CN111398036A - 一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，包括沙槽；沙槽内填入有预设厚度的沙土层；沙土层内，埋入式放置有海底防护结构的底部；海底防护结构的前后两侧，分别间隔设置有一条锚链；两条锚链的左端，分别固定连接模拟渔船网纲的前后两端；两条锚链的右端，固定于导向小车左侧的两个锚链定位孔上；导向小车右侧中部的钢丝定位孔与牵引钢丝的左端固定连接；牵引钢丝的右端与一个动力系统相连接；动力系统，用于向牵引钢丝施加横向向右的拉力；牵引钢丝的横向中间部位连接有S形拉力传感器。本发明克服现有技术的不足，能够模拟渔船拖网钩时结构的受力情况，快速准确的实现对海底防护结构的受力分析，得到海底防护结构所受载荷。
Description
技术领域
本发明涉及海底结构物测试技术领域，特别是涉及一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统。
背景技术
近年来，随着海洋油气工程逐渐发展，许多待开发的油气田位置都处于渔船作业区域或航道上，水面油气生产平台将影响渔业作业及其他船舶的正常通行。因此，需要将生产装置移动至水下，并在海底采油设施上加装海底防护结构。考虑到海域内船舶通航、渔船作业等因素，海底防护结构可能受到渔船拖网、船锚拖拽等作业影响，使结构发生破坏，造成重大工程事故。
由于拖网、抛锚等与海底防护结构的相互作用过程会受到船舶航向、航速、拖网、船锚在水下的角度以及海底防护结构构造和复杂的海底环境的影响，同时采用数值仿真的方式实现该过程的受力分析，还存在着一定的技术难度。
因此，目前迫切需要进行海底防护结构与外力相互作用的试验，以更加快速准确的实现对海底防护结构的受力分析，得到海底防护结构所受载荷，从而以此作为海底防护结构的设计依据。
但是，目前还没有一种技术，能够进行海底防护结构与外力相互作用的试验。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统。
为此，本发明提供了一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，包括沙槽；
沙槽内填入有预设厚度的沙土层；
沙土层内，埋入式放置有海底防护结构的底部；
海底防护结构的前后两侧，分别间隔设置有一条锚链；
两条锚链的左端，分别固定连接一个模拟渔船网纲的前后两端；
模拟渔船网纲位于海底防护结构左边的沙土层上；
两条锚链的右端，固定于导向小车左侧前后两端的两个锚链定位孔上；
导向小车右侧中部的钢丝定位孔，与水平横向分布的牵引钢丝的左端固定连接；
牵引钢丝的右端，与一个动力系统相连接；
动力系统，用于向牵引钢丝施加横向向右的拉力；
牵引钢丝的横向中间部位连接有S形拉力传感器，用于在牵引过程中测量牵引钢丝的拉力大小。
其中，沙槽为四周封闭、顶部敞开的长方体空心结构；
沙槽为水密结构，可在试验时进行注水。
其中，沙槽中注入的水的水面，没过沙土层表面。
其中，导向小车的主体为平板结构；
导向小车的左侧前后两端的两个锚链定位孔为轴对称分布；
导向小车的右侧中部，开有钢丝定位孔；
钢丝定位孔，位于导向小车的中轴线上；
导向小车的底部四角，分别安装有一个单向导向轮，该单向导向轮沿着导向小车的横向方向安装；
单向导向轮的方向垂直于导向小车长边的方向；
四个单向导向轮，为轴对称分布。
其中，模拟渔船网纲由铅丝编制而成。
其中，动力系统包括电动机、减速器和绕线轮毂，其中：
电动机、减速器和绕线轮毂，布置在沙槽的右边；
电动机的输出轴与减速机的输入轴相连接，用于驱动减速器转动；
减速器的输出端安装有绕线轮毂，用于带动绕线轮毂转动；
绕线轮毂上缠绕有牵引钢丝的右端。
其中，红外线速度传感器水平固定于牵引钢丝的一侧，用于采集在试验过程中，模拟渔船网纲拖行的运动速度。
其中，还包括计算机数据采集与控制系统；
计算机数据采集与控制系统，通过多条数据传输线，分别与S形拉力传感器、红外线测速传感器和电动机控制器相连接，用于采集在试验运动过程中从S形拉力传感器获得的牵引钢丝所受的拉力，以及采集从红外线测速传感器获得的模拟渔船网纲的拖行速度，然后进行存储；
电动机控制器，与电动机相连接。
其中，计算机数据采集与控制系统，还用于根据红外线速度传感器采集的模拟渔船网纲的实时拖行速度，发送速度调节指令给电动机控制器，从而对电动机的转速进行调节，使得模拟渔船网纲的实时拖行速度符合预设的试验拖行速度数值区间。
