CN114112301A - 一种适用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，水池底部系泊有海洋平台模型，池中设有模型冰，该装置安装在水池上方，包括用于将装置安装在水池上方的固定支架、用于调整模型冰间相对位置的空间调整机构、用于对模型冰的位置进行纵向调节同时限制其水平位移的升降机构和用于配合升降机构对模型冰进行位置调整的拓伸机构。本发明可以根据实验研究需求，精准控制模拟浮冰区域与系泊浮式平台之间的相对位置，并可以灵活调整浮冰区域中浮冰密集度以及浮冰的空间分布形式，同时利用力学性质等效的模型浮冰，能够用于常温水池，不需进行制冰和调整水池温度，相比于低温冰水池实验可以极大降低实验成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于浮冰和海洋结构物模拟的水池实验装置，尤其涉及一种能够用于常温水池且能准确控制模拟过程中浮冰位置的冰与海洋结构物耦合运动实验装置。
背景技术
传统海洋油气资源开发主要集中在墨西哥湾、波斯湾、中国南海、西非几内亚湾和巴西深水等地区，海洋平台作为海洋油气资源钻采的核心装备，在这些地区主要承受风、浪、流等载荷，相关的载荷评估方法已经可以基本满足工程装备设计需求。然而，随着人类对油气资源需求量的日益增长，同时传统油气田产量的稳定或逐年下降等因素，促使一些近北极国家相继启动了北极及其周边区域的海洋油气资源开采计划。据评估，北极地区的原油储量大概为2500亿桶，相当于目前世界原油总储量的1/4，北极地区的天然气储量估计为80万亿立方米，占全世界天然气储量的45％。
相比于传统油气资源开采海域，北极地区典型特征为海冰覆盖。特别是，伴随着全球气温周期性整体变暖，北极地区的海冰多以中小尺度的碎冰形态存在，海冰的存在可能对极地油气钻采装备造成巨大安全隐患。据统计，目前北极海上油气资源开发装备主要为固定式人工岛、自升式平台、钻井船、圆筒半潜式钻井平台等。但是，受限于目前的分析手段和设计技术，大多数钻井装备利用无冰窗口期进行钻采作业。为了提高极地装备钻采作业安全性和作业周期，急需开展相关的中小尺度碎冰与海洋平台耦合水动力特性研究。其中，实验研究是重要的一环，但是，现有实验技术和实验设施尚不能满足阵列模型冰与海洋结构物耦合运动实验需求。
现有技术中申请公布号CN105966550A公开了一种组合可移动密封式模型实验冰水池，包括牵引系统、池体和制冷板，该发明将制冷板作为池体的上盖通过合页安装在一侧的侧板上，牵引系统采用牵引机设置在池体一端与滑轮、牵引绳索连接。但是，该装置难以实现波浪场中阵列中小尺度海冰与海洋结构物耦合运动实验，且在实验过程中无法准确控制海冰单元间以及海冰阵列与海洋平台的相对位置，同时冻结冰难以准确满足和极地真实海冰的力学特定等效，如弯曲刚度等，且模拟过程中需要对水池温度进行控制，导致实验模拟难度大且与真实环境差距较大，因此模拟结果不够准确。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于常温水池且模拟过程更接近真实海冰结构的冰与海洋结构物耦合运动实验装置。
技术方案：本发明的安装在水池上方，所述水池底部系泊有海洋平台模型，水池中设有模型冰，其特征在于，所述装置包括用于将装置安装在水池上方的固定支架、用于调整模型冰间相对位置的空间调整机构、用于对模型冰的位置进行纵向调节同时限制其水平位移的升降机构和用于配合升降机构对模型冰进行位置调整的拓伸机构；所述空间调整机构与固定支架连接，所述升降机构与空间调整机构相对滑动连接，所述拓伸机构与升降机构固定连接。
所述固定支架底部安装有可转动式滚轮，滚轮为双轮缘机构，且滚轮宽度与水池侧壁的厚度相匹配。
所述空间调整机构包括横移运动机构和纵移运动机构，所述横移运动机构包括第一横移运动结构和第二横移运动结构。
