自升式海洋平臺樁腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋環(huán)境載荷測試技術(shù)，尤其是一種自升式海洋平臺粧腿波流載荷系 數(shù)測試實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自升式海洋平臺在復(fù)雜多變的海洋自然環(huán)境中，將受到風(fēng)、海浪、海流及海冰等載 荷作用，其中波浪和海流載荷（以下簡稱波流載荷）同時直接作用于平臺上，對平臺的穩(wěn)定 性和強度產(chǎn)生影響，是海上結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性和使用壽命的決定性因素，它對工程的造價，安全 度及壽命起著非常重要的作用，所以在海洋平臺的設(shè)計與計算中應(yīng)重點考慮波流載荷對結(jié) 構(gòu)的影響。為了確保平臺在惡劣海洋環(huán)境條件下的安全及作業(yè)性能，必須進(jìn)行不同海洋環(huán) 境條件對平臺影響的分析研究。
[0003] 自升式海洋平臺粧腿波流系數(shù)實驗?zāi)康氖堑贸鲎陨狡脚_作業(yè)環(huán)境下的拖曳力 系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM，以得到環(huán)境載荷對海洋平臺的影響，為維護(hù)設(shè)計平臺提供依據(jù)。對 于海洋結(jié)構(gòu)物波流載荷的研究方法，一般可分為理論計算和模型實驗兩種。目前在工程中 以及有限元計算軟件中廣泛應(yīng)用的方法一般是僅考慮主要弦桿的波流載荷，引用水動力系 數(shù)的經(jīng)驗值，這種方法雖然簡便易行，但計算結(jié)果不精確。因此通過實驗系統(tǒng)來確定粧腿整 體的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM的方法具有很重要的研究價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，用于克服現(xiàn)有 技術(shù)中的缺陷，測量準(zhǔn)確，為以后預(yù)測大型機(jī)械或材料本身的安全性能提供理論及數(shù)據(jù)支 持。
[0005] 本發(fā)明提供一種自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，包括：
[0006] 實驗平臺，包括盛有水的水池、造波機(jī)、拖車、測力桿和粧腿模型，所述造波機(jī)設(shè)置 在水池一側(cè)造波以模擬海浪；所述粧腿模型底部設(shè)置在水池中，頂部通過測力桿與所述拖 車連接，并在所述拖車的作用下移動以模擬海流；
[0007] 監(jiān)測平臺，包括用于采集和處理波浪數(shù)據(jù)信號的波高測試儀、用于采集和處理海 流數(shù)據(jù)信號的速度加速度傳感器、扭矩傳感器和用于采集和處理應(yīng)力應(yīng)變信號的應(yīng)力應(yīng)變 傳感器；
[0008] 控制平臺，包括用于控制造波機(jī)的輸出功率和拖車的輸出功率的電機(jī)控制單元和 用于對來自于所述監(jiān)測平臺的信號進(jìn)行實時采集、處理分析和顯示的數(shù)據(jù)采集及處理單 JL〇
[0009] 其中，所述拖車還包括使得所述粧腿模型旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
[0010] 優(yōu)選地，所述測力桿上沿軸向設(shè)置有兩個所述應(yīng)力應(yīng)變傳感器；所述波高測試儀 和速度加速度傳感器均設(shè)置在所述粧腿模型頂部；所述扭矩傳感器設(shè)置在所述測力桿上， 且位于兩所述應(yīng)力應(yīng)變傳感器之間。
[0011] 優(yōu)選地，所述測力桿兩端分別通過法蘭固定連接所述拖車與所述粧腿模型。
