專利名稱：鋪管船托管架動力子結構實驗裝置及實驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動力子結構實驗裝置，尤其涉及一種用于模擬S型管道鋪設中鋪管船、托管架和管道的相互作用過程的鋪管船托管架動力子結構實驗裝置及實驗方法。屬于海洋石油工程領域。
背景技術：
托管架是海底管道S型鋪設方式的重要裝備，在管道鋪設過程中起到提供足夠大曲率、支撐管道、使管道光滑過渡入水的作用，是保證管道安全鋪設的直接因素。從國內(nèi)外發(fā)展狀況來講，深水鋪管船托管架的設計理論、設計方法還遠談不上完善，托管架結構的設計與分析都存在許多不確定的因素。這種不確定性主要表現(xiàn)在1)托管架的主要設計荷載(托輥荷載)不明確；在管道鋪設過程中船體的運動會導致管道與部分托管架的脫離，造成托輥荷載的重新分布?，F(xiàn)有的理論分析、數(shù)值計算方法無法準確確定動力情況下托輥的荷載及其分布規(guī)律。2)托管架桿件受力分布情況無法準確確定；由于托管架的設計荷載無法準確確定，在進行托管架的受力分析時，無法準確確定托管架的受力分布。3)管線的受力情況無法準確確定；由于托輥荷載、托管架的受力不明確，托管架在各種荷載作用下的變形情況無法判斷，由托管架的變形導致的管道變形及受力分布也無法判斷。為保證管線的安全，實際鋪管作業(yè)中往往配有昂貴、復雜的監(jiān)測系統(tǒng)，大大增加了管道鋪設的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺點，提供一種鋪管船托管架動力子結構實驗裝置及實驗方法，其可以模擬S型管道鋪設中鋪管船、托管架和管道的相互作用過程，通過實驗能夠充分反映托輥荷載的大小及其分布規(guī)律、托管架關鍵部件受力大小、分布以及托管架變形和管道的受力、變形情況；同時，通過模擬不同的鋪管船在不同的海洋環(huán)境下進行不同工況鋪設作業(yè)時的鋪管過程，為管道與托管架自身安全提供了依據(jù)， 降低了管道鋪設成本。本發(fā)明的目的是由以下技術方案實現(xiàn)的一種鋪管船托管架動力子結構實驗裝置，其特征在于設有振動臺、托管架、管道及測試控制監(jiān)測系統(tǒng)，該振動臺與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連，該托管架及管道的一端安裝在振動臺上，托管架及管道的另一端與測力裝置相連，測力裝置與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連。所述振動臺包括臺面、支撐架、線性滑筒、液壓伺服作動器及底部支座，支撐架通過連接法蘭固定在底部支座上，線性滑筒及液壓伺服作動器安裝在支撐架上，臺面通過線性滑筒及液壓伺服作動器與支撐架相連。所述測試控制監(jiān)測系統(tǒng)包括工控機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號處理裝置、液壓伺服作動器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工控機依次與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號處理裝置、液壓伺服作動器及振動臺相連，振動臺與托管架、管道、測力裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器、動態(tài)信號采集儀及顯示器，傳感器的輸出端依次與動態(tài)信號采集儀及顯示器相連，傳感器的輸入端與測力裝置相連。所述測力裝置包括測力計、彈簧、質(zhì)量滑塊及固定滑塊，測力計一端與管道相連， 測力計的另一端依次與彈簧及質(zhì)量滑塊相連，質(zhì)量滑塊置于帶有角度的固定滑塊上。一種鋪管船托管架動力子結構實驗方法，其特征在于采用以下步驟第一步，啟動工控機，在工控機模擬平臺上運行模擬鋪管船在海洋環(huán)境下運動的仿真模型；第二步，通過工控機模擬鋪管船在海洋環(huán)境下的運動狀態(tài)；第三步，工控機模擬平臺產(chǎn)生的數(shù)字信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號處理裝置轉(zhuǎn)換并放大，驅(qū)動電液伺服作動器運動，電液伺服作動器帶動振動臺、托管架及管道振動，模擬動態(tài)鋪管過程；第四步，通過傳感器同步測量振動臺及托管架的位移、傾角、速度、加速度，托輥的荷載及托管架桿件的受力數(shù)據(jù)；第五步，通過動態(tài)信號采集儀采集實驗過程中傳感器產(chǎn)生的各種信號數(shù)據(jù)，并傳回工控機進行分析，對所模擬的鋪管過程的實時監(jiān)測。