CN116558792B - 用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于海上风机地震‑波浪耦合作用的测试装置及测试方法，该测试装置包括设置在岩土离心机的吊篮里面的模型箱，模型箱包括安装在岩土离心机的吊篮内的振动台台面上的底板及位于底板上的四面的侧板，其中一组相对的侧板为刚性结构且至少一个刚性结构的侧板为可视化玻璃窗，另一组相对的侧板为非刚性结构，测试单桩基础风机缩尺模型响应时模型箱的内部土层中间安装有单桩基础海上风电整体缩尺模型，测试浮式基础海上风机缩尺模型响应时，电缆锚固在模型箱箱底，模型箱内部位于一个非刚性结构的侧板的一侧安装有造波装置，其相对的另一个非刚性结构的侧板的内侧安装有消波装置；摄像机布置在岩土离心机吊篮上用于实时监控模型箱内部的响应。

Description

用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于海上风技术领域，具体涉及一种用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置及测试方法。

背景技术

随着清洁能源的推广，海上风电行业的发展空间越来越大。目前，海上风机的基础型式主要包括桩基础、导管架基础、重力式基础、吸力式基础和浮式基础等。主要依赖数值模拟方法，研究地震-波浪耦合作用下的风机响应，然而，该方法计算量大，并依赖精确的数值模型。模型试验可准确反映结构的真实响应，然而，缺乏对浮式风机、电缆响应的试验装置，尚无研究地震-波浪耦合作用下结构响应的试验装置。

发明内容

技术问题：针对现有地震-波浪耦合作用下的风机响应的研究缺失，本发明提供一种用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置及测试方法，可对不同基础类型的海上风机进行试验分析，并且，可视化的智能设备可有效能解决电缆和风机基础模型响应难以测试的技术难题。

技术方案：为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明首先提供一种用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置，包括设置在岩土离心机的吊篮里面的模型箱，所述模型箱包括安装在岩土离心机的吊篮内的振动台台面上的底板以及位于底板上的四面的侧板，其中一组相对的侧板为刚性结构且至少一个刚性结构的侧板为可视化玻璃窗，另一组相对的侧板为非刚性结构，测试单桩基础风机缩尺模型响应时所述模型箱的内部土层中间安装有单桩基础海上风电整体缩尺模型，测试浮式基础风机缩尺模型响应时所述模型箱内部安装有浮式海上风机整体缩尺模型，电缆锚固在模型箱箱底，所述模型箱内部位于一个所述非刚性结构的侧板的一侧安装有造波装置，其相对的另一个非刚性结构的侧板的内侧安装有消波装置；摄像机布置在岩土离心机吊篮上用于实时监控模型箱内部的响应。

进一步地，所述非刚性结构的侧板采用多层铝环叠加组成且其内侧设置有防漏水的橡胶膜，外侧设置有限位杆，所述限位杆上端设置有吊装环。

进一步地，所述造波装置包括造波驱动器、造波弧面板、造波驱动杆，所述造波驱动器连接造波驱动杆控制造波弧面板上下运动。

进一步地，所述消波装置内嵌消波材料，所述消波材料由三层消波层组成的复合结构，分别为多孔球消波表层、消波海绵夹层、消波多孔版底层。

进一步地，所述摄像机布置有多个。

进一步地，所述用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置还包括智能控制终端，所述智能控制终端连接所述摄像机、造波器、岩土离心机的数据采集装置。

本发明还提供一种上述用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置的安装方法，该方法包括如下步骤：

（11）对根据岩土离心机工作性能对所要研究的海上风机进行缩尺，并根据缩尺比制作缩尺模型，针对浮式海上风机缩尺模型，电缆锚固在模型箱箱底；针对单桩基础风机缩尺模型，风电基础安装在模型箱内部的土层中；

（12）模型箱的非刚性侧板的内侧分别安装造波器和消波器；

（13）使用吊车设备穿过模型箱吊装环，将模型箱吊装安装到离心机吊篮里，固定在离心振动台台面；

（14）在岩土离心机吊篮上固定摄像机，摄像捕捉点根据试验需要布置多个；

（15）所有设备安装完毕，将岩土离心机，造波装置、摄像机均通过数据传输装置与智能控制终端连接。

本发明另外还提供一种用上述的用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置进行海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，该方法包括如下步骤：

（21）对电缆进行分段标记；

（22）启动岩土离心机，通过智能控制终端控制离心机离心加速度，达到目标离心加速度后，先启动造波驱动器，检测波浪荷载作用下缩尺模型响应；再启动岩土离心机的离心振动台，输出地震波，实现地震-波浪耦合作用下风机缩尺模型的离心振动台测试；

