CN207730571U

CN207730571U - 一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统

Info

Publication number: CN207730571U
Application number: CN201820151262.1U
Authority: CN
Inventors: 田晓洁; 王清扬; 谢大帅; 谢迎春; 刘贵杰; 刘运祥
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2028-01-30

Abstract

本实用新型公开一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，包括：工装平台，包括用于支撑桩腿弦杆和采集装置的工装架，置于波流水槽之上；用于连接金属支撑板和六维力传感器的上金属连接盘、用于连接六维力传感器和桩腿弦杆的下金属连接盘；用于固定桩腿弦杆、六维力传感器和金属连接盘的金属支撑板；实验平台，包括波流水槽、造波机、水泵、桩腿弦杆，造波机设置在水槽一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；水泵设置在水槽下方，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；桩腿弦杆底部设置在水槽中，顶部通过工装平台固定在水槽上；监测平台，包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪、用于采集和处理流速数据信号的流速仪、用于采集波流力的六维力传感器、用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器；控制平台，包括用于控制造波机电机输出功率和水泵电机输出功率的控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

Description

一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统

技术领域

本实用新型涉及海洋环境载荷测试技术，尤其是一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统。

背景技术

自升式海洋平台往往处于复杂多变的海洋环境，受到海风、海流、海浪、海冰等恶劣环境的作用。其中，海流和海浪环境载荷（以下简称波流载荷）直接作用于平台的桩腿上，这对平台的稳定性以及疲劳寿命将会产生不利的影响。此外，波流载荷往往是海洋平台的实际控制载荷，明确波流载荷的变化规律在海洋平台在设计阶段使用阶段的强度、稳定性分析阶段都具有十分重要的作用。

海洋平台桩腿长期插入海中，海洋环境对桩腿表面会产生不同程度的腐蚀以及海洋生物附着物（贝壳、海螺等）也会大量的附着在桩腿弦杆的表面，这将大大的提高了弦杆表面的粗糙度。以往的桩腿波流载荷实验往往忽略这一影响。除此之外，往往还忽略了桩腿弦杆的齿条、缩尺比、入水深度等因素的影响。忽略的这些因素都会对波流环境载荷的大小产生不同程度的影响。对于测试系统，以往的实验往往是通过测力杆上的应变片的变化得出波流载荷的大小，而粘贴在测力杆表面的应变片在波流的反复作用下，往往容易损坏，做完一组实验后必须更换，这往往对实验的效率和精度产生了很大的影响。因此，设计一套更为精确且考虑多因素的波流载荷系数（C_D、C_M）测试装置很有价值。

实用新型内容

本实用新型提供一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，考虑以往实验所忽略的因素，采用并行测试系统，提高了实验的测量精度，为得到多参数作用下波流载荷的变化规律提供理论和数据支持。

本实用新型提供一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，包括：

工装平台，包括用于支撑桩腿弦杆和采集装置的工装架，置于波流水槽之上；用于连接金属支撑板和六维力传感器的上金属连接盘、用于连接六维力传感器和桩腿弦杆的下金属连接盘；用于固定桩腿弦杆、六维力传感器和金属连接盘的金属支撑板。

实验平台，包括波流水槽、造波机、水泵、桩腿弦杆，所述造波机设置在水槽一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；所述水泵设置在水槽下方，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；所述桩腿弦杆底部设置在水槽中，顶部通过工装平台固定在水槽上。

监测平台，包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪、用于采集和处理流速数据信号的流速仪、用于采集波流力的六维力传感器、用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器。

控制平台，包括用于控制造波机输出功率和水泵输出功率的控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

其中，所述金属连接盘和六维力传感器通过控制连接的固定螺栓相对位置的角度，可以实现对桩腿弦杆的0°、45°、90°换向。

优选地，所述六维力传感器设置在上下金属连接盘的中间，三者通过螺栓连接，近似看成刚体；所述波高测试仪和流速仪均设置在工装架上；所述上下金属连接盘分别设置有一个所述应力应变传感器。

优选地，所述上金属连接盘通过螺栓连接所述金属支撑板；所述下金属连接盘通过螺栓连接所述桩腿弦杆。

优选地，所述桩腿弦杆、传感器和工装通过所述金属支撑板直接拔出，可实现快速更换桩腿弦杆。

本实用新型提供的自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，通过造波机在水槽中制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪，通过水泵造出量程内任意大小流速的海流，并通过监测平台采集上述模拟波流载荷作用下的力、应变、波高、周期以及流速等信号，最后通过控制系统对造波机电机和水泵电机输出功率的控制对实验平台进行控制运行，并对传感器测得的响应信号进行处理分析，最终显示在数据采集界面上，通过实验可以得出不同环境载荷下的水动力系数C_D、C_M，为得到多参数作用下波流载荷的变化规律提供理论和数据支持。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的实验系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的实验模型和工装架组成的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的水槽上方工装架上的金属支撑板的结构示意图；

