一种水池模型试验系泊缆预张力自动调整系统的制作方法

本发明属于海洋工程技术领域，涉及基于系泊缆张力增量刚度矩阵识别和自动控制的水池模型试验系泊缆预张力调整系统。

背景技术：

随着海洋油气、风能、波浪能等海洋开发活动向深海进军，浮式结构系统(如半潜式平台、spar平台、张力腿平台等及其系泊系统)逐步成为海洋工程的主力装备。深海浮式结构系统成本高昂、工作环境恶劣，为保证结构安全，在平台研发设计过程中通常需对其进行水池模型试验。

系泊缆是浮式结构系统的重要组成部分，为浮式平台正常作业提供定位保障。在深海浮式结构系统的水池模型试验中，由于锚点位置，系泊缆长度、质量和刚度，浮式平台吃水与浮态等各方面误差的存在，往往会导致系泊缆预张力与目标值存在误差。而系泊缆预张力对浮式平台、系泊系统的动力性能影响明显。因此，为保证水池模型试验结果的可靠性，需要对系泊缆预张力进行相对精确的调整。

目前，水池模型试验系泊缆预张力的调整没有相关的专业装备和方法，主要依赖工作人员在水池中对各系泊缆长度一一进行人工调整。调整依据不充分，具有一定的盲目性。同时，由于浮式平台系统通常拥有多根系泊缆(如六根、八根、十二根等)，且系泊缆之间的张力都是相互关联的，调整某一根时，其他所有系泊缆的预张力也随之发生变化，无法一次性地逐根调整至目标值。因此，系泊缆预张力调整需要经过很多次的尝试、循环，且每次调整都需要等待水面完全静止才能进行下一次调整，是水池模型试验中比较耗时的工作，严重影响试验进展。一套拥有6根系泊缆的系泊系统，其预张力调整通常需要2～3个小时才能完成，对整个试验进度影响很大；如果一个试验中有几套系泊系统，该过程将耗费大量时间。而行业内的水池模型试验所需的费用极高，一般的风浪流水池日租金可达数万元。总之，目前的浮式结构系统水池模型试验中，系泊缆预张力的调整存在理论依据不充分、调节精度差、时间与经济成本高等缺陷。

因此，如何科学、快速、准确地调节系泊缆预张力是目前浮式平台/系泊系统模型试验中急需解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水池模型试验系泊缆预张力自动调整系统，为系泊缆预张力调整提供一种理论依据充分的快速调整方法，解决了目前深海浮体/系泊系统水池模型试验中系泊缆预张力调整盲目、难度大、耗时长的难题。本发明的有益效果是增强系泊缆预张力调整的理论性，提高试验效率、精度，以得到可靠的试验结果更好地指导学术研究和实际工程设计。

本发明所涉及的系统包括：系泊缆张力采集单元、计算单元、控制单元、动力单元。

所述系泊缆张力采集单元，可读取和记录各系泊缆张力数据。所述计算单元与系泊缆张力采集单元相连，可接收系泊缆张力采集单元传输来的系泊缆张力数据；计算单元的核心任务是根据系泊缆长度变化和系泊缆张力变化计算系泊缆张力增量刚度矩阵，并进一步根据系泊缆当前预张力和目标预张力的差值，计算各系泊缆长度调整量。控制单元与计算单元相连，可接收由计算中心传输来的系泊缆调整量数据；同时，控制单元可判断系泊缆预张力的误差，控制整个调整系统的工作程序。所述动力单元与控制中心相连，其可接收由控制中心传输来的系泊缆调整量数据，并执行相关命令对各系泊缆长度进行定量调节。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

1)系泊系统布置完毕，系泊缆张力采集单元读取、存储各系泊缆初始预张力，并传输至计算单元。

2)控制单元发出指令给动力单元，分别对每根系泊缆预调整一小距离。

3)系泊缆张力采集单元分别记录每次调整后的各系泊缆预张力，并传输至计算单元。

4)计算单元根据系泊缆初始预张力、系泊缆长度调整量、每次调整后的系泊缆预张力等数据形成系泊缆长度增量矩阵、系泊缆张力增量矩阵，计算得到系泊缆预张力增量刚度矩阵。

5)进一步，计算单元根据目标系泊缆预张力与当前预张力的差值以及预张力增量刚度矩阵计算得到各根系泊缆的长度调整值，并将该信息传输至控制单元。

6)控制单元对动力单元发出指令，对各根系泊缆长度进行定量调节。

7)调整完毕，张力采集单元记录当前的预张力，传输至计算单元，计算该预张力与目标预张力之间的差值，即预张力误差，并传输至控制单元。

8)控制单元判断系泊缆预张力误差是否满足要求：如果误差小于设定的阈值，即系泊缆预张力满足水池模型试验要求，进入步骤9)；如果误差大于设定阈值，控制中心将调整后的预张力设置为初始预张力，进行新一轮调整，即重复步骤2)～8)。

