一种水上软刚臂系泊模型试验系统的制作方法

本发明属于系泊技术领域，涉及一种水上软刚臂系泊模型试验系统。

背景技术

众所周知，我国的渤海地区蕴含有大量的石油资源，而且大部分都为边际油田，中国海洋石油总公司曾先后投入7艘fpso(floatingproductionstorageandoffloading，浮式生产储油卸油装置)对其进行油气的开采。fpso兼有生产、储油、卸油的功能。自身一般无动力装置，需借助一定的系泊系统对其进行系泊定位。这些fpso通过软刚臂单点系泊系统固定于某个特定海域，以便于fpso在该海域长期的开采和存储，同时系泊系统采用“阻尼器”的定位设计，使得fpso对单点平台施加的力变化均匀，不会对单点平台产生较大的冲击力。这种结构适用于50米以下的浅水区域，一般由系泊支架、系泊臂、系泊腿和压载舱构成。软刚臂系泊系统介于单点平台和fpso船体之间，将系泊力传递到单点平台上。

目前很多专家学者对fpso的软刚臂单点系泊结构进行了广泛而深入的研究，但是由于真实海洋环境的复杂性和不可预测性，以及浅水效应等问题，软刚臂系泊结构在实际应用中还是存在很多设计安全问题，渤海曾经发生多起在外部荷载条件下软刚臂失效的事故。由于其涉及到船体运动、软刚臂多体系统运动的耦合问题，因此常规的数值模拟方法无法模拟现场真实的情况。而也有学者开展了广泛的现场监测的研究，但是由于现场条件复杂，无法获得单一工况的响应数据等，这些问题都制约着相关研究的进展。而室内模型实验方法是较为有效的解决方案之一，所以能在实验室进行软刚臂的模型试验研究是十分重要和必要的。而如何根据真实软刚臂单点系泊系统(下文简称软刚臂)提供一个室内的试验模型并模拟其与现场真实船体运动产生的耦合运动就是十分关键的。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种在实验室无水环境下水上软刚臂系泊系统与fpos船体运动的耦合模拟，实现对软刚臂系泊结构的试验研究。

本发明采取的技术方案：

一种水上软刚臂系泊模型试验系统，包括六自由度运动模拟平台、系泊支架、系泊腿、系泊臂、压载舱、单点平台；其中，所述六自由度运动模拟平台放置于凸出地面的钢筋混凝土基台上，并与基台通过高强度螺栓连接控制，由电力系统供电，通过液压系统控制其运动；在控制软件中输入平台的运动频率、幅值等参数，通过液压系统控制平台产生横摇、横荡、纵摇、纵荡、艏摇、垂荡以及两种及两种以上的耦合运动。

所述系泊支架下端通过螺栓固定于六自由度运动模拟平台上，上端通过一组万向铰与系泊腿连接；所述系泊支架将六自由度运动模拟平台的船体运动传递给软刚臂系泊系统。

所述系泊腿为钢制管件，其上端由轴向推力关节轴承与两组滑动轴承组成的万向铰与系泊支架相连接，其下端通过两组滑动轴承与系泊臂相连接；所述系泊腿上端的万向铰的本体是铸钢，轴是锻钢，并配以自润滑青铜套。轴和轴套相摩擦的部分均镀以不锈钢。所述系泊腿上端内部的轴向推力关节轴承可使系泊腿自由地绕其轴线转动。

所述系泊臂为一个刚性a字形构架，其前端通过两个滑动轴承与系泊平台的转动轴承(滑环)连接，其后端分别与两个系泊腿相连接；所述压载舱布置在所述系泊臂a字架的横撑处；

所述单点平台主体为一独腿导管架平台，上部为系泊头；所述单点平台的导管架为钢管构架位于主支撑柱底端，通过水平的和斜的拉筋将导管架的支撑腿与主支撑柱连接，支撑腿通过螺栓与基座连接，固定在混凝土地面上，从而将导管架固定住；单点平台上端的的系泊头包括依次连接的转动轴承支座、转动轴承、旋转接头堆组。

进一步地，上述推力关节轴承采用nsk89307推力滚子轴承，它不仅与现场轴承构造相似，而且强度也满足承重要求；所述推力关节轴承与连接件配合，可使系泊腿自由地绕其纵轴线转动。所述推力关节轴承可以根据需求快速更换。

进一步地，上述压载舱在系泊臂的左右各布置一个，可向其中加入液体增加配重为软刚臂提供所需回复力，同时还可以在两个压载舱之间增加一到多个压载舱，以满足软刚臂的减振需求。

本发明中，所述的六自由度运动模拟平台提供了一种无水环境下模拟船体在水中运动姿态的加载方式。

本发明中，所述的六自由度运动模拟平台不仅可以提供船体的横摇、横荡、纵摇、纵荡、艏摇、垂荡六种运动姿态，还可以提供其中两种以上运动耦合的运动姿态。

本发明中，所述系泊腿与所述系泊支架之间的铰接点连接参照真实结构，模型运动方式与真实结构几乎相同，能在实验中尽可能真实地把所述六自由度运动模拟平台模拟的船体运动传递给软刚臂系泊系统。

本发明中，单点平台是软刚臂试验模型的固定结构，系泊支架起着连接六自由度运动模拟平台与软刚臂系泊系统的作用。利用这个试验模型不仅能直观的观察软刚臂系泊系统的运动状态，而且能够根据需要安装相应的传感器，在试验室对软刚臂系泊系统在实际应用中可能出现的问题进行监测与分析。比如系泊支架与系泊腿连接处的上端设置摄像头，用于实时观察连接杆的转动角度，实现系泊腿上端内部推力关节轴承的损伤识别试验等。