所述固定支架包括支架本体，所述支架本体两侧装有第一支撑架和第二支撑架；所述第一支撑架设有第一横移运动机构，第二支撑架上设有第二横移运动机构；所述第一横移运动机构包括第一横移运动丝杆，所述第一横移运动丝杆上设有两个第一横移运动丝杆滑块；所述第二横移运动机构包括第二横移运动丝杆，所述第二横移运动丝杆上设有两个第二横移运动丝杆滑块，所述第一横移运动机构和第二横移运动机构还包括用于驱动第一横移运动丝杆滑块和第二横移运动丝杆滑块沿丝杆轴向运动的第一步进电机和第二步进电机，所述相邻第一横移运动丝杆滑块之间由第一横向连接板相连，相邻第二横移运动丝杆滑块之间由第二横向连接板相连。
所述纵移运动结构包括纵向固定板、纵移运动丝杆和纵移运动丝杆滑块，所述纵向固定板两端与第一横向连接板和第二横向连接板固定连接；所述纵移运动丝杆上装有若干由纵移步进电机驱动的纵移运动丝杆滑块。
所述升降部件包括升降丝杆和与纵移运动丝杆滑块固定连接的升降舱体，所述升降舱体中设有蜗轮、蜗杆、输出电机、主动齿轮和从动齿轮；所述蜗轮上开有与升降丝杆相配合的内螺纹，所述蜗轮两端面上设有球轴承；所述主动齿轮设置在输出电机的输出轴上，所述从动齿轮套设于蜗杆一端。
所述拓伸机构固定在升降丝杆的端部，包括壳体，所述壳体上有十字形构造的分支，每一分支的内壁均设有固定齿条和导轨，所述导轨上滑动设置有活动齿条，所述固定齿条和活动齿条之间设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与固定齿条和活动齿条相啮合。
所述活动齿条包括主动齿条和从动齿条，所述主动齿条和从动齿条垂直设置，所述主动齿条的驱动齿轮安装在主动轴上，所述主动轴上还装有主动直齿轮和主动锥齿轮，所述主动齿轮与电动机输出轴上安装的齿轮相啮合，所述从动齿条的驱动齿轮安装在从动轴上，所述从动轴上套设有从动轴的驱动齿轮和从动锥齿轮，所述主动锥齿轮和从动锥齿轮垂直啮合；所述各齿轮与其对应的轴均通过键连接的方式固定。
所述拓伸机构壳体的各分支端部均有开口，每个开口处均设有模型冰约束件和开有通孔的约束件安装架，所述模型冰约束件固定在约束件安装架的通孔中并向下延伸，所述模型冰约束件安装在活动齿条的端部。
所述模型冰为多层夹板粘结结构，中间层为PVC板，外层为铜片，所述PVC板为网眼结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明可以根据实验研究需求，精准控制模拟浮冰区域与系泊浮式平台之间的相对位置，并可以灵活调整浮冰区域中浮冰密集度以及浮冰的空间分布形式，同时利用力学性质等效的模型浮冰，能够用于常温水池，不需进行制冰和调整水池温度，相比于低温冰水池实验可以极大降低实验成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例的实验模拟图；
图2为本发明一个实施例的固定支架与空间调整机构连接示意图；
图3为本发明一个实施例的固定支架爆炸图；
图4为本发明一个实施例的空间调整机构爆炸图；
图5为本发明一个实施例的升降机构、拓伸机构与模型冰连接示意图；
图6为本发明一个实施例的升降机构示意图；
图7为本发明一个实施例的升降机构爆炸图；
图8为本发明一个实施例的拓伸机构示意图
图9为本发明一个实施例的拓伸机构爆炸图；
图10为本发明一个实施例的拓伸机构内部齿条齿轮连接驱动示意图；
图11为本发明一个实施例的模型冰示意图；
图12为本发明所述装置使用流程图。
图中，1-固定支架，2-空间调整机构，3-升降机构，4-拓伸机构，5-模型冰，11-第一支撑架，12-第二支撑架，13-滚轮，21-横移运动丝杆机构，22-纵移运动丝杆机构，211-第一横移运动丝杆，212-第一横移运动丝杆滑块，213-第一步进电机，214-第一连接板，215-第二横移运动丝杆，216-第二横移运动丝杆滑块，217-第二步进电机，218-第二连接板，221-纵向支撑板，222-纵移运动丝杆，223-纵移运动丝杆滑块，224-纵移步进电机，31-升降舱体，32-输出电机，33-主动齿轮，34-从动齿轮，35-蜗杆，36-蜗轮，37-球轴承，38-升降丝杆，39-杆套，41-壳体，42-电动机，43-电机输出端齿轮，44-主动直齿轮，451-从动锥齿轮，461-主动轴，47-活动齿条，48-固定齿条，49-驱动齿轮，462-从动轴，452-从动锥齿轮，410-约束件安装架，411-模型冰约束件，51