一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置论文和设计-张新曙

全文摘要

本发明涉及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。

主设计要求

1.一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，包括：拖车；纵向运动导轨机构：包括固定在拖车下方的纵向导轨架、布置在纵向导轨架两侧的纵向滑道，以及设置在纵向滑道上并沿其移动的纵向滑块；横向运动导轨机构：包括与纵向滑块固定连接的横向导轨架、布置在横向导轨架两侧的横向滑道，以及设于横向滑道上并沿其移动的横向滑块；艏摇转动机构：包括与横向滑块固定连接的艏摇转动支架，以及竖直转动设置在艏摇转动支架上的连接主轴；光学测量机构：包括位于纵向运动导轨机构上方并与连接主轴顶部固定连接的测试平台、安装在测试平台上的发光件，以及与拖车固定连接并用于观测发光件运动轨迹的跟踪镜头；用于安装浮式平台模型的顶板：其位于艏摇转动支架下方并与连接主轴底端固定连接；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。

设计方案

1.一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，包括：

拖车；

纵向运动导轨机构：包括固定在拖车下方的纵向导轨架、布置在纵向导轨架两侧的纵向滑道，以及设置在纵向滑道上并沿其移动的纵向滑块；

横向运动导轨机构：包括与纵向滑块固定连接的横向导轨架、布置在横向导轨架两侧的横向滑道，以及设于横向滑道上并沿其移动的横向滑块；

艏摇转动机构：包括与横向滑块固定连接的艏摇转动支架，以及竖直转动设置在艏摇转动支架上的连接主轴；

光学测量机构：包括位于纵向运动导轨机构上方并与连接主轴顶部固定连接的测试平台、安装在测试平台上的发光件，以及与拖车固定连接并用于观测发光件运动轨迹的跟踪镜头；

用于安装浮式平台模型的顶板：其位于艏摇转动支架下方并与连接主轴底端固定连接；

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。

2.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述横向导轨架上沿横向两侧的中间位置设有中间拉环，所述纵向弹性件包括两端分别连接所述中间拉环和拖车的纵向弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述横向导轨架上沿横向两侧的两端部分别设有端部拉环，所述艏摇转动支架上固定连接有伸入横向导轨架上同侧的两端部拉环之间的耦合连接件，在耦合连接件的顶部设有活动拉环，所述横向弹性件包括两端分别连接所述活动拉环和端部拉环的横向弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述连接主轴上穿设有两端露出的水平的转动连接杆，在转动连接杆的非转动中心位置处还布置有连接所述艏摇转动支架的约束弹簧。

5.根据权利要求4所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述艏摇转动支架上设有两根分别位于转动连接杆两侧并与其平行的连接基杆，两根连接基杆与转动连接杆两个端部之间均布置有所述约束弹簧。

6.根据权利要求5所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，约束弹簧在连接基杆与转动连接杆上的连接点位置可调。

7.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述纵向滑块和横向滑块分别通过静压气浮方式嵌套布置在纵向滑道和横向滑道上。

8.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述连接主轴的顶端设置有伸出纵向运动导轨机构顶部的撑杆，在撑杆上固定设置所述测试平台。

9.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述发光件包括多个固定在测试平台上的发光灯球，发光件与跟踪镜头的位置满足：测试过程中的运动的发光件始终位于跟踪镜头所覆盖的测量区域内。

10.根据权利要求1所述的一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置，其特征在于，所述顶板与连接主轴底部螺纹固定连接。

设计说明书

技术领域

本发明属于海洋平台涡激运动水池试验技术领域，涉及一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置。

背景技术

近年来，随着海洋油气资源的开发从浅海转向深海，多柱式系泊浮式平台得到了快速发展，已成为当今海洋工程高新技术装备之一，其主要包括半潜式平台和张力腿平台。这类平台不仅造价经济、安装简单，而且具有有效载荷大、后期扩展性能强等诸多优点，目前世界上约有70％的深海油气开发都使用多立柱浮式平台。随着我国在南海油气资源开发领域的进一步发展，对深海系泊多柱式平台的需求日益迫切。

