CN111626007B - 一种脐带缆动力学模型验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海缆试验系统，特别涉及一种脐带缆动力学模型验证系统。包括可调升降平台、脐带缆固定支架、三维力传感器、浮游平台、缆线收放装置及脐带缆；可调升降平台设置于浮游平台上，浮游平台用于在水上漂浮；脐带缆固定支架设置于可调升降平台上，并且通过可调升降平台的驱动进行升降动作；三维力传感器设置于脐带缆固定支架上；脐带缆的首端与三维力传感器连接，末端为自由端，该自由端可深入水中；缆线收放装置设置于陆地上，并且与浮游平台连接；缆线收放装置用于浮游平台的收放。本发明可以稳定模拟在母船升沉和海流流速联合激励下脐带缆的水下运动和受力状态，验证动力学数学模型的正确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种海缆试验系统，特别涉及一种脐带缆动力学模型验证系统。
背景技术
目前，国内外深海ROV(遥控无人潜水器)的脐带缆通常为钢丝反螺旋铠装缆，在支持母船和潜水器之间起着物理连接、能源供给与信息传输等重要作用。脐带缆在母船升沉、海流流速和自身刚度等影响下在水下有着复杂的动态特性。脐带缆在海流作用下会产生弯曲和空间形状变化，在高海况下脐带缆内部会出现高低张力剧烈交替的现象，若缆的强度不足时，极易发生断裂，引起ROV丢失事故。如何从原理上揭示水下脐带缆系统在深水环境中复杂的动力学特性以及从实际措施上降低铠缆张力是当前深海ROV走向深海作业所需解决的关键问题。为了防止意外的发生，有必要建立脐带缆的动态数学模型，提前预测脐带缆在母船升沉和海流等联合激励下脐带缆的水下形态和受力状态，用以评估能否可以安全使用，是否有必要采取其他张力抑制措施。动力学数学模型建立后，需有专用的试验系统对模型进行验证，但目前还没有专门的脐带缆动力学验证试验系统，这样不利于脐带缆的安全使用评估。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种脐带缆动力学模型验证系统，以便于脐带缆的安全使用评估。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种脐带缆动力学模型验证系统，包括可调升降平台、脐带缆固定支架、三维力传感器、浮游平台、缆线收放装置及脐带缆；
所述可调升降平台设置于所述浮游平台上，所述浮游平台用于在水上漂浮；
所述脐带缆固定支架设置于所述可调升降平台上，并且通过可调升降平台的驱动进行升降动作；
所述三维力传感器设置于所述脐带缆固定支架上；
所述脐带缆的首端与所述三维力传感器连接，末端为自由端，该自由端可深入水中；
所述缆线收放装置设置于陆地上，并且与所述浮游平台连接；所述缆线收放装置用于所述浮游平台的收放。
所述浮游平台上设有通孔，所述脐带缆的自由端穿过该通孔。
所述浮游平台包括上平台、支撑柱及下平台，其中上平台与下平台平行设置，并且所述上平台通过支撑柱与下平台连接；所述下平台采用浮力材料制成；所述可调升降平台设置于所述上平台上。
所述上平台和所述下平台均为圆形结构，并且所述上平台的直径小于所述下平台的直径。
所述上平台和所述下平台的中心位置均设有用于所述脐带缆穿过的所述通孔。
所述缆线收放装置包括缆线导向器、电动绞车及收放缆线，其中收放缆线缠绕于电动绞车上，并且末端经过缆线导向器后与所述浮游平台连接。
所述可调升降平台包括上固定板、丝杠、导杆、滑块、下固定板及旋转驱动电机，其中下固定板设置于所述浮游平台上，所述上固定板通过导杆与下固定板连接，所述丝杠的两端分别可转动地与上固定板和下固定板连接；所述滑块通过丝母与所述丝杠连接，并且所述滑块与所述导杆滑动连接，所述滑块与所述脐带缆固定支架连接；所述旋转驱动电机设置于所述浮游平台上，并且输出端与所述丝杠连接。
所述脐带缆固定支架的底部设有传感器安装孔，所述传感器安装孔的轴线与所述浮游平台的中心轴线共线。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明可以稳定模拟在母船升沉和海流流速联合激励下脐带缆的水下运动和受力状态，验证动力学数学模型的正确性；
