專利名稱：一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量裝置及使用方法，特別是關(guān)于一種海洋工程模型的環(huán)境 載荷測(cè)量裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
深海平臺(tái)系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，其受力情況是設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu) 及其系泊、立管等相關(guān)系統(tǒng)的重要依據(jù)，因此正確地獲得其在嚴(yán)酷海洋環(huán)境下的 受力情況十分重要。在對(duì)深海平臺(tái)系統(tǒng)的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，目前最為可靠的是通 過物理模型試驗(yàn)對(duì)深海平臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)際工況進(jìn)行模擬，得出載荷的測(cè)量結(jié)果，并 以此作為設(shè)計(jì)、建造海洋平臺(tái)的最終依據(jù)?，F(xiàn)有技術(shù)中，海洋平臺(tái)的物理模型試 驗(yàn)都是在能夠模擬海洋環(huán)境的海洋工程水池中進(jìn)行的，風(fēng)力、流力和一階波浪載 荷通常都是采用單分力儀進(jìn)行測(cè)量，而二階波浪漂移力則通過單分力儀附加彈簧 進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行載荷測(cè)量時(shí)，先在水池底部做標(biāo)記，布置模型和支架等相關(guān)設(shè)備 到對(duì)應(yīng)位置，再進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的工況改變后，需要重新布置模型和支架等相關(guān) 設(shè)備到對(duì)應(yīng)位置再進(jìn)行測(cè)量。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，楊建民等在《海洋工程》2003年第四期第23 頁(yè)發(fā)表了 "一種新型深海海洋平臺(tái)——幾何形Spar和集成浮力筒的試驗(yàn)研究"。 該文中對(duì)Spar平臺(tái)模型模擬海洋環(huán)境中的受力進(jìn)行了測(cè)量，具體方式為當(dāng)試驗(yàn)?zāi)?型正確布置在水池中的規(guī)定位置后，所有測(cè)量?jī)x器安裝于正確的位置并對(duì)所有需 要測(cè)量的數(shù)據(jù)采零，然后造波機(jī)和其它設(shè)備等制造所要求的海洋環(huán)境，并用拉力 傳感器和壓力傳感器測(cè)量所需要的各種數(shù)據(jù)。另王磊等在《海洋工程》2006年第 三期第l頁(yè)上發(fā)表了 "動(dòng)力定位船舶二階低頻慢漂力模型試驗(yàn)研究"，該文中提 出了一種利用線性彈簧的被動(dòng)式限制系統(tǒng)來測(cè)量二階波浪漂移力的方法，即用彈 簧釋放模型的一階線性運(yùn)動(dòng)并限制其二階慢漂運(yùn)動(dòng)，就可得到半潛式平臺(tái)模型受 到的二階波浪力。然而，上述方法存在的問題是
一、 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨氼A(yù)先正確布置在水池中的規(guī)定位置后才能進(jìn)行測(cè)量，而測(cè) 量其它工況下平臺(tái)模型的受力時(shí)需要重新布置、標(biāo)定。
二、 斜浪情況下測(cè)量二階波浪力時(shí)，由于波浪力的作用使得彈簧與半潛式平 臺(tái)模型無(wú)法保持在一條直線上，使得傳感器測(cè)得結(jié)果的誤差很大從而無(wú)法應(yīng)用到 分析計(jì)算中。三、每次改變測(cè)量角度都需要將連有傳感器的支架和彈簧進(jìn)行移動(dòng)和拆裝， 由于是乘船在水池中進(jìn)行操作，通常無(wú)法達(dá)到精度，且工作量很大。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在不需要重新布置裝置的條件下， 能夠一次完成周向任一方向的風(fēng)力、流力、 一階波浪載荷和二階波浪漂移力測(cè)量 的海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置及其使用方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種海洋工程模型的環(huán)境載 荷測(cè)量裝置，其特征在于它包括海洋平臺(tái)模型、支撐架和測(cè)量系統(tǒng)；其中，所 述支撐架由底座、固定支架、導(dǎo)軌、方桿和步進(jìn)電機(jī)組成；所述測(cè)量系統(tǒng)由六分 力儀、彈簧、拉力傳感器、非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡組 成；所述底座置于水池中，在底座兩側(cè)設(shè)置可伸縮的固定支架，固定支架下端固 定在底座上；所述海洋平臺(tái)模型浮于所述固定支架之間的水面上；所述海洋平臺(tái) 模型上設(shè)置有發(fā)光元件；導(dǎo)軌固定連接在兩固定支架的頂端；所述方桿上端連接 所述導(dǎo)軌，下端連接所述步進(jìn)電機(jī)；所述步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上連接所述六分力儀 的一端，所述六分力儀的另一端連接所述海洋平臺(tái)模型；兩拉力傳感器分別固定 在所述導(dǎo)軌的兩端；兩彈簧的一端分別連接在方桿兩側(cè)，另一端分別連接兩拉力 傳感器；所述六分力儀、拉力傳感器和非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x分別通過與所述數(shù)據(jù) 自動(dòng)采集卡連接；所述計(jì)算機(jī)分別連接步進(jìn)電機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡。