-PVC板，52-铜片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1-10所示，本实施例中的适用于常温水池的阵列模型冰与海洋结构物耦合运动实验装置，包括固定支架1、空间调整机构2、升降机构3和拓伸机构4，实验装置通过固定支架1安装在矩形水池上方，水池靠近造波板处安装有系泊在水池底部的海洋平台模型；空间调整机构2包括横移运动丝杆机构21和纵移运动丝杆机构22，横移运动丝杆机构21包括第一横移运动丝杆机构和第二横移运动丝杆机构，分别设置于固定支架1左右两侧的第一支撑架11和第二支撑架12上，纵移运动丝杆机构22通过纵向支撑板安装于横移运动丝杆机构21上方，用于调整浮冰间的相对位置，其上按具体实验需要设置有多个纵移运动丝杆滑块223，从而实现不同密集度的阵列；升降机构3装于纵移运动丝杆机构22的纵移运动丝杆滑块223上，用于对位于空间调整机构2下方的模型冰5进行固定，限制其水平位移；拓伸机构4装于升降机构3的升降丝杆38的底端，能够根据模型冰5的大小做出相应的延伸配合升降机构3对模型冰5进行固定。
如图3所示的是固定支架1的结构，包括第一支撑架11、第二支撑架12和滚轮13。第一支撑架11与第二支撑架12用于空间调整机构2；四个滚轮13均可转动式的对称设置在固定支架1的架腿底部，车轮为双轮缘机构，与矩形水池侧壁配合，且滚轮宽度与水池侧壁的厚度相匹配。
如图4所示的是空间调整机构2的结构，包括第一横移运动丝杆211、第一横移运动丝杆滑块212、第一步进电机213、第一连接板214、第二横移运动丝杆215、第二横移运动丝杆滑块216、第二步进电机217、第二连接板218、纵向支撑板221、纵移运动丝杆222、纵移运动丝杆滑块223和纵移步进电机224。第一横移运动丝杆211和第二横移运动丝杆215分别放置于固定支架1左右两侧的第一支撑架11和第二支撑架12上，第一和第二横移运动丝杆上分别设有两个第一运动丝杆滑块212和第二运动丝杆滑块216，分别在第一步进电机213和第二步进电机217的驱动下同步进行轴向运动，同侧两运动丝杆滑块上方装有通过螺栓联结的连接板214；第一连接板11和第二连接板12的中央有同样通过螺栓连接的纵向支撑板221，纵向支撑板221上方固定纵移运动丝杆222，纵移运动丝杆222上设有若干纵移运动丝杆滑块223，均可在电机224的驱动下自由移动。
如图6和图7所示的是升降机构3的结构，主要包括升降舱体31、输出电机32、主动齿轮33、从动齿轮34、蜗杆35、蜗轮36、一对大小相等的球轴承37、升降丝杆38和杆套39。升降机构3主要设置在纵移运动丝杆滑块223侧面，每个纵移运动丝杆滑块旁均通过焊接固定有一个升降舱体31；升降机构输出电机32通过铆钉固定在升降舱体31的底面上，其输出轴上的主动齿轮33与装在蜗杆35一端的从动齿轮34大小相等，相互啮合；蜗杆35被加工成阶梯轴，中间一段设有螺纹，通过轴肩固定的形式安装于在舱体内部31侧壁；升降丝杆38的直径与蜗轮36中心内径相等，蜗轮36中心是内螺纹结构，相当于升降丝杆38的螺母，和升降丝杆38相匹配；一对大小相等的球轴承37分别与蜗轮36上下两侧面相贴合，不仅能够支撑蜗轮36，还可以起到消除空隙的作用。当空间调整机构2根据指令移动到指定位置时，此时电动机32开始工作，可以自由控制升降丝杆38的上升以及下降，与其下方的拓伸机构4中的模型冰约束件411进行配合对模型冰5起固定作用。
如图8-10所示的是拓伸机构4的结构，主要包括壳体41、电动机42、安装在电动机输出轴上的齿轮43及与其啮合的主动直齿轮44、两个主动锥齿轮451、两个从动齿轮452、两根主动轴461、两根从动轴462、四根长度相同的活动齿条47和固定齿条48、四个相同的驱动齿轮49、四个约束件安装架410在本实施例中设置为中空管410和四个模型冰约束件411，在本实施例中设置为四根细杆。