专利名称：拖曳锚在海洋土中运动方向的探测方法
技术领域：
本发明属于海洋技术领域海洋工程技术，用于新型深水系泊基础的科学研究、测
背景技术：
21世纪能源发展空前迅速，油气资源开发逐渐向深海推进，随着大型和超大型海 上顺应式结构物的逐渐增多，适用于深水和超深水的系泊系统日益受到重视。研发新型深 水系泊系统和新型深水系泊技术，成为国际海洋油气资源开发和国际海洋工程技术界的一 个重要研究领域。 随着海上油气资源开采向深水化推进，与之相应，对海上浮式采油平台的系泊系 统也提出了更高的要求。作为系泊系统的基础，新型拖曳锚以其能同时承受水平和垂直荷 载，具有较高的抗拔承载力，同时具备重量轻、材料省、易操作、易存储、可回收和重复使用 等优点，逐渐成为深海系泊系统的首选。新型拖曳锚与绷紧式系泊系统相配合，不仅能节约 材料，降低投资，同时也能减小系泊半径，优化系泊方式。 在国外，目前新型拖曳锚在设计、施工和应用等方面均存在很多问题有待深入认 识和解决。在国内，更无自主应用新型拖曳锚的先例。由于拖曳锚嵌入在不可见的海洋土 中，对锚板实施精确定位，并探测其嵌入运动轨迹成为研究的重点和难点，而研究拖曳锚的 嵌入运动轨迹，必须精确获知其在土中的运动方向，运动方向的研究在锚板运动轨迹的探 测中具有决定性的作用。目前在国际范围内，关于拖曳锚在土体中运动方向的研究和探测 技术主要存在以下两种方法
1、理论研究 针对拖曳锚在土中运动方向的理论研究，主要是基于锚板在土中的受力模型， 假设锚板的运动方向，采用数值迭代求解锚板的运动轨迹。大部分研究者均在其理论受 力模型中假设锚板沿平行于锚板主平面的方向运动(研究者包括Aubeny， DNV-RP-E302， Elkhatib， Murff， Neubecker， 0' Neill， Ruinen， Stewart, Thorne等)。
2、实验研究 1993年，Dunnavant和Kwan采用离心机实验对拖曳锚在粘土中的运动特性展开研 究，考察了各参数对锚板嵌入性能的影响。实验选用软高岭土作为嵌入介质，槽宽109cm，长 114cm，深91cm，模型锚板选用1 : 100的Vryhof St印ris Mk3锚和Bruce FFTS Mk4锚縮 尺模型，采用拉力传感器对拖曳力实施测量，同时用X射线探测锚板的运动轨迹。考察不同 的加速度水平、不同的土体抗剪强度、不同的锚板重量、不同的拖缆直径对锚板嵌入性能的 影响。实验结果表明，在拖曳结束时，锚板板面均接近水平，即锚板沿板面方向运动。
1997年和2001年，0' Neill和Randolph采用直径为1. 2m的鼓式离心机，所能提 供的最大加速度为485g，离心机内土样高300mm，宽200mm，加载装置用于提供竖直和旋转 动力，所能提供的最大载荷为lOkN，离心机工作台和实验水槽旋转由伺服电机提供，最大扭 矩为500Nm。模型锚板采用比尺为l : 80和l : 160的Vryhof Stevpris锚縮尺模型，采用两组不同的设计锚胫角——32°和50° ，分别对应沙土和粘土两种土质。实验用刚性力
臂实施加载，在锚板与刚臂连接销后侧，安装应变仪，用于测量水平和竖直方向的荷载。实
验结果表明，当锚板达到极限嵌入状态时，锚板的运动方向与水平面的夹角同锚板楔形角
相等，即可知，在极限嵌入深度下，锚板的运动方向与锚板下表面平行。 纵观以上研究方法，目前拖曳锚在不可见海洋土中的运动方向研究资料相对甚
少，大部分研究者均采用假设条件，未展开系统的研究。仅有的实验资料也大都集中在锚板
承载力等方面的研究，运动方向的实验研究结果也仅限于在拖曳结束时或在锚板达到极限
嵌入深度下，结合锚板方位角的数值及锚板的几何形态，推断锚板的运动方向。同时，拖曳
