CN114720090A - 一种研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷‑开槽效应研究实验装置，包括实验水槽、金属锚链、设于实验水槽上的多自由度搭载平台以及设于实验水槽内的模型槽；所述的金属锚链一端与多自由度搭载平台相连，另一端与模型槽相连；所述多自由度搭载平台与模型槽底部的距离可调节以适应不同长度的金属锚链；所述多自由度搭载平台用于为金属锚链提供振荡运动；所述模型槽包括依次设置的假坡斜坡、假坡平坡以及沙槽。所述实验装置能够实现模拟锚泊系统多自由度组合的振荡运动；所述实验装置能够实现对不同直径、不同长度、不同水动力环境下锚泊系统的动力‑触底开槽效应的物理实验模拟。

Description

一种研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效 应研究实验装置

技术领域

本发明涉及一种研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，所述实验装置可用于研究锚泊系统多自由度组合运动下底床侵蚀形态和以及流场特性。

背景技术

目前，关于浮式结构锚泊系统的研究主要有理论分析，数值计算，物理模型实验三种方式。与传统的数值水槽模拟相比，物理模型实验能够模拟更为复杂的物理过程，得到的结果更加直观。锚泊系统的海床开槽效应是近年发现的一种海洋工程灾害，会导致锚体的承载力大幅降低，海床土体软化与冲刷、锚泊系统布置与内力的改变，导致锚泊破断、走锚等严重问题。

但是，由于海床开槽问题的复杂性，目前的数值模型较少的考虑水动力效应、海床土体、局部锚链振荡的耦合效应。通常的理论分析也只考虑两种因素下的耦合。无法还原真实环境下，开槽效应工程灾变的真实情况。因此，对于海洋工程中比较复杂的工程问题，通常采用考虑相似效应的模型试验，得到缩尺后的实验结果，用以指导工程实际。但是对于锚链触底-开槽效应的研究，却无法完全再现锚泊系统运行中的真实环境条件：首先，锚泊系统的开槽效应实验，在缩尺后仍需要八到十米水深的水槽深度。此时，无法有效的对水底锚泊系统开槽效应进行测量，需要对锚泊系统进行截断设计；其次，海洋极端环境下，浮式结构的运动是非常复杂的，呈现出多个自由度相互耦合的特征；风、浪、流荷载作用于锚泊系统，同时对锚链-海床相互作用过程产生重要影响。为了研究锚泊系统触底区的开槽效应，在实验室内，需要设计一套可复现锚泊系统真实运动响应的搭载平台，对锚泊系统进行阶段设计后，该平台可以模拟出截断后近底锚链-海床的多自由度耦合运动，且需要满足在运行数十万次情况下，振荡运动仍能保证稳定。同时，研究锚链在循环运动下其触底区流场的变化情况。这种锚泊系统触底区冲刷-开槽效应研究的模型实验装置可以实现对锚泊系统多自由度振荡下的开槽效应进行研究，避免了传统海工实验设计中比尺过大导致的测量问题，以及在进行开槽效应研究时无法实现平动-旋转自由度耦合的情况。

发明内容

针对传统浮式结构物锚泊系统的研究中存在的实验水深过大导致测量和研究困难、难以模拟锚泊系统的多自由度耦合振荡、缺少关于锚链触底段区与海床相互作用实验设计等相关问题，本发明设计了一种新型的研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置。本实验装置不仅可以模拟锚链在单个自由度方向上的循环振荡，而且可以通过控制器编程，实现多个平动自由度以及平动与转动自由度耦合运动，有利于进一步在小尺度实验环境条件下模拟锚泊系统在极端海洋环境下的运动响应以及触底区的冲刷-开槽效应。

本发明实现其技术要求的所采用的技术方案是：

一种研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，包括实验水槽、金属锚链、设于实验水槽上的多自由度搭载平台以及设于实验水槽内的模型槽；所述的金属锚链一端与多自由度搭载平台相连，另一端与模型槽相连；所述多自由度搭载平台与模型槽底部的距离可调节以适应不同长度的金属锚链；所述多自由度搭载平台用于为金属锚链提供振荡运动；所述模型槽包括依次设置的假坡斜坡、假坡平坡以及沙槽，所述假坡平坡数量可根据实际情况(实验水槽的尺寸和造流特性)增加，以保证水流在沙槽断面处均匀。

上述技术方案中，进一步地，所述的实验水槽上设有导轨，所述多自由度搭载平台通过滑块与导轨连接固定，从而实现水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动形式的传递。