壳体41有十字形分支，四端主要沿X轴正负方向及Y轴正负方向展开且设有开口；拓伸机构4主要通过齿轮齿条进行驱动，四个大小相等的驱动齿轮49分别与装于壳体41上下内壁面的活动齿条和固定齿条相啮合，且上下齿条长度不同，固定齿条48的长度小于活动齿条47的长度，活动齿条47安装在壳体41所设的导轨中并可沿所设导轨运动；同时为了避免X轴、Y轴上下齿条在同一平面上相互干扰影响作业，X轴方向上短齿条48装于顶面而长齿条47装于底面，Y轴方向上长齿条47装于顶面而短齿条48装于底面。电动机42输出轴上的齿轮43与主动轴461上一端的主动直齿轮44相啮合，主动直齿轮44安装在主动轴461上，同时主动轴461上还装有与主动齿条啮合的驱动齿轮49和主动锥齿轮451，主动锥齿轮451与安装在从动轴462的从动锥齿轮452垂直啮合，从动轴462上还装有从动齿条的驱动齿轮49，由从动锥齿轮452带动从动轴和从动齿条的驱动齿轮49转动，从而使从动齿条实现水平伸缩(主动齿条和从动齿条均为活动齿条，为说明其工作方式，在名称上进行区分，将经过一次传动的称为主动齿条，经锥齿轮二次传动的称为从动齿条)；主动轴461和从动轴462的高度处于同一平面且装在壳体41底部设置的支撑部上，上述齿轮皆以键联接的方式固定在主动轴461或从动轴462上；壳体41每端开口处设有特定轨道与开口等宽的中空管410配合，中空管410最外端设有连接部，连接部内侧与长齿条47最外侧相连，下端设有通孔，通孔内固定有细杆411随升降机构3作业以对模型冰5进行约束，当活动齿条47受到驱动齿轮49驱动而向外移动时，带动中空管410也向外滑动，从而改变细杆411间的距离。
如图11所示的是模型冰5的结构，模型冰5主要由PVC板51与铜片52粘结构成。PVC板51是以PVC原料制成的截面为蜂巢状网眼结构的板材，防水、质轻；铜片52具有良好的抗腐蚀性，由PVC板51与铜片52粘结而成模型冰5，根据实测，海冰的密度一般在720kg/m^3至940kg/m^3之间，平均密度大约为910kg/m^3，弹性模量在4～9GPa之间，而铜片的密度大约为8900kg/m^3，弹性模量为119GPa，其参数均远大于冰；所采用PVC板的密度集中在400kg/m^3至700kg/m^3，弹性模量约为2.9～3.4GPa，故PVC板51和铜片的具体结构可根据待模拟的浮冰的物理特性而调整，适当调配铜片和PVC板的比例实现相关力学参数相似，从而可以实现模型冰与极地海冰的密度、弯曲刚度物理特性等效，从而在常温造波水池中实现阵列海冰与海洋结构物的耦合运动实现研究。
如图12所示，本发明的工作过程为：在水池中放入实验所需数量的模型冰，将固定支架1移动至实验所需区域，通过调整横移运动丝杆机构21使纵移运动丝杆机构22移至模型冰阵列的正上方，如阵列结构及尺寸不符合实验要求，则通过拓伸机构4对其进行调整，当调至符合实验要求时，调整升降机构3使模型冰约束件411降下对模型冰5进行固定，当所有模型冰5阵列全部位置调整和固定完成，即可开始实验。如当前实验装置无法满足实验需求，还可根据实验需求灵活增减实验装置。
Claims (10)
1.一种适用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，安装在水池上方，所述水池底部系泊有海洋平台模型，水池中设有模型冰，其特征在于，所述装置包括用于将装置安装在水池上方的固定支架(1)、用于调整模型冰间相对位置的空间调整机构(2)、用于对模型冰的位置进行纵向调节同时限制其水平位移的升降机构(3)、用于配合升降机构对模型冰进行位置调整的拓伸机构(4)；所述空间调整机构(2)与固定支架(1)连接，所述升降机构(3)与空间调整机构(2)相对滑动连接，所述拓伸机构(4)与升降机构(3)固定连接。
2.根据权利要求1所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述固定支架(1)底部安装有可转动式滚轮(13)，滚轮(13)为双轮缘机构，且滚轮(13)宽度与水池侧壁的厚度相匹配。
3.根据权利要求1所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述空间调整机构(2)包括横移运动机构(21)和纵移运动机构(22)，所述横移运动机构包括第一横移运动结构和第二横移运动结构。