（23）摄像机可以采集到地震-波浪耦合作用下单桩基础风机或者浮式海上风机缩尺模型的响应视频和图像；

（24）对步骤（23）采集到的视频数据进行分析处理，提取特征点的位移响应，具体方法是：1）选取特征点；2）依据数值模型计算各特征点的位移响应；3）依据上一时刻特征点的位置以及计算得到的位移响应，预测当前时刻特征点的位置；4）依据预测的当前位置，采用图像特征匹配算法在预测位置附近进行特征匹配，确定特征点的当前位置；5）重复3）和4），识别各特征点的运动轨迹。

本发明的有益效果为：

1.本发明能够实现海上风机地震-波浪同时作用下的加载，为风机整体性能分析创造了试验条件。

2.本发明的离心振动台可视化智能装置，智能控制终端实现远程控制离心机振动台、造波设备、可视化智能数据采集。

3.本发明可实现对浮式海上风机电缆响应研究，为浮式风机的设计提供技术支撑，与现场试验相比节约了大量的人力物力，操作简便。

附图说明

图1为海上风机离心振动台试验的测试图；

图2为浮式海上风机地震-波浪耦合作用测试图；

图3为单桩基础海上风机地震-波浪耦合作用测试图；

图4为可视化模型箱底板；

图5为图消波装置；

图6为图造波装置；

图中有：消波装置1、造波装置2、限位杆3、锚固螺栓4、离心振动台台面5、底板6、可视化玻璃窗7、吊装环8、配重装置9、岩土离心机10、数据采集装置11、吊篮12、摄像机13、振动台油压装置14、智能控制终端15、浮式风机锚固装置16、浮式风机电缆缩尺模型17、浮式海上风机整体缩尺模型18、单桩基础海上风机整体缩尺模型19、土层20、风机基础21、消波材料22、多孔球消波表层22a、消波海绵夹层22b、消波多孔版底层22c、造波驱动器23、造波弧面板24、造波驱动杆25。

实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1-6所示，本实施例的用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置，包括设置在岩土离心机10的吊篮12里面的模型箱，所述模型箱包括安装在岩土离心机的吊篮内的振动台台面上的底板6以及位于底板上的四面的侧板，其中一组相对的侧板为刚性结构且至少一个刚性结构的侧板为可视化玻璃窗7，另一组相对的侧板为非刚性结构，所述模型箱的内部土层20中间安装有单桩基础海上风电整体缩尺模型18，所述单桩基础海上风电整体缩尺模型18上安装有浮式海上风机整体缩尺模型17，电缆锚固在模型箱箱底，所述模型箱内部位于一个所述非刚性结构的侧板的一侧安装有造波装置2，其相对的另一个非刚性结构的侧板的内侧安装有消波装置1；摄像机13布置在岩土离心机的吊篮12上用于实时监控模型箱内部的响应。本实施例的岩土离心机10采用现有技术中常用的岩土离心机，其包括转动轴，设置在转动轴上方的数据采集装置11、与转动轴连接的横梁，横梁的一端设置有配重装置9，另一端设置所述的吊篮12。

本实施例中所述非刚性结构的侧板采用多层铝环叠加组成且其内侧设置有防漏水的橡胶膜，外侧设置有限位杆3，所述限位杆上端设置有吊装环8。铝环可以滑动，以减小模型箱边界效应。

本实施例中所述造波装置包括造波驱动器23、造波弧面板24、造波驱动杆25，所述造波驱动器连接造波驱动杆控制造波弧面板上下运动，从而产生不同频率不同波长的波，这也是现有技术中常见的造波装置。

本实施例中所述消波装置2内嵌消波材料22，消波材料22是由三层消波层组成的复合结构，分别为多孔球消波表层22a、消波海绵夹层22b、消波多孔版底层22c。

本实施例中所述摄像机布置有多个，能够透过模型箱可视化玻璃窗7实时记录加载过程中浮式海上风机整体缩尺模型18或者单桩基础海上风整体电缩尺模型19的响应。

本实施例中所述用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置还包括智能控制终端15，所述智能控制终端连接所述摄像机、造波器、岩土离心机的数据采集装置。智能控制终端15可以实现对离心振动台地震波输出控制、造波控制、数据采集、数据分析和试验结果显示。

上述用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置的安装方法，该方法包括如下步骤：

（11）对根据岩土离心机工作性能对所要研究的海上风机进行缩尺，并根据缩尺比制作缩尺模型，针对浮式海上风机缩尺模型，电缆锚固在模型箱箱底；单桩基础风机缩尺模型，风电基础安装在模型箱内部的土层中；

（12）模型箱的非刚性侧板的内侧分别安装造波器和消波器；

（13）使用吊车设备穿过模型箱吊装环，将模型箱吊装安装到离心机吊篮里，固定在离心振动台台面；

（14）在岩土离心机吊篮上固定摄像机，摄像捕捉点根据试验需要布置多个；

（15）所有设备安装完毕，将岩土离心机，造波装置、摄像机均通过数据传输装置与只能控制终端连接。

本发明另外还提供一种用上述的用于海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置进行海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，该方法包括如下步骤：

