CN113156084A - 一种用于超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离心机中的串联锚运动规律试验装置。主要由离心机模型箱、试验串联锚模型、多个磁感应传感器、磁源、力传感器和荷载加载系统组成；整套装置针对不同初始嵌入角度及深度、串联锚内部的锚固方式等初始条件，在离心机试验中模拟串联锚的安装过程，从而获得其嵌入轨迹及姿态信息。本发明能针对不同初始嵌入角度及深度、串联锚内部的锚固方式，在离心机试验中模拟串联锚的拖曳安装过程，从而获得其嵌入轨迹及姿态信息，解决了土体中串联锚运行轨迹难以连续精确测量的难题。

Description

一种用于超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置

技术领域

本发明涉及一种在超重力离心机上测量串联锚安装过程中锚体、锚索运动和姿态的试验装置。

背景技术

“海洋强国战略”要求我国提高海洋资源开发能力，加之我国四大海域油气资源储量巨大，因此对于海上油气开采平台的需求将会大大增加。随着油气资源开采由浅海向深海开拓，海洋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、法向承力锚等等转化。串联锚作为一种新型的混合锚，既保留了传统平板锚重量轻、材料省、易安装、可回收以及重复使用等优点，又弥补了传统平板锚嵌入过程易翻转、极限嵌入深度较浅、承载力较低等不足，将成为未来海上平台基础优先选择的一个方向。

串联锚是由两个或以上的传统平板锚，如拖曳锚或法向承力锚组合而成的新型混合锚。其承载力与传统平板锚类似，其贯入深度和在土体中的姿态往往是其决定因素。因此准确预测安装过程中锚体贯入轨迹及姿态信息是确定其承载力的首要条件。然而，对于串联锚来说，如何准确测量安装过程中锚板在土体中运动轨迹的资料较少，如何实时观测安装过程的研究更是尚未开展。除此之外，串联锚在服役过程中还将受到风、浪、流等多种循环荷载长期作用，基础的失效过程、前锋锚和背驮锚的失稳模式都需要通过试验来探究和验证。因此，通过试验手段研究串联锚安装过程和服役状态的运动规律、破坏机制将是当前的一大科研需求。

由于土体的不可视性，导致在自然土体的试验中精确获得串联锚的运动轨迹和姿态变化信息成为一大技术难点。目前锚板运动轨迹的测量手段和方法未能完全解决这一难点，主要有:(1)利用合成锂皂土的透明性观察平板锚在其中的运动信息；(2)在平板锚上涂抹高锰酸钾使其在自然土体中运动时产生深红色轨迹；(3)利用倾角传感器测量平板锚在自然土体中的角度变化。这些测量手段的试验材料与海洋土质相差甚远，或者不能同时精确获得串联锚轨迹和姿态的所有运动信息，均有一定的局限性。

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超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置和方法，为揭示前锋锚与背驮锚耦合作用试验提供了基本试验方案，解决了现有未曾解决的前锋锚与背驮锚耦合作用的试验检测问题。

本发明装置通过磁感应定位系统能够实时测量串联锚的运动轨迹和姿态信息，完全解决了由于土体不可视性造成平板锚运动信息在自然土体中难以精确测量的技术难点。本发明可以用于超重力离心机试验，补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重损失，使模型土体能够复制原形土体的应力状态，从而能够更准确地模拟串联锚的安装和服役过程。

本发明主要由离心机模型箱、试验串联锚模型(包括前锋锚和背驮锚)、多个磁感应传感器、磁源、力传感器和荷载加载系统组成。整套装置可针对不同初始嵌入角度及深度、串联锚内部的锚固方式等初始条件，在超重力离心机试验中模拟串联锚的安装过程，从而获得其嵌入轨迹及姿态信息。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

所述的试验装置系统包含用于离心机试验离心机模型箱、串联锚系统、磁感应定位系统、荷载加载测试系统的四个部分：离心机模型箱内有试验土，串联锚系统置于离心机模型箱内的试验土中，磁感应定位系统一部分在超重力离心机模型箱内，另一部分在超重力离心机模型箱外，荷载加载和测试系统安装在超重力离心机模型箱上端口；串联锚系统和荷载加载和测试系统相连接，磁感应定位系统连到串联锚系统和荷载加载和测试系统。

磁感应定位系统传感器固定在离心机模型箱内的串联锚上，数据处理与控制部分安装在离心机转臂的中端，荷载加载测试系统通过横梁安装在离心机模型箱内；荷载加载测试系统通过锚索拖曳串联锚，并测量荷载；磁感应定位系统测量试验过程中串联锚的运动和姿态信息。

所述的串联锚系统包括前锋锚、背驮锚、连接前锋锚和背驮锚的第一锚索以及连接荷载加载测试系统与前锋锚的第二锚索，前锋锚和背驮锚均埋于试验土中，前锋锚和背驮锚之间通过第一锚索连接。