2.本发明的验证系统具有结构简单、操作方便、通用性强等特点，可拓展应用到海上拖曳领域。
附图说明
图1为本发明脐带缆动力学模型验证系统的结构示意图。
图中：1为可调升降平台，2为脐带缆固定支架，3为三维力传感器，4为浮游平台，5为脐带缆，6为缆线导向器，7为电动绞车，11为上固定板，13为丝杠，14为导杆，15为滑块，16为收放缆线，17为上平台，18为支撑柱，19为下平台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种脐带缆动力学模型验证系统，包括可调升降平台1、脐带缆固定支架2、三维力传感器3、浮游平台4、缆线收放装置及脐带缆5，其中可调升降平台1设置于浮游平台4上，浮游平台4用于在水上漂浮；脐带缆固定支架2设置于可调升降平台1上，并且通过可调升降平台1的驱动进行升降动作；三维力传感器3设置于脐带缆固定支架2上，脐带缆5的首端与三维力传感器3连接，末端为自由端，该自由端可深入水中；缆线收放装置设置于陆地上，并且与浮游平台4连接；缆线收放装置用于浮游平台4的收放。
进一步地，浮游平台4上设有通孔，脐带缆5的自由端穿过该通孔。
本发明的实施例中，浮游平台4包括上平台17、支撑柱18及下平台19，其中上平台17与下平台19平行设置，并且上平台17通过支撑柱18与下平台19连接；下平台19采用浮力材料制成，可在水上漂浮；可调升降平台1设置于上平台17上。
具体地，如图1所示，上平台17和下平台19均为圆形结构，并且上平台17的直径小于下平台19的直径，上平台17通过三个支撑柱18与下平台19连接，三个支撑柱18形成三角支撑，保证整体装置的稳定性，整体重心分布于底部。
进一步地，上平台17和下平台19的中心位置均设有用于脐带缆5穿过的通孔，脐带缆5的自由端穿过上平台17和下平台19上的通孔后深入水中。
本发明的实施例中，缆线收放装置包括缆线导向器6、电动绞车7及收放缆线16，其中收放缆线16缠绕于电动绞车7上，并且末端经过缆线导向器6后与浮游平台4的上平台17连接。电动绞车7安装于测试用水池岸边，利用外接电源供电，通过电动绞车7实现收放缆线16的释放和回收，从而实现浮游平台4的释放和回收。
本发明的实施例中，可调升降平台1包括上固定板11、丝杠13、导杆14、滑块15、下固定板及旋转驱动电机，其中下固定板设置于浮游平台4上，上固定板11通过导杆14与下固定板连接，丝杠13的两端分别可转动地与上固定板11和下固定板连接；滑块15通过丝母与丝杠13连接，并且滑块15与导杆14滑动连接，滑块15与脐带缆固定支架2连接；旋转驱动电机设置于浮游平台4上，并且输出端与丝杠13连接。旋转驱动电机驱动丝杠13转动，丝杠13通过丝母带动滑块15沿导杆14进行升降，从而带动脐带缆5进行沉浮动作。
具体地，脐带缆固定支架2的底部设有传感器安装孔，该传感器安装孔的轴线与浮游平台4的中心轴线共线。三维力传感器3安装在脐带缆固定支架2底部的传感器安装孔内，三维力传感器3外形为一圆柱体，三维力传感器3与可调升降平台1相连，脐带缆5与三维力传感器3相连，安装后保证脐带缆5与三维力传感器3轴线共线，并且保证脐带缆5与浮游平台4轴线共线，脐带缆5的自由端垂入水中。三维力传感器3的数据实时存入自备存储器。
本发明的工作原理是：
浮游平台4的顶部固定有可调升降平台1，以实现控制脐带缆5沿竖直方向进行升沉运动；脐带缆固定支架2与可调升降平台1的滑块15相连，通过可调升降平台1控制脐带缆5沿竖直方向进行升沉运动；三维力传感器3的两端分别与脐带缆固定支架2和脐带缆5相连，以实现对脐带缆5的固定端张力的测定，脐带缆5的自由端沉入水中。
本发明的工作过程如下：
