一种测量钻井平台三桩腿波流载荷的实验装置的制作方法

本发明属于海洋工程技术领域。更具体地，涉及一种测量钻井平台三桩腿波流载荷的实验装置。

背景技术：

近些年来，随着国家对海洋能源开发的重视，自升式平台凭借其定位能力强、环境适应性强等优点应用也越来越广泛。但是，由于海洋环境的复杂性，将会受到风、海浪、海流及浮冰等载荷的作用，其中海浪载荷和海流载荷是最常见的环境载荷，对平台的造价、稳定性及寿命起着非常重要的作用。因此，准确的波流载荷计算对于平台的设计制造、强度评估及结构优化尤为重要。

常规的波流载荷实验，主要的实验方法有两种：其一是以单根桩腿的几个节距作为实验对象，但是该方法无法真实地模拟海洋平台的三桩腿结构，忽略了海洋平台桩腿之间的群桩效应(群桩效应：桩腿之间的相互影响。)；其二是以圆柱杆件代替桩腿来分析桩腿之间的群桩效应，忽略了桩腿的桁架式结构，其实验结果应用价值不大。因此，本发明提出了一种以自升式海洋平台三桩腿的缩尺模型作为实验对象进行群桩效应分析的实验装置及方法，可以同时采集各个桩腿受力和平台整体受力，为桁架式桩腿结构水动力系数的推导和桩腿之间群桩效应的分析提供了技术支持，具有重要的理论意义和研究价值。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种测量钻井平台三桩腿波流载荷的实验装置，该实验装置实现了同步采集三根桩腿各自的受力和整体受力，真实的模拟了实际海洋平台的三桩腿结构，避免了以圆柱杆件代替桁架式结构而造成的误差，保证了数据采集的同步性，为桁架式桩腿结构水动力系数的推导和群桩效应的分析提供了数据支持。

一种测量钻井平台三桩腿波流载荷的实验装置，包括水池、位于所述水池内的三桩腿缩尺模型，位于所述水池上方的工装架、测力杆、六维力传感器、三轴振动加速度传感器、波高传感器，以及数据处理单元；

所述三桩腿缩尺模型的下端延伸至水池的水面下；并在外部作用力下在水池内摆动；

所述测力杆竖直固定在三桩腿缩尺模型的上端，用于测量三桩腿缩尺模型受到波流载荷后产生弯矩；所述测力杆的外表面上设有电阻应变片组，用于测量单桩腿所受到的测力杆应变信号并其传送至所述数据处理单元；所述测力杆的上端设有连接板；

所述六维力传感器的下端固定在所述连接板的中心位置，上端与所述工装架连接，用于测量三桩腿缩尺模型所受到的环境载荷信号并将其传送至所述数据处理单元；

所述三轴振动加速度传感器固定在所述连接板上，用于测量三桩腿缩尺模型的振动加速度时域响应信号并将其传送至所述数据处理单元；

所述波高传感器设置在水池中，且下端竖直延伸至水面下，不与水池底面相接触，用于测量水池中波流的适时波高信号并将其传输至所述数据处理单元。

优选地，所述水池用于模拟产生海浪、海流等海洋环境载荷。

优选地，所述数据处理单元包括数据采集设备和数据显示设备；所述数据采集设备将采集到的测力杆应变信号、环境载荷信号、振动加速度时域响应信号以及适时波高信号转换成与与所述数据显示设备相兼容的格式，并传输给所述数据显示设备进行处理，然后通过所述数据设备进行显示。

优选地，所述三桩腿缩尺模型包括三根单桩腿，所述三根单桩腿依次连接形成柱体结构的横截面为三角形。

优选地，所述三根单桩腿上端分别竖直固定有测力杆。

优选地，所述连接板为三角形的连接板，且三根测力杆的上端分别固定在三角形连接板的三个角处。

优选地，所述电阻应变片组包括两组应变片；更优选地，两组应变片中的每组应变片包括两个应变片，且两个应变片采用呈90度夹角的半桥式贴片法固定在所述测力杆件中。

优选地，每根测力杆件上的两组应变片之间的距离相等。优选地，所述数据处理单元包括数据采集设备和数据显示设备；所述数据采集设备将采集到的测力杆应变信号、环境载荷信号、振动加速度时域响应信号以及适时波高信号转换成与与所述数据显示设备相兼容的格式，并传输给所述数据显示设备进行处理，然后通过所述数据设备进行显示。

优选地，所述工装架为u型结构，且两端分别固定在所述水池的上端边沿处。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的实验装置以自升式海洋平台三桩腿的缩尺模型作为实验对象，真实的模拟了实际海洋平台的三桩腿结构，克服了以圆柱杆件代替桁架式桩腿作为实验模型时实验结果应用价值不大的弊端。

