一种张力腿平台涡激运动水池试验装置

1.本发明涉及水池试验装置，尤其是涉及一种张力腿平台涡激运动水池试验装置。


背景技术：

2.近年来，随着海洋油气资源的开发从浅海转向深海，深海多柱式平台的应用和性能要求变高，对此，中国专利cn109696293a公开了一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，包括拖车、纵向运动导轨机构、横向运动导轨机构、艏摇转动机构、光学测量机构，以及用于安装浮式平台模型的顶板，所述拖车与横向运动导轨机构之间还设有确定纵向刚度的纵向弹性件，所述横向运动导轨机构与艏摇转动机构之间还设有确定横向刚度的横向弹性件，所述艏摇转动支架与连接主轴之间还设有确定转动刚度的弹性约束件。与现有技术相比，本发明的试验装置不但能够准确等效模拟实际海况下系泊系统在水平面内的三自由度刚度，同时还能模拟深海平台在非线性刚度等效约束下的涡激运动响应特性。
3.上述水池试验装置可适用于半潜式平台实验，但是在应用于张力腿平台实验会存在故障率高。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种张力腿平台涡激运动水池试验装置，通过气浮吸盘在外部供气下表面喷出气体形成稳定的压力气流，因气膜边缘与大气相通压强为零，气膜阻力阻挡了压力气流和大气相通，使得气膜表面形成一定压强，整个气盘表面具备承载能力，大大提高了承载力，从而有效降低了试验装置在应用于张力腿平台试验的故障率。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种张力腿平台涡激运动水池试验装置，包括：
7.拖车；
8.还包括：
9.张力腿平台模型，通过弹簧系统安装至拖车上，并在拖车的牵引下运动；
10.光滑不锈钢钢板、支架、气浮吸盘和精密螺栓，所述光滑不锈钢钢板通过支架安装于拖车上，所述气浮吸盘通过精密螺栓连接张力腿平台模型，并支撑于光滑不锈钢钢板下方，所述气浮吸盘表面采用纳米材料，并在外部供气下表面喷出气体形成稳定的压力气流，其中，所述气浮吸盘共设有四个；
11.三自由度运动光学测量系统，包括外伸架、发光灯球和跟踪镜头，所述外伸架刚性固定于张力腿平台模型上，所述发光灯球置于外伸架上，所述跟踪镜头设于拖车上。
12.所述外部供气的供气压力为0.4
‑
0.6mpa。
13.所述外部供气提供的气源为干燥气源。
14.所述气浮吸盘和精密螺栓之间通过球面接触。
15.所述弹簧系统包括多个弹簧，各弹簧的一端连接至张力腿平台模型，另一端通过拉力传感器连接至拖车。
16.所述弹簧共设有四个。
17.所述弹簧系统各弹簧的锚点中心在张力腿平台模型的中心。
18.所述支架包括第一结构件、多个第二结构件和多个第三结构件，所述第二结构件和第三结构件的数量相等且一一对应，所述第一结构件和第二结构件垂直，所述第二结构件和第三结构件的轴向平行，且所述第二结构件上设有外螺纹，各第二结构件的一端通过第三结构件连接至光滑不锈钢钢板，另一端穿过第一结构件并通过两个固定螺帽限位。
19.所述气浮吸盘通过精密螺栓连接张力腿平台模型的法兰底盘。
20.所述拖车上设有红外测速仪。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.1)通过气浮吸盘在外部供气下表面喷出气体形成稳定的压力气流，因气膜边缘与大气相通压强为零，气膜阻力阻挡了压力气流和大气相通，使得气膜表面形成一定压强，整个气盘表面具备承载能力，大大提高了承载力，从而有效降低了试验装置在应用于张力腿平台试验的故障率。不但能够准确张力腿平台的刚度和所受预张力，同时还能模拟张力腿平台的涡激运动响应特性。
23.2)外部供气的供气压力为0.4
‑
0.6mpa，可支持压力在100公斤。
24.3)气浮吸盘和精密螺栓之间通过球面接触，气浮吸盘可以万向旋转。
25.4)通过特制的支架设计，可以便于调节光滑不锈钢钢板的倾角，从而提高便捷性和降低成本。
附图说明
26.图1为本发明实施例的结构示意图；
27.图2为实施例中张力腿平台模型顶面的布置图；
28.图3为本发明支架的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图；
29.其中：1、第一结构件，2、第二结构件，3、拖车，4、第三结构件，5、光滑不锈钢钢板，6、拉力传感器，7、弹簧，8、红外测速仪，9、跟踪镜头，10、发光灯球，11、外伸架，12、气浮吸盘，13、精密螺栓，14、张力腿平台模型，15、固定螺帽15。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.一种张力腿平台涡激运动水池试验装置，如图1所示，包括：
