一种张力腿平台涡激运动水池模型实验装置

1.本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的说，是涉及一种张力腿平台涡激运动水池模型实验装置。


背景技术：

2.张力腿平台是海洋油气开发工程的重要设备之一，一般由平台上部、平台主体及张力腿筋腱系统组成。在一定来流条件下，张力腿平台的立柱后缘出现周期性的交替旋涡脱落，致使立柱受到垂直于来流方向的升力和平行于来流方向的阻力作用，从而使平台产生涡激运动。涡激运动会导致平台产生大幅度往复位移，显著增加平台结构和系泊系统的负载，是张力腿平台动力响应分析中的热点和难点问题之一。近年来，张力腿平台涡激运动问题的研究，主要采用模型实验和数值模拟结合的方式。水池模型实验可以客观有效地分析平台在浪、流影响下产生的涡激运动响应，是研究海洋结构物涡激运动性能的主要手段之一。
3.现有的张力腿平台涡激运动水池模型实验，通常是在拖曳水池中进行，采用装配垂直压载系统的模拟方式，替代水下系泊以确保平台的吃水和垂向刚度，并不对张力腿、立管作实物模拟。该方法可以获得平台上部主体的涡激运动响应，却无法模拟张力腿平台在位情况时水下系泊和立管的运动状态。由于张力腿平台发生涡激运动的过程中，张力腿、立管会与平台主体产生复杂耦合作用，导致张力腿平台的涡激运动特性更加复杂。因此，为了改进实验效果，有必要对水下系泊和立管进行模拟，不做截断处理。张力腿平台所处海域通常水深较深，平台模型需要系泊固定在深度足够的实验水池中，在实验之前，通过调整水下系泊的预张力，确保平台的垂向刚度和吃水，通过水池造流模拟流速条件，研究张力腿平台主体和水下系泊的涡激运动特性，反映张力腿平台在位工况下的涡激运动响应。
4.在该类型的实验研究中，水流的来流角度是一项重要的实验参数。如果改变已经固定好的模型的角度，需要将系泊于深水实验水池中的平台模型吊装起来进行拆卸和调整，还需将水池泄水，平台模型重新下水后再重新进行预张力调试，严重影响实验周期。同时，该类实验中传感器和采集设备安装复杂，频繁的拆卸实验装置，容易对已经安装好的平台结构和传感器产生破坏和影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种张力腿平台涡激运动泳池实验装置，可以高效、精准的改变已经系泊于水池中的张力腿平台的迎流角度，在不拆卸传感器和采集设备的前提下完成实验研究。
6.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
7.一种张力腿平台涡激运动水池模型实验装置，包括水平系泊机构、水平旋转机构、水平系泊调节机构和垂直系泊机构，所述水平旋转机构包括旋转电机及转盘，所述旋转电机驱动所述转盘水平转动；所述水平系泊机构包括多组水平系泊单元；所述水平系泊调节
机构包括空心结构的圆环及与所述水平系泊单元数量相同的水平系泊调节单元，所述圆环朝向中心的一侧设置有贯通整个所述圆环内侧的开口，在所述开口位置的所述圆环内壁上设置有多个均布的定位槽；与所述开口位置相对的所述圆环内壁上沿所述圆环内壁设置有轨道；每个所述水平系泊调节单元包括定位球和压簧，所述定位槽的直径大于所述定位球的直径，所述定位球置于对应待测迎流角度的定位槽中，所述压簧的一端与所述定位球固定连接，所述压簧的另一端与所述轨道滑动连接；所述水平系泊单元中的水平系泊缆绳的一端穿过所述开口与所述定位球连接；所述垂直系泊机构包括多组垂直系泊单元；每组所述垂直系泊单元中的垂直系泊缆绳与所述转盘连接。
8.每个所述垂直系泊单元包括两根平行设置的所述垂直系泊缆绳，每根所述垂直系泊缆绳的一端与所述转盘连接，另一端通过所述垂向弹簧、垂向拉力传感器及张紧器与平台模型的立柱下端连接，所述平台模型通过多个所述垂直系泊单元系泊于所述圆环的中央，所述垂直系泊缆绳模拟张力腿筋腱。
9.所述水平系泊单元包括水平拉力传感器、水平弹簧及所述系泊缆绳，所述系泊缆绳的一端与所述定位球固定连接，另一端通过所述水平拉力传感器、水平弹簧与所述平台模型的立柱连接，所述水平弹簧与水平系泊缆绳共同构成水平系泊连接构件，模拟平台模型水平刚度和首摇刚度特性，并提供回复力和力矩。