[0012] 本發(fā)明提供的自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，通過造波機(jī)在水 池中造波一模擬海浪，通過拖車帶動粧腿模型在水池中以一定速度移動以模擬海流，并通 過監(jiān)測平臺采集上述模擬波流載荷作用下的粧腿模型響應(yīng)的數(shù)據(jù)信號，最后通過控制系統(tǒng) 對造波機(jī)電機(jī)和拖車電機(jī)輸出功率的控制對實驗平臺進(jìn)行控制運行，并對粧腿模型響應(yīng)的 數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理分析，最終顯示下數(shù)據(jù)采集界面上，通過實驗可以得出不同環(huán)境載荷下 的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM，為以后預(yù)測大型機(jī)械或材料本身的安全性能提供理論及 數(shù)據(jù)支持；相對于有限元計算軟件的計算方法，準(zhǔn)確性較高。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明實施例提供的實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實施例提供的實驗系統(tǒng)中監(jiān)測平臺的各元件的布置結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明實施例提供一種自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，包括：
[0016] 實驗平臺，包括盛有水的水池1、造波機(jī)2、拖車3、測力桿4和粧腿模型5,造波機(jī) 2設(shè)置在水池1 一側(cè)造波以模擬海浪；粧腿模型5底部設(shè)置在水池1中，頂部通過測力桿4 與拖車3連接，并在拖車3的作用下移動以模擬海流；其中，拖車3還包括使得粧腿模型旋 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（圖中未示）。為方便拆裝，測力桿4兩端分別通過法蘭固定連接拖車3與粧 腿模型5。測力桿4頂部通過第一法蘭41與固定架42連接，固定架42與拖車3連接。
[0017] 拖車3帶動粧腿模型5以一定速度移動，模擬海流，造波機(jī)2在水池1岸邊造波， 模擬海浪，拖車3上的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以旋轉(zhuǎn)以調(diào)整粧腿模型5角度，以達(dá)到模擬真實環(huán)境載荷 的效果。
[0018] 監(jiān)測平臺，包括用于采集和處理波浪數(shù)據(jù)信號的波高測試儀6、用于采集和處理海 流數(shù)據(jù)信號的速度加速度傳感器7、扭矩傳感器8和用于采集和處理應(yīng)力應(yīng)變信號的應(yīng)力 應(yīng)變傳感器9 ;
[0019] 控制平臺，包括用于控制造波機(jī)2的輸出功率和拖車3的輸出功率的電機(jī)控制單 元10和用于對來自于監(jiān)測平臺的信號進(jìn)行實時采集、處理分析和顯示的數(shù)據(jù)采集及處理 單元11。
[0020] 電機(jī)控制單元10可以控制造波機(jī)和拖車的電機(jī)輸出功率從而在不同功率下產(chǎn)生 不同波高的海浪及不同速度的海流，從而模擬不同作業(yè)環(huán)境下的波流載荷；數(shù)據(jù)采集及處 理單元11通過系統(tǒng)內(nèi)部的軟件將實驗平臺上各部位的傳感器信號實時的采集進(jìn)計算機(jī)， 然后通過內(nèi)部程序?qū)⒉杉降母鞣N類型的傳感器信號做相應(yīng)的處理分析，最后顯示在數(shù)據(jù) 采集界面上。數(shù)據(jù)采集類型主要包括速度信號、應(yīng)力應(yīng)變信號（如波形、幅頻圖等）。通過 實驗可以得出不同環(huán)境載荷下的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM，為以后預(yù)測大型機(jī)械或材 料本身的安全性能提供理論及數(shù)據(jù)支持。
[0021] 作為優(yōu)選方案，傳感器位置布置如圖2所示，測力桿4上沿軸向設(shè)置有兩個應(yīng)力應(yīng) 變傳感器9 ;波高測試儀6和速度加速度傳感器7均設(shè)置在粧腿模型5頂部；扭矩傳感器8 設(shè)置在測力桿4上，且位于兩應(yīng)力應(yīng)變傳感器9之間。
[0022] 兩個應(yīng)力應(yīng)變傳感器9之間的垂向間距為AL，通過應(yīng)力應(yīng)變傳感器9可以測得兩 測點位置的彎矩M1，M2。波高測試儀6和用于測得實際實驗時的波高，速度加速度傳感器7 用于測得實際實驗時粧腿模型5的速度值、加速度值。
[0023]上位機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)公式F= ^ =Ml2得出流體力F，并繪制出相應(yīng)的F-V ALAL 圖像，推算出相應(yīng)工況下的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)，再根據(jù)相似理論得出實驗工況所對 應(yīng)的自然載荷環(huán)境下的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)，為維護(hù)設(shè)計平臺提供理論及數(shù)據(jù)支持。