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明可以在仿真環(huán)境下對不同鋪設工況的鋪管船、托管架和管道之間的相互作用過程進行模擬，對托輥荷載及托管架桿件的受力分布進行測量。所有的測試環(huán)境均從模擬真實的環(huán)境中得到，并且，從控制角度上看振動臺的運動與真實的鋪管船運動一致。由于仿真模型可以按照要求進行參數(shù)修改，從而，可以模擬不同的鋪管船在不同的海洋環(huán)境下進行不同工況鋪設作業(yè)時的鋪管過程，為各種力學參數(shù)的測量提供不同的仿真環(huán)境，為托管架安全鋪管提供了依據(jù)；同時，能夠進行大尺度托管架模型實驗，提高了實驗的精度，降低了管道鋪設成本。


圖1為本發(fā)明實驗測試控制監(jiān)測系統(tǒng)連接框圖。圖2為本發(fā)明結構示意圖。圖3為本發(fā)明試驗振動臺主視示意圖。圖4為本發(fā)明試驗振動臺側視示意圖。圖5為本發(fā)明托管架模型示意圖。圖中主要標號說明1臺面，2支撐架，3線性滑筒，4液壓伺服作動器，5底部支座，6連接法蘭、7托管架、8管道、9測力計、10彈簧、11質(zhì)量塊、12固定滑坡、13工控機、14數(shù)模轉(zhuǎn)換器、15信號處理裝置、16液壓伺服作動器、17振動臺、18傳感器、19動態(tài)信號采集儀、20顯示器。
具體實施方式
如圖1-圖5所示，本發(fā)明設有振動臺17、托管架7、管道8及測試控制監(jiān)測系統(tǒng)， 該振動臺17與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連，該托管架7及管道8的-端安裝在振動臺17上，托管架7及管道8的另一端與測力裝置相連，測力裝置與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連。如圖3-圖4所示，振動臺主要由臺面1、支撐架2、線性滑筒3、液壓伺服作動器4 及底部支座5構成，支撐架2通過連接法蘭6采用螺栓連接方式固定在底部支座5上，線性滑筒3及液壓伺服作動器4安裝在支撐架上，臺面1通過線性滑筒3及液壓伺服作動器4 與支撐架2相連。臺面1上設有托管架7的懸吊點，托管架7可通過懸吊點固定在振動臺上。支撐架2及底部支座5為鋼結構框架。如圖1所示，測試控制監(jiān)測系統(tǒng)包括工業(yè)控制計算機(簡稱工控機13)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器14、信號處理裝置15、液壓伺服作動器16及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工控機13依次與數(shù)模轉(zhuǎn)換器14、信號處理裝置15、液壓伺服作動器16、振動臺17相連，振動臺17與托管架7、管道8、 測力裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器18、動態(tài)信號采集儀19及顯示器20，傳感器18的輸出端依次與動態(tài)信號采集儀19及顯示器20相連，傳感器18的輸入端與測力裝置相連。測力裝置包括測力計9、彈簧10、質(zhì)量塊11及固定滑坡12，測力計9 一端與管道 8相連，測力計9的另一端依次與彈簧10及質(zhì)量滑塊11相連，質(zhì)量塊11置于帶有角度的固定滑坡12上。在工控機13上建立由鋪管船仿真模型、海洋環(huán)境仿真模型組成的工控機13模擬平臺，模擬真實鋪管過程中的鋪管船、托管架7和管道8之間的相互作用。工控機13模擬平臺產(chǎn)生的數(shù)字信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器14和信號處理裝置轉(zhuǎn)換并放大，驅(qū)動電液伺服作動器16運動，電液伺服作動器16帶動振動臺17振動，使振動臺17 模擬鋪管船在真實環(huán)境荷載作用下船體的振動響應。