10.还包括水池、拖车支架、垂直支架及圆环高度调节机构，所述垂直支架上端与所述拖车支架连接，所述垂直支架下端通过所述圆环高度调节机构与所述圆环连接；所述水池的顶面上设置有导轨，所述垂直支架的下端与所述导轨滑动连接；所述拖车支架上安装有摄像机及数据采集设备。
11.所述圆环高度调节机构包括四个伸缩执行器，每个所述伸缩执行器由驱动缸及伸缩杆组成，四个所述伸缩执行器均匀的连接于所述圆环上。
12.所述圆环内壁每隔5
°
设置一个所述定位槽。
13.所述旋转电机为防水的步进电机，所述步进电机通过螺栓固定在所述水池底部，所述转盘通过齿轮和螺母垫片沿水平方向固定在所述步进电机的转轴上。
14.所述数据采集设备为六自由度位移信号接收器及光信号发射器，所述六自由度位移信号接收器及光信号发射器分别安装于相对应的所述拖车支架及平台模型上。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明的实验装置中设置有水平旋转机构及水平系泊调节机构，在满足系泊刚度要求的同时，可以高效、精准的改变已经系泊于水池中的张力腿平台的迎流角度，实现了在不拆卸传感器和采集设备的前提下完成平台模型的角度转动，提高了完成涡激运动的实验效率，缩短了试验周期。
附图说明
17.图1为本发明张力腿平台涡激运动水池模型实验装置的示意图；
18.图2为图1的俯视图；
19.图3为图2中的实验平台旋转45
°
的俯视图；
20.图4为圆环无定位槽处的横截面示意图；
21.图5为圆环定位槽处的横截面示意图；
22.图6为水平旋转机构的结构示意图。
具体实施方式
23.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
24.本发明的张力腿平台涡激运动水池模型实验装置的示意图如图1
‑
图6所示，包括水平系泊机构、水平旋转机构、水平系泊调节机构和垂直系泊机构。
25.所述水平旋转机构包括旋转电机15及转盘16，所述旋转电机15驱动所述转盘16水平转动。
26.所述水平系泊机构包括多组水平系泊单元，用于平台模型沿水平方向系泊，其结构组成可以与现有技术相同。
27.所述水平系泊调节机构包括空心结构的圆环3及与所述水平系泊单元数量相同的水平系泊调节单元。所述圆环3朝向中心的一侧设置有贯通整个所述圆环内侧的开口12，在所述开口12位置的所述圆环内壁上设置有多个均布的定位槽13。与所述开口12位置相对的所述圆环3内壁上沿所述圆环内壁设置有轨道27。每个所述水平系泊调节单元包括定位球4和压簧5，所述定位槽13的直径大于所述定位球4的直径，以便于定位球4卡在定位槽13中进行定位。所述定位球4置于对应待测迎流角度的定位槽13中，所述压簧5的一端与所述定位球4固定连接，所述压簧5的另一端与所述轨道27滑动连接。所述水平系泊单元中的水平系泊缆绳7的一端穿过所述开口12与所述定位球4连接。通过压簧5可使定位球4卡合在定位槽13中，保证平台模型6在水流的冲击下保持稳定的迎流角度。同时，压簧5水平滑动可以带动定位球4改变位置，保证定位球可以移动到任意角度。
28.所述垂直系泊机构包括多组垂直系泊单元，用于平台模型沿垂直方向系泊，其结构组成可以与现有技术相同。每组所述垂直系泊单元中的垂直系泊缆绳9与所述转盘16连接。
29.本实施例中，每个所述垂直系泊单元包括两根平行设置的所述垂直系泊缆绳9，每根所述垂直系泊缆绳9的一端与所述转盘16连接，另一端通过垂向弹簧22、垂向拉力传感器17及张紧器8与平台模型6的立柱下端连接，所述平台模型6通过多个所述垂直系泊单元系泊于所述圆环3的中央，所述垂直系泊缆绳9模拟张力腿筋腱。垂向弹簧22与垂直系泊缆绳9共同构成垂向系泊连接构件，可以模拟平台模型垂向刚度，提供相应的预张力和垂向恢复力。垂向拉力传感器17用于采集垂直系泊缆绳9在实验中受到的拉力，还用于实验准备时校核预张力数值，确保平台模型在水中保持水平状态，保证平台模型吃水满足试验设计要求。实验过程中，垂向拉力传感器17可以实时测量垂向张力的大小，监测平台模型的受力状态。
30.本实施例中，所述水平系泊单元包括水平拉力传感器10、水平弹簧14及所述系泊缆绳7，所述系泊缆绳7的一端与所述定位球4固定连接，另一端通过水平拉力传感器10、水平弹簧14与所述平台模型6的立柱连接，所述水平弹簧14与水平系泊缆绳7共同构成水平系泊连接构件，可以模拟平台模型水平刚度和首摇刚度特性，并提供相应的回复力和力矩。所述水平拉力传感器10用于采集实验中水平系泊缆绳7受到的拉力，进而用于实时监测平台模型所受水平载荷的大小。