（21）对电缆进行分段标记；

（22）启动岩土离心机，通过智能控制终端控制离心机离心加速度，达到目标离心加速度后，先启动造波驱动器，检测波浪荷载作用下缩尺模型响应；再启动岩土离心机的离心振动台，输出地震波，实现地震-波浪耦合作用下风机缩尺模型的离心振动台测试；

（23）摄像机可以采集到地震-波浪耦合作用下单桩基础风机或者浮式海上风机缩尺模型的响应视频和图像;

（24）对步骤（23）采集到的视频数据进行分析处理，提取特征点的位移响应，具体方法是：1）选取特征点；2）依据数值模型计算各特征点的位移响应；3）依据上一时刻特征点的位置以及计算得到的位移响应，预测当前时刻特征点的位置；4）依据预测的当前位置，采用图像特征匹配算法在预测位置附近进行特征匹配，确定特征点的当前位置；5）重复3）和4），识别各特征点的运动轨迹。

以上所述尽是本发明的优选实施方式，应指出：对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下依旧可以做出若干改进，这些改进亦应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置进行海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，所述的海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置包括设置在岩土离心机的吊篮里面的模型箱，所述模型箱包括安装在岩土离心机的吊篮内的振动台台面上的底板以及位于底板上的四面的侧板，其中一组相对的侧板为刚性结构且至少一个刚性结构的侧板为可视化玻璃窗，另一组相对的侧板为非刚性结构，测试单桩基础风机缩尺模型响应时所述模型箱的内部土层中间安装有单桩基础海上风电整体缩尺模型，测试浮式基础风机缩尺模型响应时所述模型箱内部安装有浮式海上风机整体缩尺模型，电缆锚固在模型箱箱底，所述模型箱内部位于一个所述非刚性结构的侧板的一侧安装有造波装置，其相对的另一个非刚性结构的侧板的内侧安装有消波装置；摄像机布置在岩土离心机吊篮上用于实时监控模型箱内部的响应；

其特征在于，所述造波装置包括造波驱动器、造波弧面板、造波驱动杆，所述造波驱动器连接造波驱动杆控制造波弧面板上下运动；该测试方法包括如下步骤：

（21）对电缆进行分段标记；

（22）启动岩土离心机，通过智能控制终端控制离心机离心加速度，达到目标离心加速度后，先启动造波驱动器，检测波浪荷载作用下缩尺模型响应；再启动岩土离心机的离心振动台，输出地震波，实现地震-波浪耦合作用下风机缩尺模型的离心振动台测试；

（23）摄像机可以采集到地震-波浪耦合作用下单桩基础风机或者浮式海上风机缩尺模型的响应视频和图像；

（24）对步骤（23）采集到的视频数据进行分析处理，提取特征点的位移响应，具体方法是：1）选取特征点；2）依据数值模型计算各特征点的位移响应；3）依据上一时刻特征点的位置以及计算得到的位移响应，预测当前时刻特征点的位置；4）依据预测的当前位置，采用图像特征匹配算法在预测位置附近进行特征匹配，确定特征点的当前位置；5）重复3）和4），识别各特征点的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，其特征在于，所述非刚性结构的侧板采用多层铝环叠加组成且其内侧设置有防漏水的橡胶膜，外侧设置有限位杆，所述限位杆上端设置有吊装环。

3.根据权利要求1所述的海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，其特征在于，所述消波装置内嵌消波材料，所述消波材料由三层消波层组成的复合结构，分别为多孔球消波表层、消波海绵夹层、消波多孔版底层。

4.根据权利要求1所述的海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，其特征在于，所述摄像机布置有多个。

5.根据权利要求1所述的海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，其特征在于，所述海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置还包括智能控制终端，所述智能控制终端连接所述摄像机、造波器、岩土离心机的数据采集装置。

6.根据权利要求1所述的海上风机地震-波浪耦合作用的测试方法，其特征在于，所述海上风机地震-波浪耦合作用的测试装置的安装方法包括如下步骤：

（11）对根据岩土离心机工作性能对所要研究的海上风机进行缩尺，并根据缩尺比制作缩尺模型，针对浮式海上风机缩尺模型，电缆锚固在模型箱箱底；针对单桩基础风机缩尺模型，风电基础安装在模型箱内部的土层中；

（12）模型箱的非刚性侧板的内侧分别安装造波器和消波器；

（13）使用吊车设备穿过模型箱吊装环，将模型箱吊装安装到离心机吊篮里，固定在离心振动台台面；

（14）在岩土离心机吊篮上固定摄像机，摄像捕捉点根据试验需要布置多个；

（15）所有设备安装完毕，将岩土离心机，造波装置、摄像机均通过数据传输装置与智能控制终端连接。