CN113026707B - 一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置。试验装置包含试验模型箱、磁感应定位系统、锚体释放装置、加载测量装置和动力贯入平板锚的五个部分；试验模型箱内有试验地基，试验模型箱在长边方向的顶部端口设有模型箱滑轨，模型箱滑轨上安装有锚体释放装置和加载测量装置；磁感应定位系统安装在动力贯入平板锚锚板和试验模型箱上。本发明解决了由于土体不可视性锚体运动信息难以获得的难题，能够准确有效地进行超重力离心机的动力贯入平板锚试验。

Description

一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置

技术领域

本发明涉及了一种超重力离心机中的平板锚的试验装置和方法，尤其是涉及一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置和方法。

背景技术

我国海域面积达300万平方千米，油气、风电、潮汐能等能源储量丰富。目前，近海石油产量已初具规模，“海洋强国战略”的提出，推动我国油气资源开采逐渐步入南海深水区，这对于海上采油平台的深水锚泊系统也提出了更高的要求。随着水深不断增加，海上采油平台由传统固定式平台向张力腿平台(TLP)、浮式生产储存卸货装置(FPSO)等新型结构物转化，基础形式也由大直径单桩向拖曳锚、法向承力锚等等发展。动力贯入平板锚是一种通过自由落体形式贯入安装的板锚，既具有板锚重量轻、材料省、可回收以及荷载效率(承载力/锚体重量)高的优点，又具有动力贯入锚安装成本低的优点，是未来深海锚泊系统优先选择的基础形式之一。

动力贯入平板锚是从鱼雷锚安装思想发展起来的基础形式，即锚体依靠自身重力贯入到海床土体中，对于动力贯入平板锚性能的预测和检测从以下三个方面进行评估:(1)动力贯入深度，(2)、拖曳过程中的嵌入轨迹和埋深，(3)在“keying”(调整板锚姿态以使锚泊线与锚板垂直)过程中贯入深度的损失，(4)板锚在其最终安装深度的承载能力。

在对以上四个关键科学问题进行试验探究时，如何获得动力贯入平板锚安装过程中的运动信息至关重要，例如贯入过程中锚体的冲击速度、贯入土体的深度、拖曳过程中的嵌入轨迹和埋深、“keying”和加载过程中锚体的轨迹和姿态变化等。然而由于土体的不可视性，在天然土体的试验中难以精确获得锚体在贯入过程中的运动信息。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种用于动力贯入平板锚的试验装置和方法，整套装置可用于模拟动力贯入平板锚安装、加载服役过程，特别能够用于测量动力贯入冲击速度、贯入深度，拖曳过程中的嵌入轨迹和埋深、锚体“keying”和加载过程中的运动和姿态信息。

本发明装置通过磁感应定位系统能够实时测量锚体的六自由度的全部运动信息，完全解决了由于土体不可视性造成的锚体运动信息在天然土体中难以精确测量的技术难点。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

所述的试验装置包含试验模型箱、磁感应定位系统、锚体释放装置、加载测量装置和动力贯入平板锚五个部分；试验模型箱内有试验土，试验模型箱在长边方向的顶部端口设有模型箱滑轨，模型箱滑轨上安装有锚体释放装置和加载测量装置；动力贯入平板锚和加载测量装置通过锚线相连接，磁感应定位系统安装在动力贯入平板锚和试验模型箱上。

所述的锚体释放装置包括导管、弹簧、导管支架和手指气缸；导管支架通过底座滑块可滑动地嵌装于模型箱滑轨上，导管上部和导管支架上部铰接，导管下部通过水平运动件和导管支架下部可水平滑动地铰接；导管下端开口，导管上端部侧壁开设有开口。手指气缸通过支架固定于导管支架上部，手指气缸气动夹爪位于导管开口处，闭合气动夹爪夹紧固定动力贯入平板锚。在动力贯入平板锚上端和导管内顶面之间可连接弹簧。

所述的加载测量装置包括加载架、变频电机、力传感器和滑轮；变频电机安装在加载架中，加载架通过支架滑块可滑动地嵌装于模型箱滑轨上，变频电机的输出轴和锚线的一端固接，锚线中间连接力传感器，变频电机下方的加载架中设有滑轮，锚线另一端绕经滑轮后进入锚体释放装置的导管内并和动力贯入平板锚锚眼连接。

所述的磁感应定位系统置于试验模型箱内，包括磁源、微型磁感应传感器和数据处理与控制部分；磁源固定在试验模型箱上端口顶部，微型磁感应传感器固定在动力贯入平板锚上，微型磁感应传感器和磁源均和数据处理与控制部分连接，数据处理与控制部分分别和数据终端电脑和电源连接。