2、本发明的实验装置中采用同时布置三根测力杆和六维力传感器的采集方式，实现了在一次实验过程中可以同时获取三桩腿模型中各个桩腿的受力和模型整体受力，在大大提高了实验效率的同时还很好的保证了各个数据采集的同步性，为自升式平台三桩腿之间群桩效应的分析提供了数据支持。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作优选地详细的说明。

图1是本发明的测量钻井平台三桩腿波流载荷实验装置的主视图。

图2是本发明的三桩腿缩尺模型的立体结构图。

其中：水池1，三桩腿缩尺模型2，测力杆3，电阻应变片组4，三轴振动加速度传感器5，六维力传感器6，波高传感器7，数据采集设备8，数据显示设备9，工装架10，连接板11。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做优选地的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的一个实施方式中，结合图1所示，一种测量钻井平台三桩腿波流载荷的实验装置，包括水池1、位于水池内的三桩腿缩尺模型2，位于水池1正上方的工装架10、测力杆3、六维力传感器6、三轴振动加速度传感器5、波高传感器7，以及数据处理单元；数据处理单元包括数据采集设备8和数据显示设备9；工装架10为u型结构，且两端分别固定在所述水池1的上端边沿处。

三桩腿缩尺模型2包括三根单桩腿，三根单桩腿依次连接形成柱体结构的横截面为三角形。三桩腿缩尺模型的下端延伸至水池的水面下，并且与水池1底面保持20厘米左右的距离；外部作用力下三桩腿缩尺模型2可在水池中水平多方向运动；测力杆3分别竖直固定在三根单桩腿的上端，用于测量三桩腿缩尺模型2受到波流载荷后产生弯矩；测力杆3的外表面上设有电阻应变片组4，用于测量单桩腿所受到的测力杆3应变信号并其传送至数据采集设备；电阻应变片组4包括两组应变片，且每根测力杆3上的两组应变片之间的距离相等；测力杆3的上端设有连接板11，连接板11为三角形的连接板，且三根测力杆3的上端分别固定在三角形连接板11的三个角处；六维力传感器6的下端通过螺栓固定在连接板11的中心位置，上端与工装架10连接，用于测量三桩腿缩尺模型2所受到的环境载荷信号并将其传送至数据采集设备8；三轴振动加速度传感器5固定在连接板11上，用于测量三桩腿缩尺模型2的振动加速度时域响应信号并将其传送至数据采集设备；波高传感器7竖直固定在水池1中，且下端延伸至水面下，不与水池1底面接触，用于测量水池1中波流的适时波高信号并将其传输至数据采集设备8。数据采集设备8将采集到的测力杆的应变信号、环境载荷信号、振动加速度时域响应信号以及适时波高信号转换成与数据显示设备相兼容的格式，并传输给数据显示设备9进行处理，然后通过数据显示设备9进行显示。

在本发明的实施方式中，两组应变片中的每组应变片包括两个应变片，且两个应变片采用呈90度夹角的半桥式贴片法固定在测力杆3中。

在本发明的实施方式中，三角形的连接板11是根据实际海洋平台三桩腿之间的距离进行缩尺所得的等边三角形的连接板11，上方的六维力传感器6位于连接板11的中心。

在本发明的实施方式中，为了提高测量的精确度，在将电阻应变片组4在固定到测力杆3表面之前，要除去测力杆3表面的油污及铁屑，并且在固定好电阻应变片组4后要做防水处理。

在本发明的实施方式中，测力杆3的上下两端通过法兰盘分别与三桩腿缩尺模型2和六维力传感器6下方的连接板11相连接。

在本发明的另一个实施方式中，六维力传感器6下方的连接板是根据实际海洋平台三桩腿之间的距离进行缩尺所得的等边三角形的连接板11；六维力传感器6位于等边三角形的连接板11中心。

本发明通过数据显示设备可读出测力杆3上两个测点的应变数据以及三桩腿缩尺模型2整体的环境载荷数据、整体模型的振动加速度时域响应数据以及水池中波浪的适时波高数据。

根据材料力学知识，可以得出测力杆的弯矩,如(式1)所示:

式中：m为弯矩(n/m)；

e为测力杆的材料的弹性模量(mpa)；

ε为测点的应变值；

d测力杆的外径；

d测力杆的内径；

又因为m1＝f·l1,m2＝f·l2，,故δm＝f·δl。因此可得各个桩腿单独的受力为：

式中：δl是测力杆部件上两组应变片之间的垂向距离，三根测力杆上的两组应变片之间的距离相等。

δε则是测力杆3上两个测点的应变值之差(测力杆上的两个测点是指在测力杆上设置两组应变片的位置，用于测量单桩腿所受到的测力杆3应变信号)。

将三桩腿缩尺模型2中各个桩腿的受力与单桩腿模型相同工况下的受力进行比较，分析在海流海浪的作用下三桩腿之间的群桩效应。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。