所述方桿上端可在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，也可通過與導(dǎo)軌進(jìn)行固定。
所述非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡設(shè)置在一拖車上。
所述非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x的位置與所述發(fā)光元件對(duì)應(yīng)。
一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置的使用方法，其步驟包括1)制作 海洋平臺(tái)模型，確定在環(huán)境載荷測(cè)量試驗(yàn)中的模擬海洋環(huán)境條件；2)當(dāng)測(cè)量 風(fēng)、流、 一階波浪載荷時(shí)，調(diào)節(jié)固定支架的高度后，將所述海洋平臺(tái)模型移動(dòng)到 相應(yīng)位置，將方桿的上端與導(dǎo)軌進(jìn)行固定，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的儀器進(jìn)行調(diào)試；當(dāng)測(cè)量 二階波浪漂移力時(shí)，調(diào)節(jié)固定支架的高度后，將所述海洋平臺(tái)模型移動(dòng)到相應(yīng)位 置，令所述方桿的上端沿所述導(dǎo)軌滑動(dòng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的儀器進(jìn)行調(diào)試；3)制造 試驗(yàn)所需的各種海洋環(huán)境條件，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，打開數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡和計(jì)算機(jī)進(jìn) 行所述海洋平臺(tái)模型的運(yùn)動(dòng)信息的采集和分析；4)當(dāng)需要改變測(cè)量角度時(shí)，調(diào) 節(jié)所述海洋平臺(tái)模型到適應(yīng)位置，重復(fù)步驟2)和步驟3)。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用六分力儀 加彈簧的彈性結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的固定支架、固定方式可根據(jù)測(cè)量目標(biāo)變化的方桿和角度可根據(jù)需要調(diào)整的海洋平臺(tái)模型，因此可在不需要重新布置裝置的條件下， 一次性完成周向任一方向的風(fēng)力、流力、 一階波浪載荷和二階波浪漂移力測(cè)量， 不必在測(cè)量不同的環(huán)境荷載時(shí)對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行拆裝，從而大幅度提高了工作效 率，操作靈活方便，節(jié)省了試驗(yàn)消耗。2、本發(fā)明的六分力儀通過附加彈簧結(jié) 構(gòu)，可一次性集成風(fēng)力、流力、 一階波浪載荷和二階波浪漂移力等幾項(xiàng)的測(cè)量功
能，在不移動(dòng)裝置的條件下測(cè)量模型任一方向的載荷。3、本發(fā)明采用由計(jì)算機(jī) 控制的步進(jìn)電機(jī)連接平臺(tái)模型的方式，使得海洋平臺(tái)模型的角度可以調(diào)節(jié)，因此 使得測(cè)量裝置可以對(duì)平臺(tái)模型在周向上的任意方向的載荷進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明可廣 泛用于海洋工程模型試驗(yàn)平臺(tái)模型試驗(yàn)中，對(duì)風(fēng)、浪和流等不同的環(huán)境載荷進(jìn)行


圖l是本發(fā)明的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1所示，本發(fā)明的環(huán)境載荷測(cè)量裝置包括海洋平臺(tái)模型l、支撐架和測(cè)量 系統(tǒng)，通過一水池對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行模擬。其中，支撐架由底座2、固定支架3、導(dǎo) 軌4、方桿5和步進(jìn)電機(jī)6組成。測(cè)量系統(tǒng)由六分力儀7、彈簧8、拉力傳感器9、非 接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)xIO、計(jì)算機(jī)11和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12組成。底座2置于水池中， 在底座2的兩側(cè)設(shè)置可伸縮的固定支架3，固定支架3下端固定在底座2上，上端伸 出水面13。海洋平臺(tái)模型1位于底座2兩側(cè)的固定支架3之間，漂浮于底座2上方的 水面13。海洋平臺(tái)模型l上設(shè)置有三個(gè)發(fā)光元件，對(duì)應(yīng)于非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x 10，測(cè)量海洋平臺(tái)模型l的角度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。導(dǎo)軌4固定連接在兩固定支架3的頂 端，方桿5上端可在導(dǎo)軌4上滑動(dòng)，也可通過固定裝置與導(dǎo)軌4進(jìn)行固定。方桿5下 端連接步進(jìn)電機(jī)6，步進(jìn)電機(jī)6的輸出軸上連接六分力儀7的一端，六分力儀7的另 一端連接海洋平臺(tái)模型l。