将可调升降平台1、脐带缆固定支架2、三维力传感器3、脐带缆5与浮游平台4依次安装，通过调节浮游平台4配重，保证在岸上安装完毕后，整个装置重心基本位于浮游平台4的中轴线上。其中三维力传感器3沿Z轴方向分别与脐带缆5及脐带缆固定支架2相连，三位力传感器3的数据输出端与数据采集卡相连。将电动绞车7固定于距水池边缘约1m位置，出线侧面向水池，外接电源；收放缆线16穿过缆线导向器6后系于浮游平台4一侧的挂钩上。缆线导向器6的出线方向与水池边沿垂直，与实验方向一致。将浮游平台4置于水池中，并人工拖曳至水池中距水池边沿5m处。依次开启可调升降平台1和电动绞车7，电动绞车7进行收线动作，以实现带动浮游平台4向岸边移动；通过可调升降平台1控制脐带缆5沿竖直方向进行升沉运动，可调升降平台自备电源；通过三维力传感器3实现对脐带缆5的固定端张力的测定。待浮游平台4接近水池边沿，依次关闭电动绞车7和可调升降平台1，从与三维力传感器3相连的数据采集卡中读取实验数据。通过数据采集可得到三维力传感器受力随时间的变化曲线。再利用脐带缆动力学模型，给定与试验相同的运动规律并进行仿真，获得脐带缆首端张力随时间的变化的变化曲线，并与试验曲线进行对比，通过两曲线的相似程度，验证脐带缆动力学模型的正确性。
本发明可以稳定模拟在母船升沉和海流流速联合激励下脐带缆的水下运动和受力状态，验证动力学数学模型的正确性；该验证系统具有结构简单、操作方便、通用性强等特点，可拓展应用到海上拖曳领域。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种脐带缆动力学模型验证系统，其特征在于，包括可调升降平台（1）、脐带缆固定支架（2）、三维力传感器（3）、浮游平台（4）、缆线收放装置及脐带缆（5）；
所述可调升降平台（1）设置于所述浮游平台（4）上，所述浮游平台（4）用于在水上漂浮；
所述脐带缆固定支架（2）设置于所述可调升降平台（1）上，并且通过可调升降平台（1）的驱动进行升降动作；
所述三维力传感器（3）设置于所述脐带缆固定支架（2）上；
所述脐带缆（5）的首端与所述三维力传感器（3）连接，末端为自由端，该自由端可深入水中；
所述缆线收放装置设置于陆地上，并且与所述浮游平台（4）连接；所述缆线收放装置用于所述浮游平台（4）的收放；
所述浮游平台（4）上设有通孔，所述脐带缆（5）的自由端穿过该通孔；
所述浮游平台（4）包括上平台（17）、支撑柱（18）及下平台（19），其中上平台（17）与下平台（19）平行设置，并且所述上平台（17）通过支撑柱（18）与下平台（19）连接；所述下平台（19）采用浮力材料制成；所述可调升降平台（1）设置于所述上平台（17）上；
所述可调升降平台（1）包括上固定板（11）、丝杠（13）、导杆（14）、滑块（15）、下固定板及旋转驱动电机，其中下固定板设置于所述浮游平台（4）上，所述上固定板（11）通过导杆（14）与下固定板连接，所述丝杠（13）的两端分别可转动地与上固定板（11）和下固定板连接；所述滑块（15）通过丝母与所述丝杠（13）连接，并且所述滑块（15）与所述导杆（14）滑动连接，所述滑块（15）与所述脐带缆固定支架（2）连接；所述旋转驱动电机设置于所述浮游平台（4）上，并且输出端与所述丝杠（13）连接。
2.根据权利要求1所述的脐带缆动力学模型验证系统，其特征在于，所述上平台（17）和所述下平台（19）均为圆形结构，并且所述上平台（17）的直径小于所述下平台（19）的直径。
3.根据权利要求2所述的脐带缆动力学模型验证系统，其特征在于，所述上平台（17）和所述下平台（19）的中心位置均设有用于所述脐带缆（5）穿过的所述通孔。
4.根据权利要求1所述的脐带缆动力学模型验证系统，其特征在于，所述缆线收放装置包括缆线导向器（6）、电动绞车（7）及收放缆线（16），其中收放缆线（16）缠绕于电动绞车（7）上，并且末端经过缆线导向器（6）后与所述浮游平台（4）连接。
5.根据权利要求1所述的脐带缆动力学模型验证系统，其特征在于，所述脐带缆固定支架（2）的底部设有传感器安装孔，所述传感器安装孔的轴线与所述浮游平台（4）的中心轴线共线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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