9)系泊缆预张力调整结束，系统给出工作完成信号，自动调整系统工作结束。

进一步，系泊缆张力增量刚度矩阵k由如下方法求得：

对于系泊缆数量为n的系泊系统，k为n阶方阵。k与系泊缆长度增量矩阵δx(系泊缆长度调增时相应调整量为正)、系泊缆预张力增量矩阵δt存在如下数量关系：

k·δx＝δt

而在预调整过程中，δx和δt是已知的，则系泊缆预张力增量刚度矩阵可表示为：

k＝δt·δx^-1

根据系泊缆目标预张力与当前状态实际预张力的差值向量δt计算各系泊缆长度调整增量向量为：δx＝k^-1·δt。

进一步，动力单元由一组小型马达组成，为系泊缆收放提供动力，进行系泊缆长度的定量调节。

附图说明

图1是调整流程图；

图2是不同单元工作任务图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明实施步骤如下：

1)系泊系统布置完毕，系泊缆张力采集单元读取、存储各系泊缆初始预张力，并传输至计算单元。

2)控制单元发出指令给动力单元，分别对每根系泊缆预调整一小距离。

3)系泊缆张力采集单元分别记录每次调整后的各系泊缆预张力，并传输至计算单元。

4)计算单元根据系泊缆初始预张力、系泊缆长度调整量、每次调整后的系泊缆预张力等数据形成系泊缆长度增量矩阵、系泊缆张力增量矩阵，计算得到系泊缆预张力增量刚度矩阵。

5)进一步，计算单元根据目标系泊缆预张力与当前预张力的差值以及预张力增量刚度矩阵计算得到各根系泊缆的长度调整值，并将该信息传输至控制单元。

6)控制单元对动力单元发出指令，对各根系泊缆长度进行定量调节。

7)调整完毕，张力采集单元记录当前的预张力，传输至计算单元，计算该预张力与目标预张力之间的差值，即预张力误差，并传输至控制单元。

8)控制单元判断系泊缆预张力误差是否满足要求：如果误差小于设定的阈值，即系泊缆预张力满足水池模型试验要求，进入步骤9)；如果误差大于设定阈值，控制中心将调整后的预张力设置为初始预张力，进行新一轮调整，即重复步骤2)～8)。

9)系泊缆预张力调整结束，系统给出工作完成信号，自动调整系统工作结束。

本发明中所述系泊缆张力采集单元，可读取和记录各系泊缆张力数据。所述计算单元与系泊缆张力采集单元相连，可接收系泊缆张力采集单元传输来的系泊缆张力数据；计算单元的核心任务是根据系泊缆长度变化和系泊缆张力变化计算系泊缆张力增量刚度矩阵，并进一步根据系泊缆当前预张力和目标预张力的差值，计算各系泊缆长度调整量。控制单元与计算单元相连，可接收由计算中心传输来的系泊缆调整量数据；同时，控制单元可判断系泊缆预张力的误差，控制整个调整系统的工作程序。所述动力单元与控制中心相连，其可接收由控制中心传输来的系泊缆调整量数据，并执行相关命令对各系泊缆长度进行定量调节。

以拥有四根系泊缆的系泊系统为例，系泊缆预张力增量刚度矩阵k的获得过程如下：

仅调第一根系泊缆，调整长度为δx1，四根系泊缆的预张力增量向量为此时，系泊系统预张力增量方程：

然后，调整第二根系泊缆，调整长度为δx2，四根系泊缆的预张力增量向量为此时的系泊系统预张力增量方程为：

依次再调整第三根和第四根系泊缆，得到相应的预张力增量方程。把四个增量方程合在一起，可写为如下表达式：

那么，系泊缆预张力增量刚度矩阵可按下式求得：

根据目标预张力与当前预张力的差值δt计算各系泊缆调节量：

本发明的优点还在于：

1)提出了一种新的、可行的系泊缆预张力自动调整方法：本发明提出的浮式平台/系泊系统水池模型试验中系泊缆预张力调整装置，通过设计系泊缆张力采集单元、计算单元、控制单元和动力单元，对浮式结构系统的所有系泊缆进行统一调整，科学依据充分，调整高效。同时，调整过程中，每个调整循环都重新计算系泊缆预张力增量刚度矩阵，可以克服系泊系统的非线性难题，加快调整过程的收敛速度。

2)自动控制，结合控制单元的结构设计，控制单元连接系泊缆张力采集单元(自动识别/读取张力)、计算单元、动力单元等，整个过程实现自动化操作，快速、准确；同时，因为无需工作人员下水操作，静水过程简化，节约大量时间和经济成本。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。