專利名稱：半潛式海洋平臺外載荷模型試驗二階波浪力測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種海洋工程技術領域的測量裝置，具體涉及的是一種半潛式海洋平臺外載荷模型試驗二階波浪力測量裝置。背景及相關理論
在對深海平臺技術的研究開發過程中，由于深海平臺的工作環境及其自身的特點，波浪對結構物的二階作用力不可忽視。二階作用力盡管數值比一階要小得多，但由于波浪本身的非線性相互作用會產生對結構物的低頻(差頻)作用，而大部分深海結構在水平方向或鉛直方向的回復力很小，因而對應的自然振蕩周期較大，可能會與低頻作用力產生強烈的共振。另外二階作用力中高頻(和頻)部分的危害也值得注意。因此在半潛式海洋平臺模型試驗中，對二階波浪力進行測量，從而準確預測半潛式海洋平臺外載荷強度，對半潛式海洋平臺動力定位系統和錨泊系統等進行合理的設計具有重要的意義。
半潛式海洋平臺模型試驗在沒有風、流的情況下，二階波浪力表現為模型的慢漂，使其位置改變而無法回復，這是相對與一階波浪力的振蕩而言的。因此，在各種海洋工程的模型試驗中，就認為該慢漂力即二階波浪力。
海洋工程界在對低頻二階波浪力的測量方法的探討中指出，需要測量模型低頻漂移力，必須對其低頻范圍內的慢漂運動進行限制以進行測量，而二階力又受到一階運動的影響，因此同時必須使模型的一階運動不受限制系統的影響，使其在波頻范圍內的運動獲得充分的釋放。
經對現有技術的文獻檢索發現，王磊等在《海洋工程》2006年第三期第1頁上發表的"動力定位船舶二階低頻慢漂力模型試驗研究"，該文中提出了一種利用線性彈簧的被動式限制系統來測量二階波浪力，即用彈簧釋放模型的一階線性運動并限制其二階慢漂運動，當整個運動系統(包括模型和限制系統)是線性的時候，對所測得的力采用低通濾波，過濾掉一階波頻運動引起的高頻分量，即
可得到半潛式海洋平臺模型受到的二階波浪力。其不足在于(l)斜浪情況下，
3由于波浪力的作用使得彈簧與半潛式海洋平臺模型無法保持在一條直線上，從而使得傳感器測得結果的大大偏離而無法應用到分析計算中。(2)由于采用的彈簧剛度很小，從而在彈簧在張力較小時會產生下垂而增加了測量誤差。(3)每次改變測量角度時都需要將連有傳感器的支架和彈簧進行移動和拆裝，由于是在水池中乘船進行操作，通常無法達到精度且工作量增大。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種半潛式海洋平臺外載荷模型試驗二階波浪力測量裝置，使其能準確測量各種波浪方向下半潛式海洋平臺模型受到的二階波浪力，解決以往半潛式海洋平臺外載荷模型試驗時存在的問題。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括半潛式海洋平臺模型、二階波浪力測量輔助系統、實時計算機控制系統、測量分析系統、拖車。半潛式海洋平臺模型置于試驗水池中，二階波浪力測量輔助系統固定在半潛式海洋平臺模型上，和實時計算機運動控制系統相連，實時計算機控制系統置于拖車上，測量分析系統部分置在二階波浪力測量輔助系統上，部分置于拖車上。
所述的半潛式海洋平臺模型是根據縮尺比和實際工作的半潛式海洋平臺制作的，置于試驗水池中。
所述的二階波浪力測量輔助系統為一套桿件裝置，其中包括曲桿、直桿、夾板、刻度板，刻度板固定在直桿上，直桿與曲桿固定，刻度板與曲桿固定，夾板位于曲桿的兩端，調節曲桿兩端夾板的高度和間隙將整個二階波浪力測量輔助系統固定在半潛式海洋平臺模型的甲板上，試驗時二階波浪力測量輔助系統通過調節刻度板每10度改變半潛式海洋平臺模型的角度進而獲得不同波浪方向下平臺模型受到的二階波浪力。
所述的夾板位于曲桿的兩端，位置可上下調整用螺栓固定，用于將曲桿固定在半潛式海洋平臺模型上。
