛放装置。
2.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，管缆模型的材料采用钢或铝或PE、PVC；管缆模型内部填充配重。
3.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，在管缆模型的环向表面的下端和两侧端分别布置有一道光纤应变传感器阵列，每道光纤应变传感器阵列在管缆模型表面轴向方向以间隔设置多个光纤应变传感器。
4.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，采用热缩套管在光纤应变传感器阵列外侧进行封装保护。
5.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，微型压力传感器设置在管缆模型环向管壁的上端，采用嵌入式设计，使传感器探头与管壁表面持平。
6.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，模型土箱设置于波流水槽中间段，采用下沉式设计，使其表面高程与两侧波流水槽底部相平，波流水槽和模型土箱均采用透明玻璃制成。
7.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，在模型水槽两侧边壁上沿设有所述导轨，横跨在导轨上安装有所述水平滑动平台，由驱动电机控制水平滑动平台在导轨上水平运动。
8.根据权利要求1所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置，其特征在于，水平滑动平台底部安装有电磁吸附装置吸附落物模型并进行水平运动，水平滑动平台可从静止加速且到达预定位置时，电磁吸附装置断电，落物模型抛落。
9.一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验方法，其特征在于，步骤如下：
步骤S1：将模型土箱底部铺设土样以模拟地基，对土样进行压实处理，待其排水固结变密实，形成地基土体；
将管缆模型布置于地基之上，使微型压力传感器处于正上方；
在管缆上覆盖多层不同颜色的土层材料形成覆盖层，利用不同颜色将各层覆盖土体材料进行区分，并保证每一分层厚度均匀，进行二次排水固结压实；
步骤S2：在波流水槽外部垂直玻璃侧壁布置一台高速摄像机；
步骤S3：将管缆模型上的光纤应变传感器、微型压力传感器以及水槽外部的高速摄像机连接同步器，并连接于控制主机；
将水平滑动平台拉至管缆上游一定距离处就位，将电磁铁通电，将落物模型挂至电磁铁之上，水平滑动平台和电磁铁开关均与控制主机连接；
步骤S4：向水槽中注水直至设计水深，并在水槽中生成波浪和水流；
步骤S5：通过主机控制水平滑动平台的运动速度，同时利用同步器控制打开各传感器，使其进入工作状态；
当水平滑动平台运动到预定位置处，通过控制主机断开电磁吸附装置电源，使落物模型以一定的水平速度落下，并正好击中管缆模型上方的土层表面，各传感器同步记录各传感器数据；
步骤S6：进行后期实验数据处理。
10.根据权利要求9所述的一种模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验方法，其特征在于，步骤S6中的数据处理包括：通过光纤应变传感器分析管缆模型的变形状态；通过微型压力传感器分析落物冲击作用力；通过高速摄像机分析落物冲击海床过程中的速度和落物的入土深度；上层土层的最终变形情况。
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