兩拉力傳感器9分別對(duì)稱地固定在導(dǎo)軌4兩端，兩彈簧8 的一端分別連接在方桿5兩側(cè)，另一端分別連接兩拉力傳感器9。拖車14可置于本 發(fā)明裝置所在的水池之外，也可浮于水面13，拖車14上設(shè)置有非接觸式光學(xué)測(cè)量 儀10、計(jì)算機(jī)11和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12。六分力儀7、拉力傳感器9和非接觸式光學(xué) 測(cè)量?jī)x10分別通過數(shù)據(jù)信號(hào)線與數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12連接。計(jì)算機(jī)ll通過信號(hào)線分 別連接步進(jìn)電機(jī)6和數(shù)據(jù)自動(dòng)釆集卡12。
本發(fā)明的六分力儀7測(cè)量海洋平臺(tái)模型1在海洋環(huán)境中受到的六個(gè)自由度的載 荷，即縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和及艏搖。彈簧8在測(cè)量二階波浪漂移力時(shí)，釋放海洋平臺(tái)模型l的一階波浪運(yùn)動(dòng)。拉力傳感器9測(cè)量海洋平臺(tái)模型1受到 的二階波浪漂移力。非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x10測(cè)量固定在海洋平臺(tái)模型1上的三個(gè) 發(fā)光元件的運(yùn)動(dòng)，將所得到的運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12，并使用計(jì)算機(jī) ll程序解析出海洋平臺(tái)模型l在波浪中的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和垂搖 六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算機(jī)11分析處理數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12采集到的海洋平臺(tái) 模型l的運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12上獲得的位置信息控制步進(jìn)電機(jī)6的 運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)海洋平臺(tái)模型l的角度進(jìn)行修正。
本發(fā)明的環(huán)境載荷測(cè)量裝置的使用方法包括以下步驟
1) 根據(jù)實(shí)際海洋平臺(tái)系統(tǒng)在工作中所受的海洋環(huán)境條件，按照真正的海洋 平臺(tái)大小和試驗(yàn)中水池的尺度迸行同比縮放，制作所需的海洋平臺(tái)模型l。之后 通過相關(guān)的數(shù)值計(jì)算軟件模擬計(jì)算海洋平臺(tái)系統(tǒng)受到的風(fēng)、流、 一階波浪載荷， 確定在環(huán)境載荷測(cè)量試驗(yàn)中的模擬海洋環(huán)境條件。
2) 當(dāng)需要測(cè)量風(fēng)、流、 一階波浪載荷時(shí)，調(diào)節(jié)固定支架3的高度后，將海洋 平臺(tái)模型l移動(dòng)到相應(yīng)位置，將方桿5的上端通過固定裝置與導(dǎo)軌4進(jìn)行固定，對(duì) 測(cè)量系統(tǒng)的儀器進(jìn)行調(diào)試。
當(dāng)需要測(cè)量二階波浪漂移力時(shí)，調(diào)節(jié)固定支架3的高度后，將海洋平臺(tái)模型l 移動(dòng)到相應(yīng)位置，打開方桿5的上端與導(dǎo)軌4之間的固定裝置，令方桿5的上端沿 導(dǎo)軌4滑動(dòng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的儀器進(jìn)行調(diào)試。
3) 根據(jù)數(shù)值計(jì)算軟件模擬計(jì)算結(jié)果，在水池中制造海洋平臺(tái)環(huán)境載荷測(cè)量 試驗(yàn)所需的各種海洋環(huán)境條件，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，打開數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡12和計(jì)算機(jī) 11進(jìn)行海洋平臺(tái)模型l的運(yùn)動(dòng)信息的采集和分析，進(jìn)行主動(dòng)式海洋平臺(tái)混合模型 試驗(yàn)。
4) 待需要改變測(cè)量角度時(shí)，通過計(jì)算機(jī)11控制步進(jìn)電機(jī)6轉(zhuǎn)動(dòng)海洋平臺(tái)模型1 到適應(yīng)位置，然后再重復(fù)步驟2)和步驟3)。
本發(fā)明僅以實(shí)施為說明，任何實(shí)施對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等效變換都不排除在本發(fā) 明的權(quán)利保護(hù)范圍之外。
本發(fā)明可廣泛用于海洋工程模型試驗(yàn)平臺(tái)模型試驗(yàn)中，對(duì)風(fēng)、浪和流等不同 的環(huán)境載荷進(jìn)行測(cè)量，不必在測(cè)量不同的環(huán)境荷載時(shí)對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行拆裝，從而 大幅度提高了工作效率，操作靈活方便，節(jié)省了試驗(yàn)消耗。
權(quán)利要求