4.根据权利要求3所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述固定支架(1)包括支架本体，所述支架本体两侧装有第一支撑架(11)和第二支撑架(12)；所述第一支撑架(11)上设有第一横移运动机构，第二支撑架(12)上设有第二横移运动机构；所述第一横移运动机构包括第一横移运动丝杆(211)，所述第一横移运动丝杆(211)上设有两个第一横移运动丝杆滑块(212)；所述第二横移运动机构包括第二横移运动丝杆(215)，所述第二横移运动丝杆(215)上设有两个第二横移运动丝杆滑块(216)，所述第一横移运动机构和第二横移运动机构还包括用于驱动第一横移运动丝杆滑块(212)和第二横移运动丝杆滑块(216)沿丝杆轴向运动的第一步进电机(213)和第二步进电机(217)。
5.根据权利要求4所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述相邻第一横移运动丝杆滑块(212)之间由第一横向连接板(214)相连，相邻第二横移运动丝杆滑块(216)之间由第二横向连接板(218)相连；所述纵移运动结构(22)包括纵向固定板(221)、纵移运动丝杆(222)和纵移运动丝杆滑块(223)，所述纵向固定板(221)两端与第一横向连接板(214)和第二横向连接板(218)固定连接；所述纵移运动丝杆(222)上装有若干由纵移步进电机(224)驱动的纵移运动丝杆滑块(223)。
6.根据权利要求5所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述升降机构(3)包括升降丝杆(38)和与纵移运动丝杆滑块(223)固定连接的升降舱体(31)，所述升降舱体(31)中设有蜗轮(36)、蜗杆(35)、输出电机(32)、主动齿轮(33)和从动齿轮(34)；所述蜗轮(36)上开有与升降丝杆(38)相配合的内螺纹，所述蜗轮(36)两端面上设有球轴承(37)；所述主动齿轮(33)设置在输出电机(32)的输出轴上，所述从动齿轮(34)套设于蜗杆(35)一端。
7.根据权利要求6所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述拓伸机构(4)固定在升降丝杆(38)的端部，包括壳体(41)，所述壳体(41)上有十字形构造的分支，每一分支的内壁均设有固定齿条(48)和导轨，所述导轨上滑动设置有活动齿条(47)，所述固定齿条(48)和活动齿条(47)之间设有驱动齿轮(49)，所述驱动齿轮(49)与固定齿条(48)和活动齿条(47)相啮合。
8.根据权利要求7所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述活动齿条(47)包括主动齿条和从动齿条，所述主动齿条和从动齿条垂直设置，所述主动齿条的驱动齿轮(49)安装在主动轴(461)上，所述主动轴(461)上还装有主动直齿轮(44)和主动锥齿轮(451)，所述主动齿轮(44)与电动机输出轴上安装的齿轮(43)相啮合，所述从动齿条的驱动齿轮(49)安装在从动轴(462)上，所述从动轴(462)上套设有从动齿条的驱动齿轮(49)和从动锥齿轮(452)，所述主动锥齿轮(451)和从动锥齿轮(452)垂直啮合；所述各齿轮与其对应的轴均通过键连接的方式固定。
9.根据权利要求8所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述拓伸机构(4)的壳体(41)的各分支端部均有开口，每个开口处均设有模型冰约束件(411)和开有通孔的约束件安装架(410)，所述模型冰约束件(411)固定在约束件安装架(410)的通孔中并向下延伸，所述模型冰约束件(411)安装在活动齿条(47)的端部。
10.根据权利要求1所述的用于常温水池的冰与海洋结构物耦合运动实验装置，其特征在于，所述模型冰(5)为多层夹板粘结结构，中间层为PVC板(51)，外层为铜片(52)，所述PVC板为网眼结构。
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