锚形状复杂，不同形状锚板的运动方向也不同，其精确的运动方向研究及探测技术尚是空白。 申请号为"200910068327. 1"的专利申请公开了一种拖曳锚在海洋土中嵌入运动 轨迹的测量方法和装置，发明人在此装置的基础上继续深入研究，并提出一种拖曳锚在海 洋土中运动方向的探测方法。
发明内容
本发明目的在于提出一种适用于模型水槽实验和现场陆地测试的拖曳锚在海洋 土中运动方向探测方法。 为此，本发明采用如下的技术方案 —种拖曳锚在海洋土中运动方向的探测方法，包括下列步骤 (1)将拉线传感器布置于水槽壁，通过滑轮组的导向将拉线连接至锚板尾部，并使 其伸出端与沙面平齐； (2)将倾角传感器埋置在拖曳锚内，确保倾角传感器与锚板上表面平行，使其直接 测量锚板上表面与水平面的绝对角度，即锚板方位角a i，并设运动方向与锚板上表面夹角 为A a ; (3)对拖曳锚施加水平作用力，使其嵌入土体； (4)实时采集拉线传感器和倾角传感器获取的位移信号和倾斜角度信号；
(5)设A a = O，根据运动轨迹的迭代公式Xi = D^osa" yi = Dpinap Xi = Xi—一 (D「Di—》cos ( a i+ A a ) (i > 2)和yi = y卜一 (D「Di—》sin ( a i+ A a ) (i > 2)计算拖曳 锚瞬时的横、纵坐标，式中Xl， yi为锚板初始横、纵坐标，D工和a工分别为采集开始瞬时扣除 初始长度的拉线伸长量和锚板方位角，Xi和yi是锚板的横、纵坐标，Di为扣除初始长度的拉 线伸长量，a i为锚板方位角，由此迭代公式可获得锚板在土体中沿运动方向A a = 0的嵌 入运动轨迹曲线； (6)根据步骤(5)所确定的锚板在土体中沿运动方向A a = 0的嵌入运动轨迹曲 线，改变A a的值，即模拟运动方向与锚板上表面的夹角改变的状态，仿真计算锚板沿不 同运动方向嵌入时的运动轨迹曲线； (7)采用探针测量法探测锚板在嵌入过程中某一瞬时的真实位置沿模型水槽 横、纵向精确标记刻度，将锚板的嵌入运动过程分段，采用探针实时探测包括锚板最终位置 在内的多个探测点，记录各测量点的横、纵坐标； (8)确定某一形状锚板的运动方向比较步骤(5)和(6)所确定的锚板沿各运动方向的运动轨迹曲线与步骤(7)所确定的锚板真实位置之间的相对误差，误差最小者即该 形状锚板在土中的运动方向，表征为"该形状锚板的运动方向与其上表面成A a角度"。
采用本发明提出的方法，可以对任意形态的拖曳锚在不可见海洋土中的运动方向 实施精确、稳定的测量并给出确定的结论。
图1拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量装置布置示意图。 图2模型锚板设计及传感器埋置图。 图3模型锚板各运动方向示意图。 图4工况一锚板在各运动方向下的运动轨迹图。 图5工况二锚板在各运动方向下的运动轨迹图。 图6工况三锚板在各运动方向下的运动轨迹图。
附图标记说明如下 1拖曳锚 2水槽 3倾角传感器 4拉线传感器
5滑轮组 6拉线(注图4、图5和图6中，实线为传感器测量结果，散点为探针测量结果)
具体实施例方式
下面首先介绍本发明采用的测量装置。如图1所示，包括用于装载土体的水槽2， 拉线传感器4、倾角传感器3、数据采集系统和滑轮组5。在所述拖曳锚的轴线上设有凹槽， 倾角传感器3埋置于槽内，拉线传感器4固定在水槽2上，通过滑轮组5的导向作用将拉线 传感器的拉线接于拖曳锚1尾部，拉线传感器4和倾角传感器3的位移信号、倾斜角度信号 被送入数据采集系统。 本发明针对任意形状的锚板均可实施，方法为首先，测量锚板沿锚板上表面方向 运动的运动轨迹，并利用已经测得的运动轨迹，改变运动方向与锚板上表面夹角，利用计算 模拟的方法，获取锚板沿不同运动方向的一组运动轨迹；其次，采用探针测量锚板在嵌入过 程中的实际位置；最后，将测量轨迹与真实位置进行对比，相对误差最小者即锚板的运动方 向。 具体技术方案如下 1 2为探测设备的选用；3 6为锚板沿不同运动方向迭代出锚板的运动轨迹；