待托管架7及管道8安裝在振動臺17 上后，即可模擬管道鋪設過程中鋪管船、托管架7和管道8之間的相互作用過程。用傳感器 18同步測量振動臺17及托管架7的位移、傾角、速度、加速度，托輥的荷載及托管架7桿件的受力，并傳回計算機進行分析，即可實時測量托輥荷載、托管架的傾角、船體運動的加速度、速度等值，實現(xiàn)對所模擬的鋪管過程的實時監(jiān)測。工控機13模擬平臺是以一臺帶有DS1104PPC控制器板的PVI/2GHZ的研華工業(yè)控制機作為硬件平臺，DSl 104集成了 PowerPC處理器部分和數(shù)據(jù)采集卡部分，PowerPC處理器部分可用來進行浮點運算050MHz)，數(shù)據(jù)采集卡部分擁有八路數(shù)模(A/D)和八路模數(shù)(D/ A)及其它一些I/O接口。軟件開發(fā)平臺采用Matlab/Simulink。工控機13模擬平臺中的鋪管船仿真模型是根據(jù)鋪管船的設計圖紙得到的鋪管船的長度、寬度、質(zhì)量、質(zhì)心等信息，利用數(shù)學建模方法建立的真實反映鋪管船運動特性的數(shù)學模型；海洋環(huán)境仿真模型是模擬海洋環(huán)境載荷的數(shù)學模型，具體表現(xiàn)為鋪管船的運動方式，可表示為時間的函數(shù)形式。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、位移計、傾角儀、加速度傳感器、光纖應變計等傳感器及動態(tài)信號測試分析儀組成，動態(tài)分析儀包括所需的信號調(diào)理器(應變、振動等調(diào)理器)、直流電壓放大器、抗混濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖存儲器以及采樣控制和計算機通訊的全部硬件，并提供操作方便的控制軟件及分析軟件，能實現(xiàn)對壓力、位移、傾角、加速度、應變等的測量。顯示部分可由顯示器、鍵盤、鼠標等組成，可以將測得的數(shù)據(jù)信息在顯示器上實時顯示。托管架7可以根據(jù)真實托管架的設計圖紙對托管架進行縮比建造，建造相應比尺的托管架7?？s比時需要保證托管架7的主要尺寸相似，對于托管架7上的托輥、A形支架等附件可以進行適當簡化。管道8可以根據(jù)真實鋪管作業(yè)中的管道的屬性如管道的材料的強度、材料的彈性模量、截面尺寸、管道的長度等進行縮比建造。管道的建造中應當保證管道的彎曲剛度相似以及管道在截斷點下端的管道質(zhì)量相似，截斷點下端的管道質(zhì)量可以通過質(zhì)量塊11模擬。托管架實驗的操作步驟如下(1)啟動工業(yè)控制計算機，運行dSPACE控制系統(tǒng)軟件，在工控機模擬平臺上運行模擬鋪管船和海洋環(huán)境的Matlab/Simulink仿真模型；(2)通過工控機模擬鋪管船及海洋環(huán)境；(3)工控機模擬平臺產(chǎn)生的數(shù)字信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號處理裝置轉(zhuǎn)換并放大，控制液壓伺服作動器的運動，電液伺服作動器帶動帶動振動臺、托管架及管道振動，模擬鋪管過程；(4)通過傳感器同步測量振動臺及托管架的位移、傾角、速度及加速度，托輥的荷載及托管架桿件的受力數(shù)據(jù)；(5)通過動態(tài)信號采集儀采集實驗過程中傳感器產(chǎn)生的各種信號數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點1)仿真環(huán)境設計方便、靈活性強、適用范圍廣、成本低，且實驗系統(tǒng)建成后可以重復多次使用；2)提高了托管架模型實驗的效率；3)為托管架的設計及運營提供重要參數(shù)，降低了鋪管船的使用風險及成本；4)本動力子結構實驗裝置具有通用性，解決了模擬海洋浮式結構運動困難的問題，應用前景廣泛。線性滑筒3、液壓伺服作動器4，連接法蘭6、托管架7、管道8、測力計9、彈簧10、質(zhì)量塊11、固定滑坡12、工控機13、數(shù)模轉(zhuǎn)換器14、信號處理裝置15、液壓伺服作動器16、傳感器18、動態(tài)信號采集儀19、顯示器20為市售產(chǎn)品或采用已知技術制造。