由于多柱式系泊浮式平台主体结构通常由多个立柱和浮箱结构组成，在一定海流作用下，立柱尾部会发生周期的漩涡脱落，从而产生沿流向的阻力和垂直于流向的升力，致使平台发生大幅度的涡激运动。大幅度的涡激运动影响到平台锚链和立管系统的疲劳寿命，严重时甚至会造成平台结构的破坏。多柱式系泊浮式平台的涡激运动响应已成为平台设计中必需考虑的关键因素。

模型水池试验是研究多柱式系泊浮式平台涡激运动的一种简单、可靠的方法，所得试验数据能直观的反映多柱式系泊浮式平台涡激运动响应幅值特性，作为判断平台运动性能是否满足总体设计指标的依据，并根据试验结果对平台锚链及立管系统的设计提供参考。

深海多柱式系泊浮式平台需要有系泊系统来定位，在水池试验中系泊系统的模拟要求较大的水深，同时平台涡激运动实现需要一定的来流速度，因此传统深海平台涡激运动的水池试验通常在拖曳水池中进行，并将平台系泊系统直接简化为水平面内的四根线性弹簧。然而传统的试验方法并不能保证流向、横向以及艏摇三自由度的等效刚度与实际情况一致，同时当系泊系统对平台的回复刚度不再为线性关系时，其无法测量得到深海平台在非线性刚度等效约束下的涡激运动响应特性。

本发明正是基于上述背景而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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：包括固定在拖车下方的纵向导轨架、布置在纵向导轨架两侧的纵向滑道，以及设置在纵向滑道上并沿其移动的纵向滑块；

横向运动导轨机构：包括与纵向滑块固定连接的横向导轨架、布置在横向导轨架两侧的横向滑道，以及设于横向滑道上并沿其移动的横向滑块；

艏摇转动机构：包括与横向滑块固定连接的艏摇转动支架，以及竖直转动设置在艏摇转动支架上的连接主轴；

用于安装浮式平台模型的顶板：其位于艏摇转动支架下方并与连接主轴底端固定连接；

进一步的，所述横向导轨架上沿横向两侧的中间位置设有中间拉环，所述纵向弹性件包括两端分别连接所述中间拉环和拖车的纵向弹簧。

进一步的，所述横向导轨架上沿横向两侧的两端部分别设有端部拉环，所述艏摇转动支架上固定连接有伸入横向导轨架上同侧的两端部拉环之间的耦合连接件，在耦合连接件的顶部设有活动拉环，所述横向弹性件包括两端分别连接所述活动拉环和端部拉环的横向弹簧。

进一步的，所述连接主轴上穿设有两端露出的水平的转动连接杆，在转动连接杆的非转动中心位置处还布置有连接所述艏摇转动支架的约束弹簧。

更进一步的，所述艏摇转动支架上设有两根分别位于转动连接杆两侧并与其平行的连接基杆，两根连接基杆与转动连接杆两个端部之间均布置有所述约束弹簧。

更进一步优选的，约束弹簧在连接基杆与转动连接杆上的连接点位置可调。

进一步的，所述纵向滑块和横向滑块分别通过静压气浮方式嵌套布置在纵向滑道和横向滑道上。

进一步的，所述连接主轴的顶端设置有伸出纵向运动导轨机构顶部的撑杆，在撑杆上固定设置所述测试平台。

进一步的，所述发光件包括多个固定在测试平台上的发光灯球。

进一步的，发光件与跟踪镜头的位置满足：测试过程中的运动的发光件始终位于跟踪镜头所覆盖的测量区域内。

进一步的，所述顶板与连接主轴底部螺纹固定连接。

与现有技术相比，本发明的深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池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。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视示意图；

图3为本发明的侧视示意图；

图中标记说明：

1-拖车，2-多柱式平台模型，3-顶板，4-连接主轴，5-纵向弹簧，6-调整支架，7-纵向导轨架，8-横向导轨架，9-艏摇转动支架，10-纵向滑块，11-纵向滑道，12-中间拉环，13-螺栓件，14-横向弹簧，15-横向滑道，16-耦合连接件，17-横向滑块，18-活动拉环，19-约束弹簧，20-转动连接杆，21-撑杆，22-测试平台，23-发光灯球，24-跟踪镜头。

具体实施方式

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。

参见图1-3所示的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1、纵向运动导轨机构、横向运动导轨机构、艏摇转动机构和光学测量机构等几部分结构。