32.拖车3；
33.还包括：
34.张力腿平台模型14，通过弹簧系统安装至拖车3上，并在拖车3的牵引下运动；
35.光滑不锈钢钢板5、支架、气浮吸盘12和精密螺栓13，光滑不锈钢钢板5通过支架安装于拖车3的测量桥上，气浮吸盘12通过精密螺栓13连接张力腿平台模型14，并支撑于光滑不锈钢钢板5下方，气浮吸盘12表面采用纳米材料，并在外部供气下表面喷出气体形成稳定的压力气流，其中，气浮吸盘12共设有四个；
36.三自由度运动光学测量系统，包括外伸架11、发光灯球10和跟踪镜头9，外伸架11刚性固定于张力腿平台模型14上，发光灯球10置于外伸架11上，外伸架9保证发光灯球8在张力腿平台模型14表面与光滑平板夹缝之外，跟踪镜头9设于拖车3上，当张力腿平台模型14运动时，通过捕捉发光灯球10的运动得到平台模型的运动幅值响应。
37.通过气浮吸盘12在外部供气下表面喷出气体形成稳定的压力气流，因气膜边缘与大气相通压强为零，气膜阻力阻挡了压力气流和大气相通，使得气膜表面形成一定压强，整个气浮吸盘12表面具备承载能力，大大提高了承载力，从而有效降低了试验装置在应用于张力腿平台试验的故障率。
38.在张力腿平台模型涡激运动水池试验过程中，通过改变拖车3速度模拟平台模型遭遇的来流速度，气浮系统包括气浮吸盘与光滑不锈钢钢钢板5，两者之间形成低摩擦气膜，使平台可以在水平面内自由运动。水平方向上采用等效系泊系统刚度的弹簧进行约束，从而实现平台在来流作用下沿纵向、横向以及艏摇方向上的涡激运动，并通过发光球和追踪镜头捕捉平台的运动轨迹。保证了张力腿平台可以在三自由度等效刚度约束下进行纵荡、横荡和艏摇运动，能够系统预报张力腿平台的涡激运动响应及其作用规律。
39.外部供气提供的气源为干燥气源。且在一些实施例中，外部供气的供气压力为0.4
‑
0.6mpa。
40.气浮吸盘12和精密螺栓13之间通过球面接触，气浮吸盘12可以万向旋转，四个气盘接触光滑平板，保证至少有三个气盘保持接触状态。气浮吸盘12与精密螺栓13通过球面接触，气盘可以万向旋转。
41.弹簧系统包括多个弹簧7，各弹簧7的一端连接至张力腿平台模型14，另一端通过拉力传感器6连接至拖车3。在一些实施例中，弹簧共设有四个，弹簧7按照一定角度和距离布置，保证满足模型的刚度要求。通过实施获取拉力传感器数据，得到张力腿平台模型的受力信息。
42.如图2所示，弹簧系统各弹簧的锚点中心在张力腿平台模型14的中心，且调节弹簧7之间的锚点距离，保证艏摇刚度和平移刚度的关系。根据弹簧锚点位置的改变，移动气盘法兰底座安装位置，保证弹簧和精密螺栓的运动轨迹不干涉。
43.在一些实施例中，支架包括第一结构件1、多个第二结构件2和多个第三结构件4，第二结构件2和第三结构件4的数量相等且一一对应，第一结构件1和第二结构件2垂直，第二结构件2和第三结构件4的轴向平行，且第二结构件2上设有外螺纹，各第二结构件2的一端通过第三结构件4连接至光滑不锈钢钢板5，另一端穿过第一结构件1并通过两个固定螺帽15限位，通过两个固定螺帽15就可以固定第二结构件2作用段的长度，并且通过四根第二结构件的长度差，从而可以便于调节光滑不锈钢钢板的倾角，从而提高便捷性和降低成本。
44.气浮吸盘12通过精密螺栓13连接张力腿平台模型14的法兰底盘，调节气浮吸盘12各位置伸高于张力腿平台模型14的高度，从而调整气浮吸盘12保持水平，此外，拖车3上设有红外测速仪。
45.上述水池试验装置的试验方法包括如下步骤：
46.(a)将张力腿平台模型14和相关器件安装到拖车3上，并通过调节螺栓2保证光滑不锈钢钢板5保持水平。
47.(b)减小平台载重，调整气浮吸盘接触光滑不锈钢钢板5，并保证多个气浮吸盘12
表面在同一水平面，对气膜的摩擦力进行检验。
48.(c)采用架杆标定方法，对光学运动测量系统进行标定。
49.(d)开始试验，启动拖车3，拖车3的运动带动张力腿平台模型14向前运动，模型的移动速度(来流速度)由拖车控制，当拖车3加速达到试验速度并稳定运行后，张力腿平台模型14开始在来流作用下自由运动。
50.(e)采集试验数据，要求拖车3稳定运动一段时间，当张力腿平台模型14的横向涡激运动历时曲线达到15
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20个周期以后，停止采集数据，拖车3刹车减速，停车，然后返回到船坞进行下一速度点的试验。
51.(f)启动拖车3至下一速度点，重复步骤d。
52.(g)重复步骤(c)到(e)，完成所有速度点试验。进一步分析采集试验数据的有效性，去除坏点，然后将记录得到的纵向、横向和艏摇运动幅值的历时曲线进行统计分析，得到不同速度点下的涡激运动响应，并绘制对应的幅值响应曲线。