7 8为比较锚板迭代轨迹与真实位置的误差，确定锚板的运动方向。 1、搭建模型水槽实验系统(如图l所示)，实施锚板在土中的运动方向探测。
2、主要设备拉线传感器一个；倾角传感器一个；探针一个；采集系统一套；不同
形态的模型锚板若干。 3、运用拉线传感器测量锚板嵌入运动的总位移。具体方法将拉线传感器布置于 水槽壁，通过滑轮组的导向将拉线连接至锚板尾部，并使其伸出端与沙面平齐。拉线随着锚 板的嵌入而被拉出，由于拉线的回复力很小，及土抗力作用的存在，拉线将呈现出与锚板嵌 入运动轨迹相似的形状。扣除拉线传感器通过滑轮组和土体表面的长度，测量值反映的将 是锚板瞬时运动的总位移。
4、倾角传感器测量锚板上表面与水平面的夹角(称锚板方位角a》。具体方法 将倾角传感器埋置在锚板内部，与锚板上表面平行，直接测量锚板上表面与水平面的绝对 角度，即锚板方位角Qi。因锚板的运动方向仅与锚板形态有关，在嵌入过程中，其与锚板上 表面的相对位置保持不变，设运动方向与锚板上表面夹角为A a ; 5、设A a = 0，迭代计算锚板的运动轨迹。经过倾角传感器测量的锚板瞬时方位 角、拉线传感器测量的锚板瞬时运动总位移、以及引入最为关键的锚板瞬时运动方向，通过
以下迭代公式，获得锚板在任意瞬时的横、纵坐标。 Xl = D丄cos a ! (1)
y^Dpinc^ (2) Xi = x卜一 (Di-Di—》cos ( a , A a ) (i > 2) (3) yi = yi i+ (D「D卜》sin ( a i+ A a ) (i > 2) (4) 其中公式(1) (2)表示锚板嵌入开始瞬时锚板的横、纵坐标。 公式(3) (4)中Xi和yi是任意瞬时锚板的横、纵坐标，Di为扣除初始长度的拉线伸 长量，cii为锚板的方位角，A a为运动方向与锚板上表面的夹角。 通过采集系统和计算机的监控与储存，记录拉线伸长量和锚板方位角的变化过 程，运用公式(1) (4)，将获得锚板在土体中沿运动方向A a = 0的嵌入运动轨迹曲线。
6、根据步骤5所确定的锚板在土体中沿运动方向A a = 0的嵌入运动轨迹曲线， 改变A a的值，即模拟改变运动方向与锚板上表面的夹角的状态，例如A a分别为0° ， ±2° ， ±4° ， ±6° (取逆时针为正)，仿真计算运动方向与锚板上表面的夹角A a值改 变时各个运动方向的嵌入轨迹曲线。 7、采用探针测量法探测锚板在嵌入过程中某一瞬时的真实位置。具体方法沿模 型水槽横、纵向精确标记刻度，将锚板的嵌入运动过程分为六段，采用探针实时探测包括锚 板最终位置在内的六个探测点，记录各测量点的横、纵坐标。 8、确定某一形状锚板的运动方向。比较步骤5和6所确定的锚板沿各运动方向运 动轨迹曲线与7所确定的锚板真实位置之间的相对误差，误差最小者即该形状锚板在土中 的运动方向，表征为"该形状锚板的运动方向与其上表面成A a角度"。
发明人专门设计模型实验用以检验此探测技术的可行性。实验的基本工况如下
土体为饱和沙，采用锚宽为250mm的简化正方形模型锚板实施实验，将倾角传感 器埋置其中，与锚板上表面平行，如
中图2所示。取锚板在土中的运动方向与锚板 上表面夹角Aa分别为0。 ，±2° ，±4° ，±6° (取逆时针为正)，如
中图3所 示。共设计三组工况，其中系缆点处拖缆与锚板面的夹角(即合力与锚板平面的夹角)分 别为24° ，29.5°和33. 3° ，各工况重复三次。 实验过程中采用探针测量法探测锚板在某一瞬时的真实位置，其方法是，沿模型 水槽横向和纵向精确标记刻度，将模型锚板的嵌入运动过程分为六段，采用探针实时探测 包括锚板最终位置在内的六个测量点，记录各测量点的横、纵坐标。 实验结果表明，针对正方形锚板，当锚板沿与锚板上表面成O。方向运动时，人工 探测的实际轨迹与测量轨迹相对误差最小，三种工况的相对误差分别为5. 