所述的导管下部通过水平运动件和导管支架下部可水平滑动地铰接，具体为：水平运动件中部开设条形槽，条形槽和导管支架上的凸起块相嵌装，水平运动件端部和导管铰接。

所述的试验模型箱为长方体箱体，由有机玻璃制成。

所述的试验模型箱安装固定在超重力离心机的吊篮底部。

本发明主要由带有滑轨的试验模型箱、锚体释放装置、磁感应定位系统、加载测量装置以及动力贯入平板锚组成。锚体释放装置装于模型箱上部，用于释放动力贯入平板锚。动力贯入平板锚释放后在一定的冲击速度下嵌入模型箱内试验土。微型磁感应传感器装于动力贯入平板锚表面，可实时测量动力贯入平板锚6个自由度的运动信息。加载测量装置在贯入完成后拖曳、调整动力贯入平板锚姿态并对其进行加载。

本发明用于动力贯入平板锚试验，可用于对动力贯入平板锚的安装和服役过程的全周期试验模拟。磁感应定位系统能够获得动力贯入平板锚在试验过程中的轨迹、姿态和速度等试验关键信息，能够实时连续探测动力贯入平板锚六个自由度的高精度运动信息，有效的获得其在试验过程中的轨迹、姿态和速度等关键试验数据。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用磁感应定位系统，能够实时追踪动力贯入平板锚的六个自由度的全部运动信息。解决了由于土体不可视性造成的试验过程中锚体运动轨迹难以获得的难题，特别是对于锚体贯入深度，拖曳过程拖曳轨迹、“keying”过程中贯入深度损失和锚体姿态变化的测量提供了很大便利。

2、本发明采用磁感应定位系统获得的试验数据经过简单处理能够获得动力贯入平板锚下落、特别是嵌入过程锚体速度的相关数据，便于研究锚体冲击速度与贯入深度、贯入过程机理等相关试验的开展。

附图说明

图1是本发明总装置示意图。

图2是磁感应定位系统示意图。

图3是动力贯入平板锚和微型磁感应传感器。

图4是手指气缸固定动力贯入平板锚正视图和侧视图。

图5是动力贯入平板锚贯入试验土示意图。

图6是动力贯入平板锚拖曳过程示意图。

图7是动力贯入平板锚受荷示意图。

图中：1、模型箱，2、试验土，3、模型箱滑轨，4、加载测量装置，5、变频电机，6、滑轮，7、力传感器，8、锚体释放装置，9、水平运动件，10、导管支架，11、弹簧，12、夹具，13、导管，14、磁源，15、微型磁感应传感器，16、数据处理与控制部分，17、数据终端电脑，18、电源，19、动力贯入平板锚，20、锚线，21、手指气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，试验装置包含试验模型箱1、磁感应定位系统、锚体释放装置、加载测量装置和动力贯入平板锚19的五个部分；试验模型箱1为长方体箱体，由高强度有机玻璃制成，试验模型箱1内有试验土2，试验模型箱1在长边方向的顶部端口设有模型箱滑轨3，模型箱滑轨3上安装有锚体释放装置8和加载测量装置4，锚体释放装置8和加载测量装置4沿模型箱滑轨3滑动；动力贯入平板锚通过锚线和加载测量装置相接，磁感应定位系统安装在动力贯入平板锚19 和试验模型箱1上。

锚体释放装置8通过模型箱滑轨3安装于试验模型箱1上部，能够通过滑轨改变其在模型箱内的位置。

锚体释放装置8包括导管13、弹簧11、导管支架10和手指气缸21；导管支架10通过底座滑块可滑动地嵌装于模型箱滑轨3上，导管13上部和导管支架10上部铰接，导管13下部通过水平运动件9和导管支架10下部可水平滑动地铰接；导管13上部被夹具12夹持，上部的夹具12铰接在导管支架10上部；导管13下部被夹具12夹持，下部的夹具12铰接在水平运动件9上；导管13 下端开口，导管13上端部侧壁开设开口。手指气缸21通过支架固定于导管支架10上部，手指气缸21气动夹爪位于导管开口处，闭合气动夹爪可夹紧动力贯入平板锚19。在动力贯入平板锚19上端和导管13内顶面之间可连接弹簧(11)；

导管13下部通过水平运动件9和导管支架10下部可水平滑动地铰接，具体为：水平运动件9中部开设条形槽，条形槽和导管支架10上的凸起块相嵌装，水平运动件9端部和导管13铰接。