[0024]本發(fā)明提供的自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，通過造波機(jī)在水 池中造波一模擬海浪，通過拖車帶動粧腿模型在水池中以一定速度移動以模擬海流，并通 過監(jiān)測平臺采集上述模擬波流載荷作用下的粧腿模型響應(yīng)的數(shù)據(jù)信號，最后通過控制系統(tǒng) 對造波機(jī)電機(jī)和拖車電機(jī)輸出功率的控制對實驗平臺進(jìn)行控制運行，并對粧腿模型響應(yīng)的 數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理分析，最終顯示下數(shù)據(jù)采集界面上，通過實驗可以得出不同環(huán)境載荷下 的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM，為以后預(yù)測大型機(jī)械或材料本身的安全性能提供理論及 數(shù)據(jù)支持；相對于有限元計算軟件的計算方法，準(zhǔn)確性較高。
【主權(quán)項】
1. 一種自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括： 實驗平臺，包括盛有水的水池、造波機(jī)、拖車、測力桿和粧腿模型，所述造波機(jī)設(shè)置在水 池一側(cè)造波以模擬海浪；所述粧腿模型底部設(shè)置在水池中，頂部通過測力桿與所述拖車連 接，并在所述拖車的作用下移動以模擬海流； 監(jiān)測平臺，包括用于采集和處理波浪數(shù)據(jù)信號的波高測試儀、用于采集和處理海流數(shù) 據(jù)信號的速度加速度傳感器、扭矩傳感器和用于采集和處理應(yīng)力應(yīng)變信號的應(yīng)力應(yīng)變傳感 器； 控制平臺，包括用于控制造波機(jī)的輸出功率和拖車的輸出功率的電機(jī)控制單元和用于 對來自于所述監(jiān)測平臺的信號進(jìn)行實時采集、處理分析和顯示的數(shù)據(jù)采集及處理單元。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，其特征在 于，所述拖車還包括使得所述粧腿模型旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，其特征在 于，所述測力桿上沿軸向設(shè)置有兩個所述應(yīng)力應(yīng)變傳感器；所述波高測試儀和速度加速度 傳感器均設(shè)置在所述粧腿模型頂部；所述扭矩傳感器設(shè)置在所述測力桿上，且位于兩所述 應(yīng)力應(yīng)變傳感器之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自升式海洋平臺粧腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，其特征在 于，所述測力桿兩端分別通過法蘭固定連接所述拖車與所述粧腿模型。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種自升式海洋平臺樁腿波流載荷系數(shù)測試實驗系統(tǒng)，包括：實驗平臺，包括盛有水的水池、造波機(jī)、拖車、測力桿和樁腿模型，造波機(jī)設(shè)在水池一側(cè)造波以模擬海浪；樁腿模型底部設(shè)在水池中，頂部通過測力桿與拖車連接，并在拖車的作用下移動以模擬海流；監(jiān)測平臺，包括用于采集和處理波浪數(shù)據(jù)信號的波高測試儀、用于采集和處理海流數(shù)據(jù)信號的速度加速度傳感器、扭矩傳感器和用于采集和處理應(yīng)力應(yīng)變信號的應(yīng)力應(yīng)變傳感器；控制平臺，包括用于控制造波機(jī)和拖車輸出功率的電機(jī)控制單元和用于對來自于監(jiān)測平臺的信號進(jìn)行實時采集、處理分析和顯示的數(shù)據(jù)采集及處理單元。
【IPC分類】G01M10/00
【公開號】CN105004506
【申請?zhí)枴緾N201510368601
【發(fā)明人】田曉潔, 翟元壯, 鐘本雷, 陳鵬飛, 穆為磊, 劉貴杰
【申請人】中國海洋大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年6月29日