CN113720589A - 一种锚泊绳缆工程的实验系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋锚固结构技术领域，公开了一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，包括装置本体，所述装置本体一端的外部设置有动态作动器，另一端的外部依次设置有导轮和土箱，所述土箱内埋有锚板基础结构；所述装置本体内设置依次设置有水箱系统、循环加载设备；所述系泊缆绳的一端与动态作动器的牵引端连接，另一端与锚板基础结构连接，系泊缆绳在装置本体内依次穿过水箱系统和循环加载设备；所述水箱系统用于模拟海洋水环境；所述循环加载设置用于为将载荷通过系泊缆绳传递至锚板基础结构；动态作动器用于为锚板和系泊缆绳提供海洋环境载荷。本发明的有益效果为实现了对深海锚固结构和平台的模型实验装置的建立及锚泊实验研究。

Description

一种锚泊绳缆工程的实验系统装置

技术领域

本发明涉及海洋锚固系泊结构技术领域，具体为一种锚泊绳缆工程的实验系统装置。

背景技术

随着深海1号半潜式平台的聚酯锚泊系统的建设和实施，各类海洋浮式结构物（包括浮式油气开采平台、浮式海上风机、波能发电装置、海上牧场和海上机场等）将会广泛使用聚酯纤维缆绳作为系缆，采用深海锚固结构作为海底的基础；如何对此类新型锚固结构和平台进行锚泊实验研究具有极为重要的研究意义和价值。

现有的试验装置都是仅仅关注锚土相互作用，缆土相互作用，锚缆相互作用，尚未建立可以精确模拟整个海床土-锚-缆-循环海洋载荷的试验装置。而实际海洋锚泊工程中，单根锚缆包含了海洋土-深水锚-系泊缆绳-海洋浮体的载荷。因此，鉴于此情况，亟需开发一套可以模拟海洋土-法向承力锚-系泊缆绳-海洋浮体构成的试验装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，建立了一套可以模拟海洋土-法向承力锚-系泊缆绳-海洋浮体构成的试验装置，实现了对深海锚固结构和平台的模型实验装置的建立及锚泊实验研究，为深远海系泊系统的试验探究，提供了新的技术手段和结构形式。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，包括装置本体，所述装置本体一端的外部设置有动态作动器，另一端的外部依次设置有导轮和土箱，所述土箱内埋有锚板基础结构；所述装置本体内设置依次设置有水箱系统、循环加载设备；所述系泊缆绳的一端与动态作动器的牵引端连接，另一端与锚板基础结构连接，系泊缆绳在装置本体内依次穿过水箱系统和循环加载设备；所述水箱系统用于模拟海洋水环境；所述循环加载设置用于为将载荷通过系泊缆绳传递至锚板基础结构；动态作动器用于为锚板基础结构和系泊缆绳提供海洋环境载荷。

进一步地，水箱系统包括内水箱和外水箱，内水箱放置于外水箱内，内、外水箱都设置有供系泊缆绳贯穿的孔。

进一步地，所述系泊缆绳自动态作动器的牵引端依次穿过水箱系统、贯穿循环加载设备后再穿出装置本体后经过导轮与锚板基础结构连接。

进一步地，所述循环加载设备包括移动横梁、缆绳夹具以及与动态作动器连接的静载加载装置，所述静载加载装置为两条对称设置且为移动横梁提供移动导向的导轨，所述移动横梁中心设置有供系泊缆绳贯通的通孔，移动横梁的两端分别与静载加载装置的导轨连接；所述缆绳夹具设置于装置本体内，且设置于动态作动器的牵引端与移动横梁的中间，用于夹持系泊缆绳。

进一步地，所述移动横梁上设置有横梁锁紧装置，所述横梁锁紧装置用于锁定移动横梁的位置，防止其移动。

进一步地，横梁锁紧装置有夹紧器、气动夹具、快捷夹具。

进一步地，所述锚板基础结构带有系泊锚链的连接孔，锚板基础结构可以根据设计需要安装在一定土深的土箱环境中，因此可以通过埋置土的深度和土的重度，给予锚板基础结构抵抗系泊缆绳拔拽的拉力，从而使得锚板基础结构（即法向承力锚）具有抵抗拔出的力。通过本发明的装置，不仅可以探究系泊缆绳的在海洋循环载荷下的张力和位移响应，而且可以探究锚板基础结构（即法向承力锚）与土体的动力响应。

所述动态作动器为全数字电液伺服控制器，用于设定系缆的平均张力和张力幅值；可以将载荷通过纤维系泊缆绳或锚链传递到锚板基础结构，给锚板基础结构施加往复的循环载荷，从而可以模拟实际海洋工程中正在运行的锚泊缆绳工程。