1、一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置，其特征在于它包括海洋平臺(tái)模型、支撐架和測(cè)量系統(tǒng)；其中，所述支撐架由底座、固定支架、導(dǎo)軌、方桿和步進(jìn)電機(jī)組成；所述測(cè)量系統(tǒng)由六分力儀、彈簧、拉力傳感器、非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡組成；所述底座置于水池中，在底座兩側(cè)設(shè)置可伸縮的固定支架，固定支架下端固定在底座上；所述海洋平臺(tái)模型浮于所述固定支架之間的水面上；所述海洋平臺(tái)模型上設(shè)置有發(fā)光元件；導(dǎo)軌固定連接在兩固定支架的頂端；所述方桿上端連接所述導(dǎo)軌，下端連接所述步進(jìn)電機(jī)；所述步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上連接所述六分力儀的一端，所述六分力儀的另一端連接所述海洋平臺(tái)模型；兩拉力傳感器分別固定在所述導(dǎo)軌的兩端；兩彈簧的一端分別連接在方桿兩側(cè)，另一端分別連接兩拉力傳感器；所述六分力儀、拉力傳感器和非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x分別通過與所述數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡連接；所述計(jì)算機(jī)分別連接步進(jìn)電機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置，其特征在 于所述方桿上端可在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，也可通過與導(dǎo)軌進(jìn)行固定。
3、 如權(quán)利要求l所述的一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置，其特征在 于所述非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡設(shè)置在一拖車上。
4、 如權(quán)利要求2所述的一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置，其特征在 于所述非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡設(shè)置在一拖車上。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置， 其特征在于所述非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x的位置與所述發(fā)光元件對(duì)應(yīng)。
6、 一種如權(quán)利要求1 5所述的海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置的使用方 法，其步驟包括1) 制作海洋平臺(tái)模型，確定在環(huán)境載荷測(cè)量試驗(yàn)中的模擬海洋環(huán)境條件；2) 當(dāng)測(cè)量風(fēng)、流、 一階波浪載荷時(shí)，調(diào)節(jié)固定支架的高度后，將所述海洋 平臺(tái)模型移動(dòng)到相應(yīng)位置，將方桿的上端與導(dǎo)軌進(jìn)行固定，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的儀器進(jìn) 行調(diào)試；當(dāng)測(cè)量二階波浪漂移力時(shí)，調(diào)節(jié)固定支架的高度后，將所述海洋平臺(tái)模型移 動(dòng)到相應(yīng)位置，令所述方桿的上端沿所述導(dǎo)軌滑動(dòng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的儀器進(jìn)行調(diào)試53) 制造試驗(yàn)所需的各種海洋環(huán)境條件，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，打開數(shù)據(jù)自動(dòng)釆集卡和計(jì)算機(jī)進(jìn)行所述海洋平臺(tái)模型的運(yùn)動(dòng)信息的采集和分析；4)當(dāng)需要改變測(cè)量角度時(shí)，調(diào)節(jié)所述海洋平臺(tái)模型到適應(yīng)位置，重復(fù)步驟2)和步驟3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種海洋工程模型的環(huán)境載荷測(cè)量裝置及其使用方法，其特征在于它的測(cè)量系統(tǒng)由六分力儀、彈簧、拉力傳感器、非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡組成；底座置于水池中，在底座兩側(cè)設(shè)置可伸縮的固定支架，固定支架下端固定在底座上；海洋平臺(tái)模型浮于固定支架之間的水面上；海洋平臺(tái)模型上設(shè)置有發(fā)光元件；導(dǎo)軌固定連接在兩固定支架的頂端；方桿上端連接導(dǎo)軌，下端連接步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上連接六分力儀的一端，六分力儀的另一端連接海洋平臺(tái)模型；兩拉力傳感器分別對(duì)稱地固定在導(dǎo)軌兩端，兩彈簧的一端分別連接在方桿兩側(cè)，另一端分別連接兩拉力傳感器；計(jì)算機(jī)分別連接步進(jìn)電機(jī)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集卡。
文檔編號(hào)G01L5/00GK101532836SQ20091008265
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者付英軍, 威 張, 楊建民, 亮 王, 磊 王, 彬 謝 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司;中海石油研究中心;上海交通大學(xué)