所述的刻度板為一環形板的二分之一，標有刻度，每隔10度位置上打有小孔，固定在直桿上。
所述的曲桿與直桿固定，兩者可相對轉動，曲桿在相應位置處開孔，并通過螺栓與刻度板固定以調整曲桿和直桿之間的角度。
所述的直桿兩端打孔，用于連接測量分析系統中的彈簧并穿過鐵絲。
4所述的實時計算機控制系統用來控制試驗水池的造波裝置，根據半潛式海洋平臺模型的縮尺比和實際半潛式海洋平臺的工作環境產生試驗所需要的波浪。
所述的測量分析系統包括非接觸式光學測量系統、力傳感器、應變放大器、連接裝置、彈簧、鐵絲、支架、浪高儀、數據自動采集卡及計算機實時分析模塊。其中，非接觸式光學測量系統、連接裝置、數據自動采集卡和計算機實時分析模塊置于拖車上，非接觸式光學測量系統連接數據自動采集卡及計算機實時分析模塊，力傳感器連接到應變放大器，應變放大器通過連接裝置與數據自動采集卡及計算機實時分析模塊相連，力傳感器固定在支架上，彈簧連接到力傳感器上并固定于二階波浪力測量輔助系統中直桿兩端，鐵絲穿過彈簧和直桿端部的孔連接在支架上并繃緊，浪高儀和支架固定在水池中。
所述的非接觸式光學測量系統利用位置測量儀測量固定在半潛式海洋平臺模型上的三個發光元件的運動，并使用計算機程序解析出船模在波浪中的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖及艏搖六個自由度的運動，所得到的運動信息發送到數據自動采集卡及計算機實時分析模塊。
所述的應變放大器將拉力傳感器測量得到的應力信號放大，放大后的信號再傳送到數據自動采集卡及計算機實時分析模塊。
所述的連接裝置連接應變放大器和數據自動采集卡及計算機實時分析模塊。
所述的數據自動采集卡及計算機實時分析模塊采集和實時分析海洋平臺試驗時的各種數據。
所述的彈簧釋放半潛式海洋平臺模型的一階運動并限制其慢漂運動。所用的鐵絲限制彈簧壓縮時產生的下垂變形。
所述的力傳感器用于測量每根彈簧的拉力(或壓力)。所述的浪高儀用于測量試驗時實際波浪高度。
所述的拖車用于放置部分實時計算機控制系統和測量分析系統。本發明具有實質性特點和顯著進步，直接通過調整二階波浪力輔助裝置即可獲得不同波浪方向下半潛式海洋平臺模型的運動和受力情況，并直接在計算機中將數據進行處理得到半潛式海洋平臺在實際海況中受到的二階波浪力，解決了以往模型試驗中試驗結果偏差過大的問題。彈簧采取了措施防止彈簧壓縮時下垂變形，提高了測量的準確度。 一次性固定了整套裝置，不必在試驗中對測量裝置進行拆裝，提高了工作效率。另外，可以通過優化二階波浪力測量輔助系統上的固定方式以適合其他類型的平臺模型和更多形式的海洋結構物。本發明縮短了實驗的周期，提高了實驗的經度，節省了實驗經費。
圖1是二階波浪力測量輔助系統結構示意圖。
圖2是半潛式海洋平臺外載荷模型試驗二階波浪力測量裝置結構示意圖。附圖標記說明半潛式海洋平臺模型l，曲桿2，夾板3，直桿4，刻度板5，實時計算機控制系統6，非接觸式光學測量系統7，力傳感器8，應變放大器9，連接裝置IO，彈簧ll，支架12，浪高儀13，數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14,拖車15，鐵絲16。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖2所示，本實施例由半潛式海洋平臺模型l，曲桿2，夾板3，直桿4，刻度板5，實時計算機控制系統6，非接觸式光學測量系統7，力傳感器8，應變放大器9，連接裝置IO，彈簧ll，支架12，浪高儀13，數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14，拖車15，鐵絲16。