动态作动器为系泊缆绳提供海洋环境载荷，其控制波形类型包括：正弦波、三角波、方波、锯齿波等函数波，多点保持、多点折线、半余弦谱载等可编辑波，预录制随机波、同步输入波形等。

进一步地，所述动态作动器上的伺服阀的输入端与计算机连接，计算机通过采集各传感器的数据后将加载信号输入至伺服阀，伺服阀的输出端输出调制的流量和压力。

进一步地，所述装置本体内设置有2根对称的立柱，所述立柱用于增加装置本体的强度和刚度的。

进一步地，所述装置本体与地面之间设置有支撑装置本体的支撑架。

进一步地，所述装置本体为一长方体盒子状构型，包括设置于底部的底座和设置于长边两端的前横梁、后横梁，所述动态作动器设置于前横梁的外端，并穿过前横梁与系泊缆绳连接，所述后横梁设置有通孔并与导轮连接。

进一步地，所述装置本体上还设置有防护罩，优先防护罩为透明防护罩。

进一步地，所述导轮为定滑轮。

进一步地，所述系泊缆绳可以用锚链替换。

进一步地，还包括力传感器和拉线位移传感器，所述力传感器用于测量系泊缆绳所承受的张力和测量锚板提供的抗拔承载力，所述拉线位移传感器可以用于测量系泊缆绳或锚链的标记段的伸长量以及锚板的总体位移变化量。

进一步地，所述拉线位移传感器包括第一拉线位移传感器和第二拉线位移传感器，第一拉线位移传感器的一端固定在前横梁上，另一端与第一标记连接，第二拉线位移传感器的一端固定在前横梁上，另一端与第二标记连接；通过两个拉线位移传感器分别测量两个标记点的位移变化，分析两个拉线位移传感器的位移伸长量可以得出系泊缆绳标记段的伸长量和锚板基础结构的总体位移变化量。

进一步地，系泊缆绳的第一标记和第二标记皆位于内水箱中，两个标记之间的缆绳为系泊缆绳标记段。

进一步地，力传感器设置于系泊缆绳上，用于测量系泊缆绳所承受的张力。

进一步地，土压传感器设置于土箱之中，用于测量土压力，可以通过设置多个的土压力传感器，监测土体的变化情况。

进一步地，所述土箱能够通过放置不同的垫层上下调整锚板基础结构位置高度，即所采用的土箱可以根据试验的需要进行位置的调整，因此可以保证试验过程中系缆和锚构成的系统可以完全模拟和仿真实际服役过程中的状态；土箱优选有机玻璃材料制作。

进一步地，所述土箱内承载有海洋土。

本发明采用全数字电液伺服控制器模拟波浪载荷，采用可以允许系泊缆绳贯穿的移动横梁，穿过移动横梁的系泊缆绳后再通过导轮转换绳索的方向后，将系泊缆绳和锚板基础结构进行连接，在土箱中放置的土体或地基土用以抵抗锚板被拔出，从而可以模拟实际海洋工程中“海洋土-深水锚-系泊缆绳-海洋浮体”相互作用的实际工程状态，从而构建真实的海洋锚固系缆实验装置，进而实现对深海锚固结构和平台的锚泊实验研究，为深远海系泊系统的试验探究提供了新的技术手段和结构形式。

与现有技术相比，本发明提供了一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，具备以下有益效果：

（1）本发明建立了一套可以模拟海洋土-法向承力锚-系泊缆绳-海洋浮体构成的试验装置，实现了对深海锚固结构和平台的模型实验装置的建立及锚泊实验研究，为深远海系泊系统的试验探究提供了新的技术手段和结构形式；有利于发展新型深远海结构安全和锚泊保障技术，为国家海洋工程、海洋牧场、海上风电渔牧融合的开发技术的研发，提供先进科研平台支撑，服务深远海资源开发，对新型锚固结构和平台进行锚泊实验研究具有极为重要的研究意义和价值。

（2）本发明可以实时模拟海洋工程中正在运行中的绷紧式系泊系统的动力响应，可以模拟单根锚泊系统响应模拟的模型试验装置，有助于从实验室中观测和评估锚泊绳缆工程的安全可靠性，并且可以用做探究实际在役锚泊系统的运行机制和失效破坏机理，有助于提升我国的锚泊系统的设计水平，有助于构建锚泊系统的安全保障技术，从而为我国深远海锚泊系统的研发奠定试验技术，因此，所提出的实验系统装置填补国内在海洋工程锚泊模型试验的空白，具有广阔的应用前景和极重要的工程应用价值。

（3）本发明的实验系统装置的提出也聚焦了十四五“优化近海绿色养殖布局，建设海洋牧场，发展可持续远洋渔业”的国家需求。

（4）本发明的实验系统装置充分利用了全数字电液伺服控制器技术，为模拟实际在役运行的锚泊绳缆工程的实验系统装置的运行机制和动力响应，提供了新的模拟试验装置，具有创新性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明拆掉防护罩的立体结构示意图；