所述的荷载加载测试系统通过第二锚索与串联锚相连，包括滑轮、力传感器和电机；超重力离心机模型箱上端口架设横梁，横梁上安装电机，横梁上开设箱盖小孔，箱盖小孔安装竖直支撑架，竖直支撑架下端伸入到超重力离心机模型箱内，并且在超重力离心机模型箱内的竖直支撑架上安装有滑轮和测力计，电机的输出端和第二锚索的一端固接，第二锚索的另一端绕经滑轮和测力计后连接到前锋锚；电机轴承装有滚筒，通过旋转加载锚索，锚索通过滑轮支架上部滑轮与力传感器连接，力传感器另一端通过第二锚索经滑轮支架下部滑轮连接串联锚前锋锚。电机实现加载、滑轮改变加载方向、力传感器测量荷载大小。

所述的磁感应定位系统包括磁源、磁感应传感器、数据处理与控制部分、磁源支架、数据终端电脑和电源；磁源通过磁源支架安装于超重力离心机模型箱内的中心，前锋锚、背驮锚、第一锚索和第二锚索上均布置有磁感应传感器；数据处理与控制部分、数据终端电脑和电源均位于超重力离心机模型箱外部，磁源和磁感应传感器均连接到数据处理与控制部分，数据处理与控制部分分别连接到数据终端电脑和电源。

所述的横梁通过模型箱两侧横梁侧板和螺丝固定在模型箱特定位置，不可移动。

所述的滑轮支架、磁源支架和电机支架通过螺丝安装固定在横梁指定位置；滑轮支架上下两端装有滑轮，磁源支架安装磁源使位于离心机模型箱中心位置，电机支架用于固定电机以实现对锚索的加载。

所述的串联锚系统，前锋锚为拖曳锚，背驮锚为法向承力锚，两锚之间通过第一锚索连接，前锋锚通过第二锚索与荷载加载测试系统相连。

所述的离心机模型箱采用铝合金制备。

磁源、磁感应传感器与模型箱壁距离大于300mm以避免金属模型箱对磁感应定位系统的影响，本发明模型箱内部尺寸为1200mm(长)×950mm(宽)×1000mm(高)。

所述的超重力离心机模型箱安装固定在超重力离心机的吊篮底部。

本发明主要由离心机模型箱、试验串联锚模型(包括前锋锚和背驮锚)、锚索、多个磁感应传感器、磁源、力传感器和荷载加载系统组成。试验土装于离心机模型箱内，串联锚置于试验土中，前锋锚和背驮锚锚板上均固定安装磁感应传感器，锚索不同位置也安装微型磁感应传感器，靠近加载端安装力传感器。荷载加载系统对锚索施加拉力以模拟串联锚的安装和服役过程，同时，力传感器和磁感应传感器分别获得锚索的拉力数据和串联锚系统的运动数据。

本发明用于超重力离心机串联锚试验，超重力离心机模型箱应该满足一定尺寸以避免金属对于磁感应定位系统的干扰从而提高磁感应定位系统精度，能够实时连续探测串联锚的锚板、锚索的高精度运动信息，确定试验中锚板和锚索的三维空间位置与姿态信息。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明可用于超重力离心机试验，从而能够补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重损失，使试验模型土体能够复制原形土体的应力状态，从而能够更准确地模拟串联锚的安装和服役过程。

2、本发明采用磁感应定位系统，能够同时追踪前锋锚、背驮锚、锚索等的六个自由度的全部运动信息。所获得运动信息较之前的倾角传感器方法、透明土方法更全面、更准确，操作也更便捷。

附图说明

图1是本发明的正面剖视图(视角为从前向后)。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的磁感应定位系统示意图。

图4是本发明的串联锚系统及磁感应传感器布置示意图。

图5是本发明的磁源支架示意图。

图6是本发明的滑轮支架示意图。

图7是离心机运行时模型箱内部磁场强度。

图8是离心机运行对于磁感应定位系统测量的影响。

图9是本试验模型箱对磁感应定位系统测量的影响。

图中：1、超重力离心机模型箱，2、试验土，3、横梁，4、横梁侧板，5、磁源支架，6、磁源，7、滑轮支架，8、滑轮，9、力传感器，10、电机支架，11、电机，12、滚筒，13、前锋锚，14、背驮锚，15、第二锚索，16、第一锚索，17、磁感应传感器，18、数据处理与控制部分，19、电源，20终端电脑。