图4位本实用新型实施例提供的金属连接盘的结构示意图（六维力传感器的外形尺寸与金属连接盘相同）。

具体实施方式

本实用新型实施例提供一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，包括：

工装平台，包括用于支撑桩腿弦杆10和采集装置的工装架2，置于波流水槽3之上；用于连接金属支撑板8和六维力传感器6的上金属连接盘7、用于连接六维力传感器6和桩腿弦杆10的下金属连接盘5；用于固定桩腿弦杆10、六维力传感器6和金属连接盘7、5的金属支撑板8；其中金属连接盘7、5和六维力传感器6通过控制连接的固定螺栓相对位置的角度，可以实现对桩腿弦杆10的0°、45°、90°换向；桩腿弦杆10、传感器和工装通过金属支撑板8直接拔出，可实现快速更换桩腿弦杆10。

实验平台，包括波流水槽3、造波机1、水泵(图中未示)、桩腿弦杆10，所述造波机1设置在水槽一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；所述水泵设置在水槽下方，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；通过水泵和造波机1的同时作用，可以造出波流耦合的状态；所述桩腿弦杆10底部设置在水槽中，顶部通过工装平台固定在水槽上；桩腿弦杆10可以是传统实验的圆柱形状，也可以是方形、带齿条的圆柱、表面粗糙的圆柱等。

监测平台，包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪4、用于采集和处理流速数据信号的流速仪11、用于采集波流力的六维力传感器6、用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器9；六维力传感器6和应力应变传感器9作为两套独立的测量系统，可以同时测量模型所受到力的作用，以用来比较得到模型最准确的受力。

控制平台，包括用于控制造波机1输出功率和水泵输出功率的控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

电机控制单元可以控制造波机和水泵的电机输出功率从而在不同的功率下产生不同波高的海浪和不同速度的海流，从而模拟不同作业环境下的波流载荷；数据采集及处理单元通过系统内部的软件将实验平台上各部位的传感器信号实时的采集进计算机，然后通过内部程序将采集到的各种类型的传感器信号做相应的处理分析，最后显示在数据采集界面上。数据采集类型主要包括速度信号、力信号、应力应变信号（如波形、幅频图等）。通过实验可以得出不同环境载荷下的拖曳力系数C_D和惯性力系数C_M，为以后平台的设计及分析提供数据理论支撑。

作为优选方案，传感器位置布置如图2所示，六维力传感器6设置在上下金属连接盘7、5的中间，三者通过螺栓连接，近似看成刚体；波高测试仪4和流速仪11均设置在工装架2上；上下金属连接盘7、5分别设置有一个应力应变传感器9。

通过六维力传感器6可以测得流体力F₁；两个应力应变传感器9之间的垂向间距为ΔL，通过应力应变传感器9可以测得两测点位置的弯矩M₁，M₂。波高测试仪4用于测得实际实验时的波高，流速仪11用于测得实际实验时桩腿弦杆10的速度值。

本实用新型提供的自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，通过造波机和水泵产生的波流载荷作用，通过六维力传感器和应力应变测量系统并行测量得到实验模型所受的力，并通过监测平台采集上述模拟波流载荷作用下的桩腿弦杆响应的数据信号，最后通过控制系统对水泵和造波机电机输出功率的控制来实现对波浪参数和流速的控制。通过对所得实验数据进行处理分析，最终将数据显示在采集界面上，通过实验可以得出不同环境载荷及多因素影响下的拖曳力系数C_D和惯性力系数C_M，为以后平台的设计及分析提供数据理论支撑。

Claims

1.一种自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，其特征在于，包括：

工装平台，包括用于支撑桩腿弦杆和采集装置的工装架，置于波流水槽之上；用于连接金属支撑板和六维力传感器的上金属连接盘、用于连接六维力传感器和桩腿弦杆的下金属连接盘；用于固定桩腿弦杆、六维力传感器和金属连接盘的金属支撑板；

实验平台，包括波流水槽、造波机、水泵、桩腿弦杆，所述造波机设置在水槽一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；所述水泵设置在水槽下方，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；所述桩腿弦杆底部设置在水槽中，顶部通过工装平台固定在水槽上；

监测平台，包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪、用于采集和处理流速数据信号的流速仪、用于采集波流力的六维力传感器、用于采集和处理应力应变信号的应力应变传感器；

控制平台，包括用于控制造波机电机输出功率和水泵电机输出功率的控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

2.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，其特征在于，所述金属连接盘和六维力传感器通过控制连接的固定螺栓相对位置的角度，可以实现对桩腿弦杆的0°、45°、90°换向。

3.根据权利要求2所述的自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，其特征在于，所述六维力传感器设置在上下金属连接盘的中间，三者通过螺栓连接，近似看成刚体；所述波高测试仪和流速仪均设置在工装架上；所述上下金属连接盘分别设置有一个所述应力应变传感器。

4.根据权利要求3所述的自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，其特征在于，所述上金属连接盘通过螺栓连接所述金属支撑板；所述下金属连接盘通过螺栓连接所述桩腿弦杆。

5.根据权利要求4所述的自升式海洋平台桩腿弦杆多因素波流载荷系数并行测试实验系统，所述桩腿弦杆、传感器和工装通过所述金属支撑板直接拔出，可实现快速更换桩腿弦杆。