图3为本发明的主视结构示意图；

图4为本发明的俯视结构示意图。

图中附图标记的含义为：1-动态作动器；2-立柱；3-静载加载装置；4-防护罩；5-横梁锁紧装置；6-系泊缆绳；7-导轮；8-锚板基础结构；9-土箱；10-后横梁；11-移动横梁；12-水箱系统；13-底座；14-缆绳夹具；15-前横梁；16-伺服阀；17-土压传感器；18-第一拉线位移传感器；19-第一标记；20-第二标记；21-力传感器；22-第二拉线位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2至图4所示，本发明的实验系统装置，包括装置本体，装置本体一端的外部设置有动态作动器1，另一端的外部依次设置有导轮7和土箱9，土箱9内埋有锚板基础结构8；装置本体内设置依次设置有水箱系统12、循环加载设备；系泊缆绳6的一端与动态作动器1的牵引端连接，另一端与锚板基础结构8连接，系泊缆绳6在装置本体内依次穿过水箱系统12和循环加载设备；水箱系统12用于模拟海洋水环境；循环加载设置用于为将载荷通过系泊缆绳6传递至锚板基础结构8；动态作动器1用于为锚板基础结构8和系泊缆绳6提供海洋环境载荷。

在本实施例的一种具体实施方式中，水箱系统12包括内水箱和外水箱，内水箱放置于外水箱内，内、外水箱都设置有供系泊缆绳贯穿的孔。

在本实施例的一种具体实施方式中，系泊缆绳6自动态作动器1的牵引端依次穿过水箱系统12、贯穿循环加载设备后再穿出装置本体后经过导轮7与锚板基础结构8连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，循环加载设备包括移动横梁11、缆绳夹具14以及与动态作动器1连接的静载加载装置3，静载加载装置3为两条对称设置且为移动横梁11提供移动导向的导轨，移动横梁11中心设置有供系泊缆绳6贯通的通孔，移动横梁11的两端分别与静载加载装置3的导轨连接；缆绳夹14具设置于装置本体内，且设置于动态作动器1的牵引端与移动横梁11的中间，用于夹持系泊缆绳6。

在本实施例的一种具体实施方式中，移动横梁11上设置有横梁锁紧装置5，横梁锁紧装置5用于锁定移动横梁11的位置，防止其移动。

在本实施例的一种具体实施方式中，横梁锁紧装置5有夹紧器、气动夹具、快捷夹具。

在本实施例的一种具体实施方式中，锚板基础结构8带有系泊锚链的连接孔，锚板基础结构8可以根据设计需要安装在一定土深的土箱环境中，因此可以通过埋置土的深度和土的重度，给予锚板基础结构8抵抗系泊缆绳拔拽的拉力，从而使得锚板基础结构8（即法向承力锚）具有抵抗拔出的力。通过本发明的装置，不仅可以探究系泊缆绳6的在海洋循环载荷下的张力和位移响应，而且可以探究锚板基础结构8（即法向承力锚）与土体的动力响应。

动态作动器1为全数字电液伺服控制器，用于设定系缆的平均张力和张力幅值；可以将载荷通过纤维系泊缆绳6或锚链传递到锚板基础结构8，给锚板基础结构施加往复的循环载荷，从而可以模拟实际海洋工程中正在运行的锚泊缆绳工程。

动态作动器1为系泊缆绳6提供海洋环境载荷，其控制波形类型包括：正弦波、三角波、方波、锯齿波等函数波，多点保持、多点折线、半余弦谱载等可编辑波，预录制随机波、同步输入波形等。

在本实施例的一种具体实施方式中，动态作动器1上的伺服阀16的输入端与计算机连接，计算机通过采集各传感器的数据后将加载信号输入至伺服阀16，伺服阀16的输出端输出调制的流量和压力。

在本实施例的一种具体实施方式中，装置本体内设置有2根对称的立柱2，立柱2用于增加装置本体的强度和刚度的。

在本实施例的一种具体实施方式中，所述装置本体与地面之间设置有支撑装置本体的支撑架。

在本实施例的一种具体实施方式中，装置本体为一长方体盒子状构型，包括设置于底部的底座13和设置于长边两端的前横梁15、后横梁10，动态作动器1设置于前横梁15的外端，并穿过前横梁15与系泊缆绳6连接，后横梁10设置有通孔并与导轮7连接。