请再参见图1所示，纵向运动导轨机构包括通过调整支架6固定在拖车1下方的纵向导轨架7、布置在纵向导轨架7两侧的纵向滑道11，以及设置在纵向滑道11上并沿其移动的纵向滑块10，纵向滑块10采用静态气浮的方式嵌套在纵向滑道11上，使其可以沿纵向低摩擦滑动，此处气浮导轨装置需提供干燥稳定的气源，供气压力为0.4-0.6Mpa，四个纵向滑块10同时供气一起动作。

请再参见图1-图3所示，横向运动导轨机构包括与纵向滑块10固定连接的横向导轨架8、布置在横向导轨架8两侧的横向滑道15，以及设于横向滑道15上并沿其移动的横向滑块17。横向运动导轨机构处于纵向运动导轨机构的下方，其中，横向导轨架8通过螺栓联结的方式连接4个纵向滑块10，通过调整调整纵向滑块10与横向导轨架8的连接位置，使其沿纵向导轨架7的中纵轴对称。横向滑道15固定在横向导轨架8的下表面两侧，在横向滑道15上安装四个横向滑块17。横向导轨架8两侧各安装三个圆形拉环，分别为位于横向导轨架8中部的中间拉环12，和位于两个端部位置的端部拉环。多柱式平台模型2的纵向刚度通过相同刚度的纵向弹簧5进行等效，纵向弹簧5一端与横向导轨架8上的中间拉环12相连，另一端与拖车1相连。多柱式平台模型2的横向刚度采用相同刚度的四根横向弹簧14进行等效，横向弹簧14一端连接伸入同侧两个端部拉环之间的活动拉环18，另一端连接端部拉环。

请再参见图1-图3所示，艏摇转动机构位于横向运动导轨机构的下方，其包括艏摇转动支架9，底部带螺纹的可在水平面内转动的连接主轴4，转动连接杆20，约束弹簧19以及耦合连接件16。其中，艏摇转动支架9与横向滑块17固定连接，并通过耦合连接件16与活动拉环18固定相连，使得艏摇转动机构可以沿横向低摩擦滑动。连接主轴4的底端固定设置有顶板3，顶板3与多柱式平台模型2通过螺栓件13固定。连接主轴4的上端部连接转动连接杆20，约束弹簧19一端与转动连接杆20相连，另一端与固定在艏摇转动支架9上的杆件相连，通过调节四根约束弹簧19的位置和刚度等效模拟系泊平台的艏摇运动刚度。约束弹簧19的位置调节方式可以通过以下方式进行：分别在转动连接杆20和艏摇转动支架9上的杆件上布置有可沿其移动的杆套，约束弹簧19的两端分别连接转动连接杆20和艏摇转动支架9上的杆套，这样，通过调整杆套在转动连接杆20等上的位置，即可调节约束弹簧19的位置。

请再参见图1-图3所示，光学测量机构包括位于纵向运动导轨机构上方并通过撑杆21与连接主轴4顶部固定连接的测试平台22、安装在测试平台22上的发光件，以及与拖车1固定连接并用于观测发光件运动轨迹的跟踪镜头24，发光件包括若干个放置在测试平台22上的发光灯球23，跟踪镜头24通过镜头支架固定在拖车1上，同时，调节发光灯球23和跟踪镜头24的位置，使得发光灯球23全部位于跟踪镜头24所覆盖的测量区域。

上述深海多柱式平台涡激运动水池试验装置的试验方法具体如下：

(a)：将试验装置安装到拖车1上，并通过带螺纹的连接主轴4调整多柱式平台模型2至合适的吃水位置。

(b)：采用架杆标定方法，对光学测量机构进行标定。

(c)：开始试验，启动拖车1，拖车1的运动带动多柱式平台模型2向前运动，模型的移动速度(来流速度)由拖车1控制，当拖车1加速达到试验速度并稳定运行后，多柱式平台模型2开始在来流作用下自由运动。

(d)：采集试验数据，要求拖车1稳定运动一段时间，当多柱式平台模型2的横向涡激运动历时曲线达到15-20个周期以后，停止采集数据，拖车1刹车减速，停车，然后返回到船坞进行下一速度点的试验。

(e)：启动拖车1至下一速度点，重复步骤d。

(f)：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。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

设计图

一种深海多柱式系泊浮式平台涡激运动水池试验装置论文和设计

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