其中，计算机数据采集与控制系统，还用于将从S形拉力传感器获得的牵引钢丝所受的拉力值，与预设的拉力保护阈值进行比较，当大于预设的拉力保护阈值时，说明牵引钢丝所受的拉力值过大，从而发送降速控制信号给电动机控制器，降低电动机的转速。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其可以克服现有技术上的不足，能够模拟渔船拖网钩时结构的受力情况，可以更加快速准确的实现对海底防护结构的受力分析，得到海底防护结构所受载荷，从而以此作为海底防护结构的设计依据，具有重要的理论与实际应用价值。
此外，本发明的试验系统，可通过改变模拟渔船网纲的整体刚度、结构下土层的厚度、网纲拖行速度以及小车拖行方向等变量，测试各种海洋环境条件下海底防护结构的受力，达到快速准确地进行结构受力分析。
此外，本发明的试验系统，还可以进一步通过应用智能算法，对实验过程精确控制。
另外，本发明的试验系统，结构简单，功能完备，工作效率高，测试结果精确可靠，具有较高的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统的俯视示意图；
图2为本发明提供的一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统的侧视图；
图3为本发明提供的一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统中，导向小车的结构示意图；
图4为本发明提供的一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统中，导向小车的透视图；
图中：1、沙槽，2、沙土层，3、模拟渔船网纲，4、锚链，5、海底防护结构；
6、导向小车，7、牵引钢丝，8、S形拉力传感器，9、电动机，10、减速机；
11、绕线轮毂，12、红外线测速传感器，13、数据传输线，14、计算机采集与控制系统，15、电动机控制器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定安装，也可以是可拆卸安装。
对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参见图1至图4，本发明提供了一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，包括沙槽1；
沙槽1内填入有预设厚度的沙土层2；
沙土层2内，埋入式放置有海底防护结构5的底部；
海底防护结构5的前后两侧，分别间隔设置有一条锚链4；
两条锚链4的左端，分别固定连接一个模拟渔船网纲3的前后两端；
模拟渔船网纲3位于海底防护结构5左边的沙土层2上；
两条锚链4的右端，固定于导向小车6左侧前后两端的两个锚链定位孔61上；
导向小车6右侧中部的钢丝定位孔62，与水平横向分布的牵引钢丝7的左端固定连接；
牵引钢丝7的右端，与一个动力系统相连接(具体是固定于动力系统中的绕线轮毂11上)；
动力系统，用于向牵引钢丝7施加横向向右的拉力；
牵引钢丝7的横向中间部位连接有S形拉力传感器8，用于在牵引过程中测量牵引钢丝7的拉力大小。
在本发明中，具体实现上，沙槽1为四周封闭、顶部敞开的长方体空心结构。
在本发明中，具体实现上，沙槽1为水密结构，可在试验时进行注水，以更好的模拟海底的沙土层，使试验条件更加符合真实环境，结果更加准确。
具体实现上，沙槽1中注入的水的水面，没过沙土层2表面。
需要说明的是，对于本发明，沙槽1的顶部内侧放置有海底防护结构5，并在沙槽1内填入一定厚度的沙土，保证沙槽1中有充足的沙土，使海底防护结构5的底部埋于沙土层之中。模拟渔船网纲3置于海底防护结构5左前方沙土层之上，两锚链4置于海底防护结构5两侧。
在本发明中，具体实现上，导向小车6的主体为平板结构；
导向小车6的左侧前后两端的两个锚链定位孔61为轴对称分布(即关于中轴线对称分布)；
导向小车6的右侧中部，开有钢丝定位孔62；
钢丝定位孔62，位于导向小车6的中轴线上。
导向小车6的底部四角，分别安装有一个单向导向轮63，该单向导向轮63沿着导向小车6的横向方向安装，并且用于沿着导向小车的横向方向左右移动；
单向导向轮63的方向垂直于导向小车6长边的方向；
四个单向导向轮63，为轴对称分布(即关于中轴线对称分布)，从而可以保证在牵引钢丝7的牵引过程中，在牵引钢丝7的牵引下，导向小车按着模拟渔船网纲的拖拉方向横向左右运动，进行直线运动。