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-图2所示，试验装置系统包含用于超重力离心机试验的内部尺寸超过600mm的试验模型箱1、串联锚系统、磁感应定位系统、荷载加载测试系统的四个部分：超重力离心机模型箱1内有试验土2，串联锚系统置于离心机模型箱1内的试验土2中，磁感应定位系统一部分在超重力离心机模型箱1内，另一部分在超重力离心机模型箱1外，荷载加载测试系统安装在超重力离心机模型箱1上端口；串联锚系统和荷载加载测试系统相连接，磁感应定位系统连到串联锚系统和荷载加载测试系统。具体地，磁感应定位系统传感器17固定在在模型箱内的串联锚上，数据处理与控制部分18安装在离心机转壁中端，荷载加载测试系统通过横梁3安装在模型箱内；荷载加载系统通过锚线15拖曳串联锚，并测量其荷载；磁感应定位系统测量试验过程中串联锚的运动和姿态信息。

如图4所示，串联锚系统包括前锋锚13、背驮锚14、连接前锋锚13和背驮锚14的第一锚索16以及连接荷载加载测试系统与前锋锚13的第二锚索15，前锋锚13和背驮锚14均埋于试验土2中，前锋锚13和背驮锚14之间通过第一锚索16连接；

荷载加载测试系统连接到串联锚系统2中的锚索5，包括力传感器13、滑轮12和电机14；超重力离心机模型箱1上端口架设横梁10，横梁10上安装电机14，横梁10上开设箱盖小孔，箱盖小孔安装竖直支撑架11，竖直支撑架11下端伸入到超重力离心机模型箱1内，并且在超重力离心机模型箱1内的竖直支撑架11上安装有滑轮12和力传感器13，具体实施中有两个滑轮12和一个力传感器13，两个滑轮12分别位于力传感器13上下侧，电机14的输出端和第二锚索18的一端固接，第二锚索18的另一端绕经滑轮12和力传感器13后连接到前锋锚13。

具体实施中，两条横梁3置于超重力离心机模型箱1顶面上，横梁3上安装滑轮支架7、磁源支架5、电机支架10；滑轮支架7上通过两个滑轮8对锚索15施加荷载；力传感器9置于两个滑轮之间，测试锚索拉力。电机支架安装电机11，电机11通过滚筒旋转对锚索施加拉力

如图3所示，磁感应定位系统包括磁源6、磁感应传感器17、数据处理与控制部分18、磁源支架5、数据终端电脑20和电源19。磁源6通过磁源支架5安装于超重力离心机模型箱1内的中心，磁源支架5固定于超重力离心机模型箱1横梁3上，前锋锚13、背驮锚14、第一锚索16和第二锚索15上均布置有磁感应传感器17；数据处理与控制部分18、数据终端电脑20和电源19均位于超重力离心机模型箱1外部，如图3所示，磁源6和磁感应传感器17经数据线引出均连接到数据处理与控制部分18，数据处理与控制部分18分别连接到数据终端电脑20和电源19。

磁感应定位系统中，磁源6通过塑料螺丝固定安装于磁源支架5上，磁源支架5采用环氧树脂支架，磁源支架5再固定于超重力离心机模型箱1横梁3上。

磁感应传感器17分别安装在背驮锚14、前锋锚13锚板和锚索15、16上，用于测量锚板和锚索的运动信息。

具体实施中，数据处理与控制部分18固定于超重力离心机转壁的中部，以减小超重力对其电子元件的影响。

在具体实施的串联锚系统中，前锋锚13为拖曳锚，背驮锚14为法向承力锚，两锚之间通过锚索16连接，连接方式和位置可根据试验要求决定。另外一条锚索16连接前锋锚和荷载加载系统，即通过两个滑轮8最终与电机11相连。

具体实施中，超重力离心机模型箱1采用金属复合材料制备，材料由铁镍合金、铝、铁镍合金轧制复合而成，能够有效屏蔽不同频率电磁场。

具体实施中超重力离心机模型箱1，具有电磁屏蔽功能，材料由外到内依次是高磁导率材料的铁镍合金、铝、铁镍合金，能够有效屏蔽不同频率电磁场。通过多层高磁导率材料对低频磁场的分流作用，良导体铝材料产生涡流抵消高频电磁场，从而使超重力离心机模型箱能够有效屏蔽较大频率范围的电磁场。

超重力离心机模型箱1的外壁经导线15接地处理，能够增强屏蔽效果。

图1-图2为本发明两个方向透视图，可以清晰的展现超重力离心机模型箱。

超重力离心机运行过程中将产生频率未明的电磁场，将对电磁定位系统产生影响。镍含量在35％～90％的铁镍合金(此含量的铁镍合金也称坡莫合金)具有高磁导率，可通过磁感线分流作用屏蔽低频磁场；而良导体铝合金可通过涡流效应屏蔽高频磁场，因此，铁镍合金+铝+铁镍合金的材料组合能够屏蔽较大范围频率的电磁场，为磁感应定位系统提供良好的无磁环境。对电磁屏蔽要求不高的情况下，可在铝制超重力离心机模型箱箱壁两侧粘贴适当厚度铁镍合金可起到一定电磁屏蔽效果。