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種鋪管船托管架動力子結構實驗裝置，其特征在于設有振動臺、托管架、管道及測試控制監(jiān)測系統(tǒng)，該振動臺與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連，該托管架及管道的一端安裝在振動臺上，托管架及管道的另一端與測力裝置相連，測力裝置與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋪管船托管架動力子結構實驗裝置，其特征在于所述振動臺包括臺面、支撐架、線性滑筒、液壓伺服作動器及底部支座，支撐架通過連接法蘭固定在底部支座上，線性滑筒及液壓伺服作動器安裝在支撐架上，臺面通過線性滑筒及液壓伺服作動器與支撐架相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的鋪管船托管架動力子結構實驗裝置，其特征在于所述測試控制監(jiān)測系統(tǒng)包括工控機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號處理裝置、液壓伺服作動器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 工控機依次與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號處理裝置、液壓伺服作動器及振動臺相連，振動臺與托管架、管道、測力裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的鋪管船托管架動力子結構實驗裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器、動態(tài)信號采集儀及顯示器，傳感器的輸出端依次與動態(tài)信號采集儀及顯示器相連，傳感器的輸入端與測力裝置相連。
5.根據(jù)權利要求1或3所述的鋪管船托管架動力子結構實驗裝置，其特征在于所述測力裝置包括測力計、彈簧、質(zhì)量滑塊及固定滑塊，測力計一端與管道相連，測力計的另一端依次與彈簧及質(zhì)量滑塊相連，質(zhì)量滑塊置于帶有角度的固定滑塊上。
6.一種鋪管船托管架動力子結構實驗方法，其特征在于采用以下步驟第一步，啟動工控機，在工控機模擬平臺上運行模擬鋪管船在海洋環(huán)境下運動的仿真模型；第二步，通過工控機模擬鋪管船在海洋環(huán)境下的運動狀態(tài)；第三步，工控機模擬平臺產(chǎn)生的數(shù)字信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號處理裝置轉(zhuǎn)換并放大，驅(qū)動電液伺服作動器運動，電液伺服作動器帶動振動臺、托管架及管道振動，模擬動態(tài)鋪管過程；第四步，通過傳感器同步測量振動臺及托管架的位移、傾角、速度、力口速度，托輥的荷載及托管架桿件的受力數(shù)據(jù)；第五步，通過動態(tài)信號采集儀采集實驗過程中傳感器產(chǎn)生的各種信號數(shù)據(jù)，并傳回工控機進行分析，對所模擬的鋪管過程的實時監(jiān)測。
全文摘要
一種托管架動力子結構實驗裝置及實驗方法，設有振動臺、托管架、管道及測試控制監(jiān)測系統(tǒng)，該振動臺與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連，該托管架及管道的一端安裝在振動臺上，托管架及管道的另一端與測力裝置相連，測力裝置與測試控制監(jiān)測系統(tǒng)相連。本發(fā)明可以模擬S型管道鋪設中鋪管船、托管架和管道的相互作用過程，通過實驗能夠充分反映托輥荷載的大小及其分布規(guī)律、托管架關鍵部件受力大小、分布以及托管架變形和管道的受力、變形情況；同時，通過模擬不同的鋪管船在不同的海洋環(huán)境下進行不同工況鋪設作業(yè)時的鋪管過程，為管道與托管架自身安全提供了依據(jù)，降低了管道鋪設成本。
文檔編號G01M99/00GK102213646SQ20101014489
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權日2010年4月9日
發(fā)明者周雷, 岳前進, 張向峰, 李欣, 王鳳云, 趙巖 申請人:中國海洋石油總公司, 大連理工大學, 海洋石油工程股份有限公司