31.本发明的张力腿平台涡激运动水池模型实验装置还包括水池11、拖车支架1、垂直支架2及圆环高度调节机构20，所述垂直支架2上端与所述拖车支架1连接，所述垂直支架2
下端通过所述圆环高度调节机构20与所述圆环3连接。所述水池11的顶面上设置有导轨21，所述垂直支架2的下端与所述导轨21滑动连接，以便于拖车支架1移动。所述拖车支架1上安装有摄像机19及数据采集设备，本实施例中的数据采集设备为六自由度位移信号接收器18
‑
1及光信号发射器18
‑
2，六自由度位移信号接收器18
‑
1及光信号发射器18
‑
2分别安装于相对应的所述拖车支架1及平台模型6上。拖车支架1采用实验室的拖车设备。摄像机19用于拍摄平台模型立柱周围的流场特征和平台模型在水流作用下产生的位移现象。六自由度位移信号接收器及光信号发射器可以实时测量并记录平台模型产生的六自由度位移。
32.本实施例中，所述圆环高度调节机构20包括四个伸缩执行器，采用电动或气动伸缩结构。每个伸缩执行器由驱动缸及伸缩杆组成，四个所述伸缩执行器均匀连接在水平圆环3上，保证水平圆环的平衡性。通过所述伸缩执行器可以调节水平圆环3的高度，从而将水平圆环定位在适合的高度。
33.本实施例中，定位槽的设置方式为：所述圆环内壁每隔5
°
设置一个所述定位槽13。
34.本实施例中，所述旋转电机15选择防水的步进电机，所述步进电机通过螺栓固定在水池11底部，所述转盘16通过齿轮25和螺母垫片24沿水平方向固定在所述步进电机的转轴23上。在转盘16上设置挂钩26，用于与垂向系泊缆绳9的连接。
35.本发明的张力腿平台涡激运动水池模型实验装置在实验开始后需要转变平台角度时，不需任何拆卸操作。现以0
°
和45
°
两次实验为例说明转变角度的过程，具体如下：
36.第一步、开展0
°
实验的准备工作：
37.首先，水池泄水后将平台模型6吊装至实验位置，将拖车支架1开至实验位置，将步进电机15固定在实验位置水池底部。通过水平系泊机构及垂直系泊机构将本发明的实验装置全部安装在水池中，形成一体，安装完毕后向水池中放水，将平台模型放入水中。调整张紧器8改变垂直系泊缆绳9的预张力，使垂直系泊缆绳9上的垂向拉力传感器17达到规定的拉力数值，并使平台模型6在水中保持水平，满足吃水要求。
38.第二步、迎流角度为0
°
的实验：
39.参考图2，将圆环3内的四个定位球4分别位于实验平台6的左上、左下、右上、右下四个定位槽位置，水平系泊缆绳7与水平轴或x轴之间的夹角均为45
°
，此时定义为0
°
实验，即实验平台6的迎流角度为0
°
。调整好拖车支架1上的摄像机、数据采集设备等，开始水池造流，记录拉力、位移等实验数据。直至0
°
实验完成。
40.第三步、进行实验装置的角度变换：
41.先等水池水流静止，然后通过所述旋转电机控制柜控制旋转电机15带动转盘16顺时针旋转45
°
，达到位置时停止给予信号，制动转盘16，此时，所有的垂直系泊缆绳9均随着转盘16旋转了45
°
，进而带动实验平台6旋转了45
°
。
42.第四步、水平系泊方向的变换：
43.挤压定位槽13中的定位球4，使压簧5压缩，进而将定位球4推出当前的定位槽13进入到下一个定位槽中，并推动压簧5在滑轨27上移动，使各个定位球4分别变换到下一个位置的定位槽中，连续推动各个定位球4，最后将各个定位球分别放入对应顺时针旋转45
°
的定位槽13中固定。此时整个实验平台、水平系泊缆绳及垂直系泊缆绳的角度都已经旋转了45
°
，参考图3，且未进行任何拆卸的操作。完成后调整好拖车支架1上的摄像机、数据采集设备等，开始水池造流，记录拉力、位移等实验数据。直至45
°
实验完成。
44.本发明的张力腿平台涡激运动水池模型实验装置可以高效、精准的改变已经系泊于水池中的张力腿平台的迎流角度，在不拆卸传感器和采集设备的前提下完成实验研究，提高了实验效率，缩短了实验周期。
45.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。