弹簧11装于导管13顶部，用以给动力贯入平板锚19提供初始速度。

导管13可以通过夹具12上下移动，控制动力贯入平板锚下落的距离，弹簧也能调节松紧程度，两者共同控制动力贯入平板锚冲击速度。

水平运动架9通过左右移动调节导管支架10的倾斜角度从而控制动力贯入平板锚贯入方向。

加载测量装置4通过模型箱滑轨3装于试验模型箱1上部，通过滑轨移动。

加载测量装置4包括加载架、变频电机5、力传感器7和滑轮6；变频电机 5安装在加载架中，加载架通过支架滑块可滑动地嵌装于模型箱滑轨3上，变频电机5的输出轴和锚线20的一端连接，锚线20中间连接力传感器7，变频电机 5下方的加载架中设有滑轮6，锚线20另一端绕经滑轮6后进入锚体释放装置8 的导管13内并和动力贯入平板锚19锚眼连接；

加载测量装置4，滑轮通过加载架安装于模型箱上部，通过在滑轨3上移动加载测量装置4改变锚线20加载的角度。变频电机5安装于加载支架上部，能够调整转速从而实现对加载速度的控制。锚线通过变频电机5输出轴的电机滚筒实现加载，同时锚线连接力传感器7实现加载过程中对承载力的测量。

磁感应定位系统置于试验模型箱1内，包括磁源14、微型磁感应传感器15 和数据处理与控制部分16；磁源14固定在试验模型箱1上端口顶部，如图3所示，微型磁感应传感器15固定在动力贯入平板锚19上，如图2所示，微型磁感应传感器15和磁源14均和数据处理与控制部分16连接，数据处理与控制部分16分别和数据终端电脑17和电源18连接。

具体实施中，动力贯入平板锚19采用飞翼锚，由不锈钢制成，锚体表面粘贴微型磁感应传感器15，微型磁感应传感器能实时测量飞翼锚六个自由度的运动信息，每秒钟测量60次。

具体实施在磁感应定位系统中，磁源14通过环氧树脂横支架安装于模型箱上部；微型磁感应传感器15横向直径在2mm以内，纵向长度10mm以内，安装在动力贯入平板锚19表面。微型磁感应传感器15能够连续准确地测量动力贯入平板锚19六个自由度的运动信息，能够实现对于其运动轨迹和速度变化的追踪测量。

微型磁感应传感器每秒钟能够测得60组关于动力贯入平板锚六个自由度的运动数据中的z向(竖直方向)位移，在其下落和贯入过程中，通过公式以求得某一阶段锚体的平均速度，t能够精确到1/60秒，测得精确到1/60秒的平均速度。

图1为本发明试验装置的示意图。可通过调节弹簧松紧、导管架高度等控制动力贯入锚的冲击速度，用于锚体冲击速度与贯入深度的相关性试验。可通过调节水平运动件控制导管倾斜度进而控制动力贯入平板锚贯入土体的角度，用于模拟其下落过程中的定向稳定性问题，以及其不同角度贯入对贯入深度和锚体姿态的影响。动力贯入平板锚释放前，打开力传感器和磁感应定位系统。

图2为磁感应定位系统，其原理是数据处理与控制部分产生控制信号，磁源为一正交三轴线圈，受控制信号控制，向四周分时发射电磁场。磁感应传感器接收电磁场信号，并经过A/D转换后将数据传入数据终端电脑，经过电磁定位算法计算出目标物体的位置姿态信息——包括目标X、Y、Z方向的平动和绕三个主轴的转动。

图3为微型磁感应传感器粘贴固定在动力贯入平板锚的后锚示意图。

图4为手指气缸气动夹爪夹紧固定动力贯入平板锚。试验前向手指气缸通气可使手指气缸气动夹爪夹紧动力贯入平板锚，使其固定于导管顶部；试验时停止向手指气缸通气，手指气缸气动夹爪立即松开，动力贯入平板锚通过受压弹簧得到一初始速度，完成锚体释放过程。

图5-图7为动力贯入平板锚释放后贯入土体的过程，磁感应定位系统在此阶段可获得锚体的冲击速度、贯入轨迹和贯入深度等相关试验数据。图6为动力贯入平板锚贯入完成后，加载测量装置拖曳锚体并调整锚体姿态，使锚体和锚线基本处于垂直状态，磁感应定位系统在此阶段可获得“keying”过程中的贯入深度损失和锚体姿态变化数据。图7为动力贯入平板锚正常受荷状态，加载测量装置可通过锚线对锚体施加荷载，力传感器可获得锚体的承载力数据，磁感应定位系统可获得锚体在加载过程中的轨迹和姿态信息。