63%，4. 65%和 3.35%，而锚板沿与锚板上表面成±2° ，±4° ，±6°时，其测量轨迹与真实轨迹相对误差 较大，综上可知，针对模型实验采用的正方形锚板，锚板的运动方向与上表面成O。，即正方形锚板的运动方向与锚板上表面平行。 推广可知，针对任意形状的锚板，采用以上探测方案，将倾角传感器安装与锚板上 表面平行，假设若干与锚板上表面成一定角度的运动方向，实施实验，测量锚板在各运动方 向下的运动轨迹，并将其与探针测量的真实运动轨迹进行比较，相对误差最小者即该形状 锚板的运动方向。 本发明可有效应用于针对新型拖曳锚开展的科学研究，包括实验室模型水槽实验
和现场陆地实验。 1、实验室模型水槽实验 在实验室模型水槽实验中，以海洋粘土和沙土作为锚板的嵌入介质，将拉线传感 器连接在锚板尾部，将倾角传感器安装与锚板上表面平行，假设若干与锚板上表面成一定 角度的运动方向，实施实验，测量锚板在各运动方向下的运动轨迹，将其与探针测量的真实 运动轨迹进行比较，相对误差最小者即该形状锚板的运动方向。
2、现场陆地实验 实施方式同模型水槽实验基本相同。
权利要求
一种拖曳锚在海洋土中运动方向的探测方法，包括下列步骤(1)将拉线传感器布置于水槽壁，通过滑轮组的导向将拉线连接至锚板尾部，并使其伸出端与沙面平齐；(2)将倾角传感器埋置在拖曳锚内，确保倾角传感器与锚板上表面平行，使其直接测量锚板上表面与水平面的绝对角度，即锚板方位角αi，并设运动方向与锚板上表面夹角为Δα；(3)对拖曳锚施加水平作用力，使其嵌入土体；(4)实时采集拉线传感器和倾角传感器获取的位移信号和倾斜角度信号；(5)设Δα＝0，根据运动轨迹的迭代公式x1＝D1 cos α1，y1＝D1 sin α1，xi＝xi-1+(Di-Di-1)cos(αi+Δα)(i≥2)和yi＝yi-1+(Di-Di-1)sin(αi+Δα)(i≥2)计算拖曳锚瞬时的横、纵坐标，式中x1，y1为锚板初始横、纵坐标，D1和α1分别为采集开始瞬时扣除初始长度的拉线伸长量和锚板方位角，xi和yi是锚板的横、纵坐标，Di为扣除初始长度的拉线伸长量，αi为锚板方位角，由此迭代公式可获得锚板在土体中沿运动方向Δα＝0的嵌入运动轨迹曲线；(6)根据步骤(5)所确定的锚板在土体中沿运动方向Δα＝0的嵌入运动轨迹曲线，改变Δα的值，即模拟运动方向与锚板上表面的夹角改变的状态，仿真计算锚板沿不同运动方向嵌入时的运动轨迹曲线；(7)采用探针测量法探测锚板在嵌入过程中某一瞬时的真实位置沿模型水槽横、纵向精确标记刻度，将锚板的嵌入运动过程分段，采用探针实时探测包括锚板最终位置在内的多个探测点，记录各测量点的横、纵坐标；(8)确定某一形状锚板的运动方向比较步骤(5)和(6)所确定的锚板沿各运动方向的运动轨迹曲线与步骤(7)所确定的锚板真实位置之间的相对误差，误差最小者即该形状锚板在土中的运动方向，表征为“该形状锚板的运动方向与其上表面成Δα角度”。
全文摘要
本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种拖曳锚在海洋土中运动方向的探测方法首先，测量锚板沿锚板上表面方向运动的运动轨迹，并利用已经测得的运动轨迹，改变运动方向与锚板上表面的夹角，利用计算模拟的方法，获取锚板沿不同运动方向的一组运动轨迹；其次，采用探针测量锚板在嵌入过程中的实际位置；最后，将测量轨迹与真实位置进行对比，相对误差最小者即锚板的运动方向。本发明可以对任意形态的拖曳锚在不可见海洋土中的运动方向实施精确、稳定的测量并给出确定的结论。
文档编号G01C22/00GK101782383SQ201010100160
公开日2010年7月21日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者刘海笑, 张信伟, 张炜, 许浩 申请人:天津大学