在本发明中，具体实现上，模拟渔船网纲3由铅丝编制而成，按照实际测量件的原型编制。
需要说明的是，通过在模拟渔船网纲中间部位使用麻花形编制，可有效模拟渔船网纲在水下拖行时，两侧分水板提供的向两侧张开的拉力。同时，结构的柔性，也可以使其在与海底防护结构5接触时发生一定的形变，符合真实环境下渔船船锚钩挂住海底结构物时的真实情况。
在本发明中，具体实现上，动力系统包括电动机9、减速器10和绕线轮毂11，其中：
电动机9、减速器10和绕线轮毂11，布置在沙槽1的右边；
电动机9的输出轴与减速机10的输入轴相连接，用于驱动减速器10转动；
减速器10的输出端安装有绕线轮毂11，用于带动绕线轮毂11转动；
绕线轮毂11上缠绕有牵引钢丝7的右端。
需要说明的是，对于本发明，鉴于牵引钢丝7与导向小车6相连接，而导向小车又水平横向连接锚链4，从而通过牵引导向小车6，可以带动试验锚链4与模拟渔船网纲进行横向水平运动。动力系统，可以用于向牵引钢丝7施加横向向右的拉力。
还需要说明的是，电动机9为动力装置，减速机10用于降低电动机9的转速。电动机9的输出轴与减速机10的输入轴连接，减速机10的输出轴与绕线轮毂11连接。将牵引钢丝7的一端固定在绕线轮毂11上，钢丝7的另一端连接于S形拉力传感器。当需要导向小车6向右边拖动模拟渔船网纲时，使用电动机控制器15控制该侧的电动机9，电动机9转动带动绕线轮毂11转动，钢丝7缠绕在绕线轮毂11上，牵引钢丝7牵引导向小车6向右方运动，导向小车6带动锚链4与模拟渔船网纲向右水平运动。
在本发明中，具体实现上，红外线速度传感器12水平固定于牵引钢丝7的一侧(例如前侧或者后侧)，用于采集在试验过程中，模拟渔船网纲拖行的运动速度。
在本发明中，具体实现上，还包括计算机数据采集与控制系统14；
计算机数据采集与控制系统14，通过多条数据传输线13，分别与S形拉力传感器8、红外线测速传感器12和电动机控制器15相连接，用于采集在试验运动过程中从S形拉力传感器8获得的牵引钢丝7所受的拉力，以及采集从红外线测速传感器12获得的模拟渔船网纲的拖行速度，然后进行存储，以便后续的计算和分析；
电动机控制器15，与电动机9相连接。
需要说明的是，在实验进行过程中，开启计算机数据采集与控制系统14(即计算机)上的数据采集软件，对运动过程中牵引钢丝7所受的拉力以及模拟渔船网纲的拖行速度进行采集与存储，用于后续的计算与分析。
具体实现上，计算机数据采集与控制系统14，还用于根据红外线速度传感器12采集的模拟渔船网纲的实时拖行速度，发送速度调节指令给电动机控制器15，从而对电动机9的转速进行调节，使得模拟渔船网纲的实时拖行速度符合预设的试验拖行速度数值区间，最终满足实验中拖行速度的要求。
具体实现上，计算机数据采集与控制系统14，还用于将从S形拉力传感器8获得的牵引钢丝7所受的拉力值，与预设的拉力保护阈值(即安全拉力值)进行比较，当大于预设的拉力保护阈值(即安全拉力值)时，说明牵引钢丝7所受的拉力值过大，从而发送降速控制信号给电动机控制器15，降低电动机9的转速。
需要说明的是，计算机数据采集与控制系统14，可以采用神经网络算法，使用LabVIEW进行编程，通过读取实时拉力信息，远程实现电动机控制器16对电动机9的速度调整，从而控制整体拖曳速度，当S形拉力传感器8所受拉力过大时，可以减慢电动机转速，保护试验装置，实现不同拉力条件下的实时调控和监测。
因此，计算机控制系统16，可以实现在不同拉力条件下，根据实时速度与拉力大小，操纵电动机控制器16对电动机9的速度进行调整，使其拖拉速度符合试验要求。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例来进行说明。
首先，计算海底防护结构5所需埋深，根据所需要的埋深在沙槽1中填入适量的沙土，并调整沙土高度使其符合所需要的埋深。调整海底防护结构5前方的沙土表面，使其符合试验要求所需的表面形式。向沙槽1中注水，直至水面没过沙土层2表面。
然后，根据原型渔船网纲在拖行时两端分水板向两边的拉力，计算出原型渔船网纲的等效刚度，并进行换算，折算至模拟渔船网纲的刚度。再依据计算出的模拟渔船网纲的刚度，进行铅丝的编制，使其长度、刚度等属性符合试验要求。将编制好的模拟渔船网纲的两端与锚链4相连接，锚链4的另一端与导向小车6前端相连。在连接完成之后，将模拟渔船网纲水平放置于海底防护结构5前方，锚链4水平置于海底防护结构5两侧且平行于其两侧边，导向小车6停于沙槽1右后方。
接着，将牵引钢丝7的两端，分别固定于导向小车6的右边与绕线轮毂11之上，保证牵引钢丝7松弛，避免实验过程中钢丝张力对采集的数据产生影响。