更进一步地，所述假坡斜坡和假坡平坡的表面采用强力胶均匀地平铺有实验用沙。

进一步地，所述多自由度搭载平台包括导轨支架，四个步进电机，减速机，多自由度运动控制器以及四段滑轨；所述的导轨支架由若干水平和竖直的铝型材构成，导轨支架通过滑块与实验水槽上的导轨相连；四个步进电机包括一个转动步进电机和三个平动步进电机；所述四段滑轨包括三个平动滑轨和一个垂向滑轨，四段滑轨均位于导轨支架上；所述三个平动步进电机分别与平动滑轨相连，每个平动滑轨两端设有两个激光限位器，激光限位器用于给滑块提供运动零点和最大走程；所述转动步进电机和减速机设于垂向滑轨底端，转动步进电机连接有转动轮，转动轮与金属锚链一端相连，所述减速机用于对转动轮进行减速；所述多自由度运动控制器用于控制四个步进电机，从而为金属锚链提供振荡运动。所述的导轨支架包括：四根竖直的铝型材，与实验水槽上设置的导轨连接；两根水平铝型材，通过四个滑块与实验水槽上的导轨相连，并通过滑块侧边的螺丝进行预紧。所述多自由度搭载平台还包括柔性拖链电缆和履带拖链。以上所有的部件通过柔性拖链电缆并联并将所有电线固定在履带拖链内，通过一个220V交流电源供电。在电缆弯折局部弯折处，通过添加固定点和保护套的方式防止多次循环后电缆故障。所述的多自由度运动控制器采用TC55V控制器，TC55V控制器用于控制步进电机以及转动电机，从而带动金属锚链的一端运动。

更进一步地，所述金属锚链与转动轮之间设有拉力传感器；所述沙槽中心处设有锚板，所述金属锚链一端与锚板相连；所述锚板上设有多排安装孔，可实现对多根锚链、不同间距排列的锚链以及锚泊系统整体的冲刷-开槽效应的研究。

采用上述装置进行试验的方法为：

在接通电源之后，首先需要通过TC55V控制器设定电机的起动速度和运行速度。然后对每个自由度设定一个最大振荡频率依次试运行，通过与转动轮相连的拉力传感器读取加速度-时间曲线，确认平台整体的随机振动是否在实验研究的允许范围内。调试完成后，通过连接装置将金属锚链和拉力传感器相连接，使用固定螺栓将拉力传感器与转动轮固定连接，从而实现多自由度运动平台为金属锚链提供振荡运动。锚板上设置有安装孔，安装孔内装有挂钩，金属锚链的底部与锚板通过该挂钩相连接。在进行锚泊动力响应测量时，采用拉力传感器测得拉力曲线，并通过放大器输出。将现场测量或锚泊系统整体数值模拟输出锚泊线在预定工况下的位移振动曲线；通过相似准则将其转化为实验内的原始输入数据，得到简化后的多自由度振荡参数；通过控制器编程，实现四个步进电机协同运动，转动自由度通过减速机实现减速并反复改变转动方向的转动振荡，从而将耦合的多自由度运动传递到下部的锚泊系统。在每组工况完成后，通过改变锚板与挂钩固定的安装孔位置，改变锚泊系统的布置。

本发明的有益之处在于：

本发明提供了一种可以研究锚泊系统多自由度振荡物理模型的搭载平台，并设计了一种可以考虑水动力效应下，研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置。在实验室内实现了对锚泊系统多自由度循环振荡的模拟。本发明装置通过顶部提供的运动响应，可以分析有来流条件下，锚链-海床的相互作用机制。同时通过高速相机得到受多种因素影响下的近底锚泊系统轨迹时变曲线。与连接装置相连的拉力传感器可以分析顶部的动张力。多自由度搭载平台在实验完成后，可以重复利用作为沙槽的三维地形分析测量和剖面流场测量的搭载平台。本发明实验装置能够实现对不同直径、不同长度、不同水动力环境下锚泊系统的动力-触底开槽效应的物理实验模拟；该装置能够模拟实际海洋工程环境中，浮式结构及其附属的锚泊系统的多自由度运动响应，且可通过参数控制其运动的幅值和运动速度以达到模拟不同运动周期和幅值的锚泊系统运动情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明

图1是本发明的多自由度搭载平台示意图。

图2是本发明的模型槽示意图。

图3是本发明的锚链-锚板连接装置示意图。

图4是底部与水槽的连接滑块示意图。

图5是整套装置示意图。

图1中：1.铝型材2.步进电机3.平动滑轨4.激光限位器5.连接滑块6.履带拖链7.转动轮8.金属锚链9.金属锚链-锚板连接件10.锚板11.假坡斜坡12.假坡平坡13.沙槽14.搭载平台-水槽滑轨连接滑块