如图1所示，在本实施例的一种具体实施方式中，装置本体上还设置有防护罩4，优先防护罩4为透明防护罩。

在本实施例的一种具体实施方式中，导轮7为定滑轮。

在本实施例的一种具体实施方式中，系泊缆绳6可以用锚链替换。

在本实施例的一种具体实施方式中，还包括力传感器21和拉线位移传感器，力传感器21用于测量系泊缆绳6所承受的张力和测量锚板基础结构8提供的抗拔承载力，拉线位移传感器可以用于测量系泊缆绳6或锚链的标记段的伸长量以及锚板基础结构的总体位移变化量。

在本实施例的一种具体实施方式中，拉线位移传感器包括第一拉线位移传感器18和第二拉线位移传感器22，第一拉线位移传感器18的一端固定在前横梁15上，另一端与第一标记19连接，第二拉线位移传感器22的一端固定在前横梁15上，另一端与第二标记20连接；通过两个拉线位移传感器（18,22）分别测量两个标记点的位移变化，分析两个拉线位移传感器（18,22）的位移伸长量可以得出系泊缆绳6标记段的伸长量和锚板基础结构8的总体位移变化量。

在本实施例的一种具体实施方式中，系泊缆绳6的第一标记19和第二标记20皆位于内水箱中，两个标记之间的缆绳为系泊缆绳标记段。

在本实施例的一种具体实施方式中，力传感器21设置于系泊缆绳6上，用于测量系泊缆绳6所承受的张力。

在本实施例的一种具体实施方式中，土压传感器17设置于土箱9之中，用于测量土压力，可以通过设置多个的土压力传感器17，监测土体的变化情况。

在本实施例的一种具体实施方式中，土箱9能够通过放置不同的垫层上下调整锚板基础结构8位置高度，即所采用的土箱9可以根据试验的需要进行位置的调整，因此可以保证试验过程中系缆和锚构成的系统可以完全模拟和仿真实际服役过程中的状态；土箱9优选有机玻璃材料制作。

在本实施例的一种具体实施方式中，土箱9内承载有海洋土。

本发明采用全数字电液伺服控制器模拟波浪载荷，采用可以允许系泊缆绳6贯穿的移动横梁，穿过移动横梁11的系泊缆绳6后再通过导轮7转换绳索的方向后，将系泊缆绳6和锚板基础结构8进行连接，在土箱9中放置的土体或地基土用以抵抗锚板被拔出，从而可以模拟实际海洋工程中“海洋土-深水锚-系泊缆绳-海洋浮体”相互作用的实际工程状态，从而构建真实的海洋锚固系缆实验装置，进而实现对深海锚固结构和平台的锚泊实验研究，为深远海系泊系统的试验探究提供了新的技术手段和结构形式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：包括装置本体，所述装置本体一端的外部设置有动态作动器，另一端的外部依次设置有导轮和土箱，所述土箱内埋有锚板基础结构；所述装置本体内设置依次设置有水箱系统、循环加载设备；所述系泊缆绳的一端与动态作动器的牵引端连接，另一端与锚板基础结构连接，系泊缆绳在装置本体内依次穿过水箱系统和循环加载设备；所述水箱系统用于模拟海洋水环境；所述循环加载设置用于为将载荷通过系泊缆绳传递至锚板基础结构；动态作动器用于为锚板和系泊缆绳提供海洋环境载荷。

2.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述系泊缆绳自动态作动器的牵引端依次穿过水箱系统、贯穿循环加载设备后再穿出装置本体后经过导轮与锚板基础结构连接。

3.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述循环加载设备包括移动横梁、缆绳夹具以及与动态作动器连接的静载加载装置，所述静载加载装置为两条对称设置且为移动横梁提供移动导向的导轨，所述移动横梁中心设置有供系泊缆绳贯通的通孔，移动横梁的两端分别与静载加载装置的导轨连接；所述缆绳夹具设置于装置本体内，且设置于动态作动器的牵引端与移动横梁的中间，用于加持系泊缆绳。

4.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述锚板基础结构为带有系泊锚链连接孔的锚板，锚板基础结构根据设计需要安装在一定土深的土箱环境中。

5.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述装置本体内设置有2根对称的立柱，所述立柱用于增加装置本体的强度和刚度的。

6.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述装置本体为一长方体盒子状构型，包括设置于底部的底座和设置于长边两端的前横梁、后横梁，所述动态作动器设置于前横梁的外端，并穿过前横梁于系泊缆绳连接，所述后横梁设置有通孔并与导轮连接。

7.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述装置本体上还设置有防护罩。

8.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述导轮为定滑轮。

9.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：还包括力传感器和拉线位移传感器，所述力传感器用于测量系泊缆绳所承受的张力和测量锚板提供的抗拔承载力，所述拉线位移传感器用于测量系泊缆绳标记段的伸长量以及锚板的总体位移变化量。

10.根据权利要求1所述的一种锚泊绳缆工程的实验系统装置，其特征在于：所述土箱能够通过放置不同的垫层上下调整锚板基础结构位置高度。

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