接着，调整好S形拉力传感器8与红外线测速传感器12的位置，梳理好数据传输线13，保证在实验过程中传感器与线材不会影响到实验进行。调整计算机端的计算机采集与控制系统14，准备进行试验。
接着，在试验开始前，一人操作计算机采集与控制系统14，设定拉力保护阈值并开始进行数据的采集，另一人操纵电动机控制器15，调整电动机9转速，使导向小车6的拖行速度尽量接近计算得出的模拟渔网网纲3的拖行速度。后续速度调整，由计算机采集与控制系统14完成。试验开始后，等待模拟渔网网纲3钩挂住海底防护结构5，模拟渔网网纲3钩挂之后导向小车6还将继续前进一段距离，使模拟渔网网纲3产生一定程度的形变。待导向小车6不再继续向左前方运动后，先后停止电动机9以及计算机采集与控制系统14。
然后，导出计算机采集系统14所采集的数据，操纵电动机控制器15，反转电动机9，使导向小车6回归原位。重新调整海底防护结构5左前方的沙土表面，使其符合试验要求所需的表面形式。恢复模拟渔网网纲3所产生的形变，并将其重新放置于海底防护结构5左前方的沙土表面上。准备进行下一组试验。
需要说明的是，基于以上技术方案可知，本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供一种测量渔船拖网对海底防护结构拖拽影响的试验系统，用于测量不同航行速度下，拖网网纲钩挂住海底防护结构的拖拽力大小。本发明的试验系统，能够有效控制试验模拟渔船网纲的方向与速度，确保试验工况的作业条件，并且本发明的试验系统可以调节模拟渔船网纲的刚度与尺寸，准确模拟在真实情况下两者的相互作用，以让测量的拖拽力更加接近海底防护结构在真实状态下的受力。
与现有技术相比较，本发明提供的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，具有如下有益效果：
1、本发明的试验系统，可实现不同渔网网纲的模拟。根据缩尺比，得到网纲试验模型的刚度，并根据需要对模拟渔船网纲的铅丝进行编制，使其符合实验要求。通过调整铅丝的粗细、长短与编制方式，该实验系统可以模拟不同大小的渔船船网与各种分水板所提供的渔网张开力，实现不同类型、刚度渔船渔网的模拟，满足试验要求。
2、本发明的试验系统，可实现对不同海底土壤条件与不同结构埋深的模拟。通过实验前对海底防护结构周围沙土层的处理，可以模拟不同海底土壤条件，包括海床的深度、平坦度及结构埋深等。
3、本发明的试验系统，可通过对电机转速的调整以及对小车行进方向的调整，实现对不同航行方向、不同航速条件下的渔船拖网模拟试验研究。
4、本发明的试验系统，进行试验过程的步骤少，操作简单。在试验过程中，一人进行电机开关控制，一人负责软件操作与数据采集，两人配合即可完成试验的操作与数据采集，无需耗费过多的人力。
5、本发明的试验系统，其试验结果由拉力传感器与红外线测速传感器采集并上传到采集系统，便于后续对实验结果的计算与分析，整体试验操作简单，数据精准。
6、本发明的试验系统，采用智能控制系统，可实现对电动机转速的实时控制。计算机控制系统可根据当前计算机采集系统采集到的实时速度信息与拉力信息，计算实时速度与试验所需速度的差异，以此做出对电动机控制器的调节，对电动机进行转矩补偿，保持速度恒定，实现对于不同种类的模拟渔船网纲模型拖拉速度的精确控制。本发明可设定拉力阈值，在拉力传感器所采集的数据达到该阈值的情况下，自动减慢电动机的转速，有效保护整套试验装置。
7、本发明的试验系统，具有一定的自学习能力，可以保证在各种复杂的情况下，准确快速地做出预调整，确保在较短的试验流程中有效的控制与调整拖拉的速度。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其可以克服现有技术上的不足，能够模拟渔船拖网钩时结构的受力情况，可以更加快速准确的实现对海底防护结构的受力分析，得到海底防护结构所受载荷，从而以此作为海底防护结构的设计依据，具有重要的理论与实际应用价值。
此外，本发明的试验系统，可通过改变模拟渔船网纲的整体刚度、结构下土层的厚度、网纲拖行速度以及小车拖行方向等变量，测试各种海洋环境条件下海底防护结构的受力，达到快速准确地进行结构受力分析。
此外，本发明的试验系统，还可以进一步通过应用智能算法，对实验过程精确控制。
另外，本发明的试验系统，结构简单，功能完备，工作效率高，测试结果精确可靠，具有较高的工程实用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，包括沙槽(1)；