图3为磁感应定位系统的电气连接图，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5、图6分别为滑轮支架和磁源支架，滑轮支架上下两端装有滑轮，用于改变锚线加载方向，力传感器位于两个滑轮之间，通过锚索一端连接电机滚筒，一端连接串联锚前锋锚。磁源支架采用有机玻璃制作，通过横梁装于模型箱内部，能够使磁源位于模型箱中心位置以避免金属模型箱对磁感应定位系统的影响。

图7为离心机运行时模型箱内部磁场强度，最大为5Gs左右；图8为离心机运行时磁感应定位系统测试数据，由图可知，在进行试验的g值稳定段，磁感应定位系统测量结果稳定。因此，离心机运行产生磁场对于磁感应定位系统影响可以忽略不计。

图8和图9为铝制模型箱对于磁感应定位系统的影响，在保证磁源、磁感应传感器与模型箱壁保持300mm的间距下，磁感应定位系统的有效工作范围能够达到600mm左右，足够常规的超重力离心模型试验情况。

由此，通过本发明上述装置的实施，针对不同初始嵌入角度及深度、串联锚内部的锚固方式，在超重力离心机试验中模拟串联锚的拖曳安装过程，从而获得嵌入轨迹及姿态信息，解决了土体中串联锚运行轨迹难以连续精确测量的难题，能准确进行串联锚安装过程的运动规律试验。

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 (6)

1.一种用于离心机中的串联锚运动规律试验装置，其特征在于：

所述的试验装置系统包含用于离心机试验离心机模型箱(1)、串联锚系统、磁感应定位系统、荷载加载测试系统的四个部分：离心机模型箱(1)内有试验土(2)，串联锚系统置于离心机模型箱(1)内的试验土(2)中，磁感应定位系统一部分在超重力离心机模型箱(1)内，另一部分在超重力离心机模型箱(1)外，荷载加载和测试系统安装在超重力离心机模型箱(1)上端口；串联锚系统和荷载加载和测试系统相连接，磁感应定位系统连到串联锚系统和荷载加载和测试系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于离心机中的串联锚运动规律试验装置，其特征在于：所述的串联锚系统包括前锋锚(13)、背驮锚(14)、连接前锋锚(13)和背驮锚(14)的第一锚索(16)以及连接荷载加载测试系统与前锋锚(13)的第二锚索(15)，前锋锚(13)和背驮锚(14)均埋于试验土(2)中，前锋锚(13)和背驮锚(14)之间通过第一锚索(16)连接；所述的荷载加载测试系统通过第二锚索(15)与串联锚相连，包括滑轮(8)、力传感器(9)和电机(11)；超重力离心机模型箱(1)上端口架设横梁(10)，横梁(10)上安装电机(14)，横梁(10)上开设箱盖小孔，箱盖小孔安装竖直支撑架(11)，竖直支撑架(11)下端伸入到超重力离心机模型箱(1)内，并且在超重力离心机模型箱(1)内的竖直支撑架(11)上安装有滑轮(12)和测力计(13)，电机(14)的输出端和第二锚索(18)的一端固接，第二锚索(18)的另一端绕经滑轮(12)和测力计(13)后连接到前锋锚(3)；所述的磁感应定位系统包括磁源(6)、磁感应传感器(17)、数据处理与控制部分(18)、磁源支架(5)、数据终端电脑(20)和电源(19)；磁源(6)通过磁源支架(5)安装于超重力离心机模型箱(1)内的中心，前锋锚(13)、背驮锚(14)、第一锚索(16)和第二锚索(15)上均布置有磁感应传感器(17)；数据处理与控制部分(18)、数据终端电脑(20)和电源(20)均位于超重力离心机模型箱(1)外部，磁源(6)和磁感应传感器(17)均连接到数据处理与控制部分(18)，数据处理与控制部分(18)分别连接到数据终端电脑(20)和电源(19)。

3.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置，其特征是：所述的横梁(3)通过模型箱两侧横梁侧板和螺丝固定在模型箱特定位置，不可移动。

4.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置，其特征是：所述的串联锚系统，前锋锚(13)为拖曳锚，背驮锚(14)为法向承力锚，两锚之间通过第一锚索(16)连接，前锋锚(13)通过第二锚索(15)与荷载加载测试系统相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置，其特征是：所述的离心机模型箱(1)采用铝合金制备。

6.根据权利要求1所述的一种用于超重力离心机中的串联锚运动规律试验装置，其特征是：所述的超重力离心机模型箱(1)安装固定在超重力离心机的吊篮底部。

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