本发明在超重力离心机上进行动力贯入平板锚的试验过程具体为(以砂土模型地基为例)：

1、通过砂雨法在模型箱内浇筑模型地基，并将其吊入砂土真空饱和罐中真空饱和。2、地基饱和完成后将锚体释放装置、加载测量装置、动力贯入平板锚和磁感应定位系统按照图1所示装配完成。其中，调节导管距离模型地基高度和弹簧松紧程度可控制动力贯入平板锚冲击速度，调节导管倾角可控制锚体贯入方向。3、将模型吊入离心机吊篮，手指气缸接入离心机气压阀通气，气动夹爪夹紧固定动力贯入平板锚，连接锚线、力传感器、电机和各类数据传输线。4、打开磁感应定位系统和离心机数据采集软件，确认各传感器可正常工作。5、开启离心机，加速到预定离心机加速度值，待其稳定后开启各传感器。6、关闭手指气缸气管，气动夹爪立即松开，锚体以预定初速度向模型地基加速下落，在冲击速度V₀下贯入模型地基，如图5所示；通过磁感应定位系统可得知锚体运动信息，待其Z向位移不再变化。7、开启电机，锚体在锚线加载下旋转，随着锚线拉力继续增大，锚胫开始打开，锚胫角逐渐增大，最终锚板和锚线角度大约呈90度。这一阶段即动力贯入平板锚的“keying”过程，如图6所示。此阶段磁感应定位系统可得到“keying”过程中锚体的嵌入深度损失、锚体轨迹和姿态变化过程。8、“keying”过程完成后，电机继续加载，力传感器可得到动力贯入平板锚的极限荷载。

锚体的位置和姿态变化可从磁感应定位系统软件直接获得，锚体速度可通过计算获得，其加速度同样可以通过公司得到，精度可精确到1/60 秒的平均速度。试验中可通过以上算法计算得到锚体释放过程中的速度和加速度，当加速度突然远小于离心机加速度时的速度即为冲击速度。

由此实施可见，本发明能解决由于土体不可视性锚体运动信息难以获得的难题，对于研究动力贯入平板锚贯入深度、拖曳过程中的嵌入轨迹和埋深、“keying”过程中贯入深度损失和承载力大小等相关关键科学问题提供了有效的技术方案。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置，其特征是：所述的试验装置包含试验模型箱(1)、磁感应定位系统、锚体释放装置、加载测量装置和动力贯入平板锚(19)五个部分；试验模型箱(1)内有试验土(2)，试验模型箱(1)在长边方向的顶部端口设有模型箱滑轨(3)，模型箱滑轨(3)上安装有锚体释放装置(8)和加载测量装置(4)；动力贯入平板锚(19)和加载测量装置(4)通过锚线(20)相连接，磁感应定位系统安装在动力贯入平板锚(19)和试验模型箱(1)上；

锚体释放装置(8)包括导管(13)、弹簧(11)、导管支架(10)和手指气缸(21)；导管支架(10)通过底座滑块可滑动地嵌装于模型箱滑轨(3)上，导管(13)上部和导管支架(10)上部铰接，导管(13)下部通过水平运动件(9)和导管支架(10)下部可水平滑动地铰接；导管(13)下端开口，导管(13)上端部侧壁开设有开口， 手指气缸(21)通过支架固定于导管支架上部，手指气缸气动夹爪位于导管开口处，闭合气动夹爪夹紧固定动力贯入平板锚(19)，在动力贯入平板锚(19)上端和导管(13)内顶面之间可连接弹簧(11)；

所述的加载测量装置(4)包括加载架、变频电机(5)、力传感器(7)和滑轮(6)；变频电机(5)安装在加载架中，加载架通过支架滑块可滑动地嵌装于模型箱滑轨(3)上，变频电机(5)的输出轴和锚线(20)的一端固接，锚线(20)中间连接力传感器(7)，变频电机(5)下方的加载架中设有滑轮(6)，锚线(20)另一端绕经滑轮(6)后进入锚体释放装置(8)的导管(13)内并和动力贯入平板锚(19)锚眼连接；

所述的磁感应定位系统置于试验模型箱(1)内，包括磁源(14)、微型磁感应传感器(15)和数据处理与控制部分(16)；磁源(14)固定在试验模型箱(1)上端口顶部，微型磁感应传感器(15)固定在动力贯入平板锚(19)上，微型磁感应传感器(15)和磁源(14)均和数据处理与控制部分(16)连接，数据处理与控制部分(16)分别和数据终端电脑(17)和电源(18)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置，其特征是：所述的导管(13)下部通过水平运动件(9)和导管支架(10)下部可水平滑动地铰接，具体为：水平运动件(9)中部开设条形槽，条形槽和导管支架(10)上的凸起块相嵌装，水平运动件(9)端部和导管(13)铰接。

3.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置，其特征是：所述的试验模型箱(1)为长方体箱体，由有机玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机的动力贯入平板锚试验装置，其特征是：所述的试验模型箱(1)安装固定在超重力离心机的吊篮底部。