沙槽(1)内填入有预设厚度的沙土层(2)；
沙土层(2)内，埋入式放置有海底防护结构(5)的底部；
海底防护结构(5)的前后两侧，分别间隔设置有一条锚链(4)；
两条锚链(4)的左端，分别固定连接一个模拟渔船网纲(3)的前后两端；
模拟渔船网纲(3)位于海底防护结构(5)左边的沙土层(2)上；
两条锚链(4)的右端，固定于导向小车(6)左侧前后两端的两个锚链定位孔(61)上；
导向小车(6)右侧中部的钢丝定位孔(62)，与水平横向分布的牵引钢丝(7)的左端固定连接；
牵引钢丝(7)的右端，与一个动力系统相连接；
动力系统，用于向牵引钢丝(7)施加横向向右的拉力；
牵引钢丝(7)的横向中间部位连接有S形拉力传感器(8)，用于在牵引过程中测量牵引钢丝(7)的拉力大小。
2.如权利要求1所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，沙槽(1)为四周封闭、顶部敞开的长方体空心结构；
沙槽(1)为水密结构，可在试验时进行注水。
3.如权利要求2所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，沙槽(1)中注入的水的水面，没过沙土层(2)表面。
4.如权利要求1所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，导向小车(6)的主体为平板结构；
导向小车(6)的左侧前后两端的两个锚链定位孔(61)为轴对称分布；
导向小车(6)的右侧中部，开有钢丝定位孔(62)；
钢丝定位孔(62)，位于导向小车(6)的中轴线上；
导向小车(6)的底部四角，分别安装有一个单向导向轮(63)，该单向导向轮(63)沿着导向小车(6)的横向方向安装；
单向导向轮(63)的方向垂直于导向小车(6)长边的方向；
四个单向导向轮(63)，为轴对称分布。
5.如权利要求1所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，模拟渔船网纲(3)由铅丝编制而成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，动力系统包括电动机(9)、减速器(10)和绕线轮毂(11)，其中：
电动机(9)、减速器(10)和绕线轮毂(11)，布置在沙槽(1)的右边；
电动机(9)的输出轴与减速机(10)的输入轴相连接，用于驱动减速器(10)转动；
减速器(10)的输出端安装有绕线轮毂(11)，用于带动绕线轮毂(11)转动；
绕线轮毂(11)上缠绕有牵引钢丝(7)的右端。
7.如权利要求6所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，红外线速度传感器(12)水平固定于牵引钢丝(7)的一侧，用于采集在试验过程中，模拟渔船网纲拖行的运动速度。
8.如权利要求7所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，还包括计算机数据采集与控制系统(14)；
计算机数据采集与控制系统(14)，通过多条数据传输线(13)，分别与S形拉力传感器(8)、红外线测速传感器(12)和电动机控制器(15)相连接，用于采集在试验运动过程中从S形拉力传感器(8)获得的牵引钢丝(7)所受的拉力，以及采集从红外线测速传感器(12)获得的模拟渔船网纲的拖行速度，然后进行存储；
电动机控制器(15)，与电动机(9)相连接。
9.如权利要求8所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，计算机数据采集与控制系统(14)，还用于根据红外线速度传感器(12)采集的模拟渔船网纲的实时拖行速度，发送速度调节指令给电动机控制器(15)，从而对电动机(9)的转速进行调节，使得模拟渔船网纲的实时拖行速度符合预设的试验拖行速度数值区间。
10.如权利要求8所述的测量海底结构受力的智能拖拉试验系统，其特征在于，计算机数据采集与控制系统(14)，还用于将从S形拉力传感器(8)获得的牵引钢丝(7)所受的拉力值，与预设的拉力保护阈值进行比较，当大于预设的拉力保护阈值时，说明牵引钢丝(7)所受的拉力值过大，从而发送降速控制信号给电动机控制器(15)，降低电动机(9)的转速。
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