刻度板5固定在直桿4上，直桿4與曲桿2固定，調整直桿4與曲桿2之間角度，并在刻度板5的對應位置處的孔用螺釘與曲桿2固定，調節曲桿2兩端夾板3的高度和間隙將整個二階波浪力測量輔助系統固定在半潛式海洋平臺模型1的甲板上，試驗時二階波浪力測量輔助系統通過調節刻度板5每10度改變半潛式海洋平臺模型1的角度進而獲得不同波浪方向下的二階波浪力，彈簧11 一端連接在直桿4兩端，另一端與力傳感器8相連，力傳感器8固定于支架12上，并與應變放大器9相連，應變放大器9通過連接裝置10與數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14相連，支架12置于試驗水池中，鐵絲16穿過彈簧11和直桿4端部的孔固定在支架12上，浪高儀13固定于試驗水池中，與數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14相連，實時計算機控制系統6，非接觸式光學測量系統7，應變放大器9，連接裝置IO，數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14布置在拖車15上。
所述的夾板3位于曲桿2的兩端，位置可上下調整用螺栓固定，用于將曲桿2固定在半潛式海洋平臺模型1上。
所述的刻度板5為一環形板的二分之一，標有刻度，每隔10度位置上打有小孔，固定在直桿4上。
所述的曲桿2與直桿4固定，兩者可相對轉動，曲桿2在相應位置處開孔，并通過螺栓與刻度板5固定以調整曲桿2和直桿4之間的角度。
所述的直桿4兩端打孔，用于連接彈簧11并穿過鐵絲16。
所述的實時計算機控制系統6用來控制試驗水池的造波裝置，根據半潛式海洋平臺模型1的縮尺比和實際半潛式海洋平臺的工作環境產生所需要的波浪。
所述非接觸式光學測量系統7利用位置測量儀測量固定在半潛式海洋平臺模型1上的三個發光元件的運動，并使用計算機程序解析出船模在波浪中的六個自由度的運動(即縱蕩，橫蕩，垂蕩，橫搖，縱搖，及艏搖)，所得到的運動信息發送到數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14。
所述力傳感器8，用于測量彈簧11的拉力或壓力，所得到的應力信號發送到應變放大器9中。
所述的應變放大器9，用于將力傳感器8測量得到的應力信號放大。
所述的浪高儀13，用于測量試驗時實際波浪高度，所得到的結果發送到數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14。
所述的連接裝置10，用于將應變放大器9放大后的信號發送到數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14。
所述數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14，接收非接觸式光學測量系統7測量到的運動信息、浪高儀13測量的波浪高度信息以及應變放大器9得到的應力信息，并對所得的信息進行實時分析和處理。
試驗時，先根據實際半潛式海洋平臺模型1和水池的尺度確定合適的模型縮尺比。利用實際半潛式海洋平臺系統和半潛式海洋平臺系統在實際工作中所受的海洋環境條件，通過相關的數值計算軟件模擬計算半潛式海洋平臺系統的運動，并獲得截半潛式海洋平臺系統受到的二階波浪力大小，并根據平臺縮尺比和受力信息，制作混合模型試驗中所需的半潛式海洋平臺模型1和彈簧11，并確定其試驗中的模擬海洋環境條件。然后將刻度板5固結于直桿4，直桿4固定在曲桿2上，調節直桿4與曲桿2之間角度并將刻度板5與曲桿2固定，調整夾板3的位置將曲桿2固定在半潛式海洋平臺模型1上；然后將彈簧11，分別接到直桿4和力傳感器8固定，將鐵絲16穿過彈簧11和直桿4端部的孔固定在支架12上并張緊，用以防止彈簧下垂；浪高儀13和支架12固定在水池底部；將實時計算機控制系統6置于拖車15上；最后在拖車15上適當位置對準半潛式海洋平臺模型1安裝非接觸式光學測量系統7 ，把安裝好的測量儀器的線接到拖車上的應變放大器9并連接連接裝置10和數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14，調試所有儀器。