本发明的有益效果为，该系统可以实现在无水环境下的软刚臂模型随船体运动的模拟，同时在软刚臂模型上布置相应的传感器来测量结构倾角，加速度等数据，进而可以对水上软刚臂随船体运动产生的振动、疲劳、损伤、运动性能等问题进行分析，为真实结构的设计、分析与现场的水上软刚臂系统的风险管理等工作提供理论依据。

附图说明

图1是本发明水上软刚臂系泊试验系统的正视图；

图2是本发明中系泊腿的(a)侧视图和(b)正视图；

图3是本发明中系泊支架的正视图；

图4是本发明中系泊腿与系泊支架的连接件正视图；

图5是本发明中系泊臂结构的俯视图；

图6是本发明中单点平台的正视图。

图中：1六自由度运动模拟平台；2系泊支架；3系泊腿；4系泊臂；5压载舱；6单点平台；7单轴加速度传感器布点位置；8推力关节轴承；9摄像头安装点；10连接件上推力关节轴承装配位置；11横摇-纵摇铰接点；12转动轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本试验模型进行详细描述。

如图1所示，图中可见本试验模型的组成部分：六自由度运动模拟系统1、系泊支架2、系泊腿3、系泊臂4、压载舱5、单点平台6。本试验模型是对真实的fpso软刚臂单点系泊结构经过一定的缩比得到的，其中在不改变软刚臂结构特征及运动特性的前提下对某些部位进行了简化。在试验过程中，系泊支架2与六自由度模拟台1相连接，六自由度运动模拟平台1能在无水环境下模拟fpso船体的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡以及垂荡6种运动姿态和其中两种以及两种以上耦合运动姿态的变化，进而可以使软刚臂模型处于一种与真实运动相近的状态中；系泊支架2下端用螺栓装配在六自由度运动模拟平台1的上部平台桁架上，上端通过带有轴向推力关节轴承的万向铰与系泊腿3的相连接，由于它是固定在六自由度运动模拟平台上的，所以可以将六自由度运动模拟平台1的运动传递给系泊结构；系泊腿3上端与连接杆装配在一起，连接杆上装配有轴套和推力关节轴承8，连接杆与系泊支架2上端的两组滑动轴承组成万向铰；系泊腿3下端通过两组滑动轴承与带有压载舱的系泊臂4连接；系泊臂4的前端借助横摇-纵摇绞接头11与系泊头上的滑环13相连接，横摇-纵摇铰接头11可以使系泊臂4产生横摇、纵摇运动，转动轴承12可以使系泊臂4绕单点平台旋转运动，系泊臂4的后一端借助于系泊腿3与系泊支架2相连接；压载舱5中可以根据试验要求注入某种液体，来增加系泊臂3的回复力，一般情况下左右系泊臂下端各有一个压载舱5，然而可以在它们之间增加压载舱的数量，以起到在软刚臂运动过程中的减振效果；单点平台6分为上部的系泊头和下部的导管架结构，单点平台6通过下部的导管架结构同刚性基座用螺栓连接固定，基座固连在混凝土地面上，从而为整个软刚臂提供支撑和定位。

实施案例(系泊腿上端内部推力关节轴承的损伤识别)

如图2所示，利用本试验模型进行系泊腿上端内部推力关节轴承的损伤识别试验。首先将左边系泊腿上端内部的推力关节轴承换成缺口(人为制造)的，右边的保持不变；接着在7位置布置单轴加速度传感器，7位置代表两个相互垂直的方向，正对着内部推力关节轴承，单轴加速度传感器用哥俩好胶水固定在7位置；同时将摄像头用钢箍固定在9位置(左右两个摄像头)，连接硬盘录像机，在计算机上打开视频软件，接通电源通过观察视频调整摄像头对准系泊腿3上端连接杆位置，以便实时观察连接杆的转动角度；然后启动六自由度运动模拟平台1，在计算机上的控制软件中选择艏摇运动，并分别输入不同的幅值和频率参数值，让六自由度运动模拟平台1产生不同的艏摇运动，同时利用动态信号采集系统对软刚臂在不同艏摇下的振动加速度数据进行采集，重复几组实验，对采集到的数据进行处理分析，进而识别这个损伤。

采取上述方案，该水上软刚臂系泊模型试验系统有以下特点：

1、该软刚臂试验模型是依据真实结构，按照一定的比例缩比而成，某些部位有少许简化，但其结构及各部分之间的连接形式尽量与原型保持了一致性，保证了软刚臂系泊系统的多体运动特性；

2、该软刚臂试验系统利用六自由度运动模拟平台(无水环境下)模拟船体的运动姿态，避免了水池试验(要造波推动船体运动)产生的高额费用，而且很容易就能得到想要的运动姿态，更加稳定可靠。还可以进行单一运动工况的模拟，比如首摇、横摆等，便于对系泊系统的单参数工况下的性能进行模拟分析。同时该试验两个人就能完成，也节约了人工成本；

3、该软刚臂试验模型采用模块化设计，各部分均相对独立，方便后期的更换、维修和养护，同时也方便以后的功能拓展；

4、该软刚臂试验模型可以进行各种试验，例如可以在整个模型上布置六轴倾角加速度传感器监测软刚臂在不同运动姿态下的倾角数据和加速度数据；还可以更换系泊腿上端内部的推力关节轴承，通过在其外部布置单轴加速度传感器，获取其在艏摇下的振动加速度数据来对推力关节轴承进行损伤识别等研究。