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

如图1为本发明的多自由度搭载平台，多自由度搭载平台组装过程为，将平动滑轨3(水平方向平动的机械滑轨)，与多条铝型材1用紧固件组装完毕后，将履带拖链6和拖链电缆装入平动滑轨3内部；将垂直振荡的步进电机2和平动滑轨3、履带拖链6，激光限位器4依次安装，通过四块连接滑块5连接与安装好的平动滑轨3相连接。平台搭好后依次将底部的铝型材1安装完毕。主体结构安装完成后，将剩余的步进电机2、激光限位器4依次装入平台。

将假坡斜坡11，假坡平坡12，沙槽13依次放置于实验水槽中，可以跟据实验水槽的尺寸和造流特性，调整放置假坡平坡12的数量。将沙槽13放置好后，进行水槽测试，在测得沙槽13上方为均匀来流后，可不再增加假坡平坡12。

将锚板10与金属锚链-锚板连接件9通过螺栓相连，放置于沙槽13的实验位置，将金属锚链8的一端与金属锚链-锚板连接件9连接，另一端与转动轮7以及拉力传感器连接。通过搭载平台-水槽滑轨连接滑块14将平台整体与水槽导轨连接在一起。

完成所有组装工作后，将拖链电缆与激光限位器4接入控制器并通电。将拉力传感器接入放大器，将多自由度运动平台的起步速度和振动频率调至实验数值，在放大器输出中检查导出的随机振动加速度是否满足要求，以及所有紧固件是否拧紧。

上述装置的试验过程为：

首先将实验用沙通过砂雨法装入沙槽13内，并用铁尺使沙床平铺，在实验水槽中进行空水槽验证，并根据验证结果调整假坡平坡12的数量。每次实验开始前，将拖链电缆与激光限位器4接入控制器并通电。将拉力传感器接入放大器，将多自由度运动平台的起步速度和振动频率调至实验数值，在放大器输出中检查导出的随机振动加速度是否满足要求，以及所有紧固件是否拧紧。水槽两侧为透明玻璃板，高速相机假设在水槽实验区侧面，以捕捉锚链的冲刷-开槽过程。在进行锚泊系统多自由度振荡的同时，与转动轮7相连接的测力传感器可以输出金属锚链8的动力响应。高速相机可以捕捉近底锚链在开槽效应影响下位移曲线的变化。在搭载平台到达预定的试验次数后，将与水槽相连的水泵缓慢停止，将地形扫描仪安装在搭载平台上，进行三维地形测量。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，其特征在于，包括实验水槽、金属锚链、设于实验水槽上的多自由度搭载平台以及设于实验水槽内的模型槽；所述的金属锚链一端与多自由度搭载平台相连，另一端与模型槽相连；所述多自由度搭载平台与模型槽底部的距离可调节以适应不同长度的金属锚链；所述多自由度搭载平台用于为金属锚链提供振荡运动；所述模型槽包括依次设置的假坡斜坡、假坡平坡以及沙槽，所述假坡平坡数量可根据实际情况增加，以保证水流在沙槽断面处均匀。

2.根据权利要求1所述的研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，其特征在于，所述的实验水槽上设有导轨，所述多自由度搭载平台通过滑块与导轨连接固定，从而实现水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动形式的传递。

3.根据权利要求2所述的研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，其特征在于，所述假坡斜坡和假坡平坡的表面采用强力胶均匀地平铺有实验用沙。

4.根据权利要求2所述的研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，其特征在于：所述多自由度搭载平台包括导轨支架，四个步进电机，减速机，多自由度运动控制器以及四段滑轨；所述的导轨支架由若干水平和竖直的铝型材构成，导轨支架通过滑块与实验水槽上的导轨相连；四个步进电机包括一个转动步进电机和三个平动步进电机；所述四段滑轨包括三个平动滑轨和一个垂向滑轨，四段滑轨均设于导轨支架上；所述三个平动步进电机分别与平动滑轨相连，每个平动滑轨两端设有两个激光限位器；所述转动步进电机和减速机设于垂向滑轨底端，转动步进电机连接有转动轮，转动轮与金属锚链一端相连，所述减速机用于对转动轮进行减速；所述多自由度运动控制器用于控制四个步进电机，从而为金属锚链提供振荡运动。

5.根据权利要求4所述的研究锚泊系统多自由度循环振荡下触底区冲刷-开槽效应研究实验装置，其特征在于：所述金属锚链与转动轮之间设有拉力传感器；所述沙槽中心处设有锚板，所述金属锚链一端与锚板相连；所述锚板上设有多排安装孔，可实现对多根锚链、不同间距排列的锚链以及锚泊系统整体的冲刷-开槽效应的研究。

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