在試驗水池中制造半潛式海洋平臺混合模型試驗所需的海洋環境條件，并將刻度板調整到所要測量的角度并固定，待系統穩定后，打開數據自動采集卡及計算機實時分析模塊14進行數據采集和分析，進行半潛式海洋平臺外載荷模型試驗中二階波浪力的測量。
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權利要求
1、一種半潛式海洋平臺外載荷模型試驗中二階波浪力測量裝置，包括半潛式海洋平臺模型、實時計算機控制系統、測量分析系統、拖車，其特征在于還包括二階波浪力測量輔助系統，半潛式海洋平臺模型置于試驗水池中，二階波浪力測量輔助系統固定在半潛式海洋平臺模型上，和實時計算機運動控制系統相連，實時計算機控制系統置于拖車上，測量分析系統部分置在二階波浪力測量輔助系統上，部分置于拖車上，其中所述二階波浪力測量輔助系統包括曲桿、直桿、夾板、刻度板，刻度板固定在直桿上，直桿與曲桿固定，刻度板與曲桿固定，夾板位于曲桿的兩端，調節曲桿兩端夾板的高度和間隙將整個二階波浪力測量輔助系統固定在半潛式海洋平臺模型的甲板上，試驗時二階波浪力測量輔助系統通過調節刻度板每10度改變半潛式海洋平臺模型的角度進而獲得各波浪方向下的二階波浪力。
2、 根據權利要求1所述的半潛式海洋平臺外載荷模型試驗中二階波浪力測 量裝置，其特征是，所述的刻度板為一環形板的二分之一，標有刻度，每隔10 度位置上打有小孔，固定在直桿上。
3、 根據權利要求1所述的半潛式海洋平臺外載荷模型試驗中二階波浪力測 量裝置，其特征是，所述的曲桿與直桿兩者能相對轉動，曲桿在相應位置處開孔， 并通過螺栓與刻度板固定以調整曲桿和直桿之間的角度。
4、 根據權利要求1所述的半潛式海洋平臺外載荷模型試驗中二階波浪力測 量裝置，其特征是，所述的測量分析系統包括非接觸式光學測量系統、力傳感器、 應變放大器、連接裝置、彈簧、鐵絲、支架、浪高儀、數據自動采集卡及計算機 實時分析模塊，其中非接觸式光學測量系統、連接裝置、數據自動采集卡和計 算機實時分析模塊置于拖車上，非接觸式光學測量系統連接數據自動采集卡及計 算機實時分析模塊，力傳感器連接到應變放大器，應變放大器通過連接裝置與數 據自動采集卡及計算機實時分析模塊相連，力傳感器固定在支架上，彈簧連接到 力傳感器上并固定于二階波浪力測量輔助系統中直桿兩端，鐵絲穿過彈簧和直桿 端部的孔連接在支架上并張緊，浪高儀和支架固定在水池中。
全文摘要
本發明涉及一種海洋工程技術領域的半潛式海洋平臺外載荷模型試驗中二階波浪力測量裝置，包括半潛式海洋平臺模型、實時計算機控制系統、二階波浪力測量輔助系統、測量分析系統、拖車，其中二階波浪力測量輔助系統包括曲桿、直桿、夾板、刻度板，刻度板固定在直桿上，直桿與曲桿固定，刻度板與曲桿固定，夾板位于曲桿兩端，調節夾板高度和間隙將整個二階波浪力測量輔助系統固定在半潛式海洋平臺模型上，試驗時二階波浪力測量輔助系統通過調節刻度板每10度改變半潛式海洋平臺模型的角度，獲得各波浪方向下的二階波浪力。本發明能測量各種波浪方向下半潛式海洋平臺模型受到的二階波浪力，提高了半潛式海洋平臺外載荷模型試驗的精度和可靠度。
文檔編號G01L9/00GK101464199SQ20091004506
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者利 周, 申 張, 楊世知, 亮 王, 磊 王 申請人:上海交通大學