一种分段式悬链线方程拉力模拟装置的组装及工作方法

1.本发明涉及一种分段式悬链线方程拉力模拟装置的组装及工作方法，其属于机械结构设计领域。


背景技术：

2.海洋中具有丰富的海洋矿物资源，其中主要有石油、煤、铁、铝钒土、锰、铜、石英等，而这些资源有主要分布在海洋的大陆架区域。以石油和天然气为例，据估计，世界石油极限储量约为1万亿吨，可采储量3000亿吨，其中海底石油1350亿吨；世界天然气储量255～280亿立方米，海洋储量占140亿立方米。上世纪末，海洋石油年产量达30亿吨，占世界石油总产量的50％。中国在临近各海域油气储藏量约40～50亿吨。由于发现丰富的海洋油气资源，中国有可能成为世界五大石油生产国之一。海洋是极为丰富的资源宝库，但是目前，人类利用海洋中资源只占到海洋总资源的1％左右，究其原因就是绝大部分的海洋资源都分布在较深的水域。而想要开采和利用这些海洋矿物资源，就必须发展深水区域作业技术。而无论是开采石油等资源的海洋平台，还是初步处理和储存石油的fpso，都离不开系泊系统，而系泊系统中最为关键的技术就是通过锚链、缆绳等介质，通过悬链线对海洋平台结构物进行位置固定。在对这些结构物进行设计的过程中，也必然会有“水池试验”这一过程。
3.传统的平台水池试验中，常常通过以下方法来对悬链线系泊系统进行模拟：第一是通过等缩尺比的小型悬链线来进行模拟，这种方法会极大的受到试验场地的限制。在使用这种方法时，如果使用小水池，就会导致试验中的平台与实际的平台尺度比过大，造成水动力载荷不准的现象；如果使用大型水池(宽度通常为20m以上的方形水池)来进行试验，成本极高且费时费力。第二是通过水下固定锚点牵拉的方式来模拟悬链线系泊系统。这种模拟方法虽然不会像上一种方法受到试验场地的限制，但是不能很好的模拟悬链线方程，需要经常对水下牵拉装置的拉力进行调节，在试验过程中操作十分复杂而且会造成试验精度不足。


技术实现要素：

4.为解决现有悬链线模拟试验设备中存在的问题，本发明提出一种基于分段式拉力计的悬链线方程拉力模拟水池试验装置。该装置可以在尺度较小的水池中(宽度5m以下)对模型进行悬链线系泊试验。装置可以实现悬链线方程模拟、悬链线受力的采集和悬链线方向的调节，并且具有水上操作的特性，在极大减小场地约束和操作便利性的同时提高了悬链线方程模拟的精度。该装置主要由三部分构成，分别是升降支架结构、拉力模拟装置和拉力采集装置，核心构件为拉力模拟装置。其中，升降支架结构可以固定在试验水池岸边或水池中的固定架上，通过调整支架的水平位置和垂直位置来调整悬链线与平台之间的角度，进而达到模拟真实情况下顶端锚链垂直方向夹角与平台水平位移之间的关系；拉力模拟装置由一系列特制的弹簧组构成，弹簧组中各个弹簧的先后顺序、最长长度、总长度和弹性系数可以根据实际情况进行修改和替换，来模拟悬链线顶端拉力与平台水平位移之间的关
系；拉力采集装置可以与数据采集系统相结合，实时将此时的锚链拉力、锚链位移、平台水平位移等数据实时传送到电脑上。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种基于分段式拉力计的悬链线方程拉力模拟装置，该装置包括拉力传感器和钢索，所述拉力传感器的下端设置拉力模拟机构，拉力模拟机构采用方形外壳内设置多组拉力模拟单元，拉力模拟单元中相邻两个单元隔板之间设置拉力弹簧和预旋钢索段，拉力弹簧的上端设置在上方单元隔板下表面的弹簧卡槽内，拉力弹簧的下端设置在下方单元隔板上表面的弹簧卡槽内；所述预旋钢索段设置在拉力弹簧内部，预旋钢索段的两端分别设置在单元隔板的钢索连接座上；所述单元隔板的隔板本体的四个角点处分别设置作用于方形外壳内壁上的隔板小轮；
7.所述拉力模拟机构的下方依次设置调整支架和延长杆，延长杆的底端通过钢索导轮支架设置u型凹槽导轮，所述调整支架上设置固定架；
8.所述钢索的一端连接在拉力传感器上，另一端依次穿过拉力模拟机构、调整支架、延长杆后经过u型凹槽导轮连接到试验锚定位置上。
9.拉力传感器：用于采集拉力模拟器提供的拉力，即试验中平台受到钢索的拉力，便于试验数据的收集和整理。
10.拉力模拟机构：用于模拟悬链线方程拉力-位移关系的核心部件。
11.固定架：固定整个装置的基础部分，通过上部螺栓夹紧、下部导管延长的方式进一步对延长杆本体起到固定作用。
12.延长杆：对底部的导轮起到支撑作用，可以通过调整延长杆的长度来调节钢索的初始倾斜角。
13.钢索导轮支架：用于支撑u型凹槽导轮的结构，可以根据需要调整导轮与延长杆之间的水平角度，来适应各种试验工况的需要。
14.u型凹槽导轮：改变底部钢索的运动和受力方向，使倾斜向下钢索的拉力转化为竖直向上的钢索拉力，以便于后续对拉力进行模拟和采集。
15.拉力模拟机构方形外壳：用于给整个拉力模拟装置的内部结构提供保护和支撑的作用，同时正方形的内部空腔壁面可以作为拉力模拟装置单元隔板上下滑动的轨道。
16.单元隔板：分隔各个单元，起到连接的作用。
17.拉力弹簧：通过事先确定的弹性模量，提供特定的弹性系数，是模拟拉力的拉力来源。
18.预旋钢索段：通过事先确定的长度，保证了每个拉力弹簧的工作伸长量。
19.单元隔板小轮：实现了隔板在方形外壳中的上下滑动，避免弹簧与外壳之间发生干涉。
20.钢索连接座：用于连接上下的控制钢索。
21.弹簧卡槽：用于固定隔板上下的弹簧。
22.拉力模拟机构内部单元工作原理：当弹簧伸长量大于钢索长度时，钢索处于放松状态，此时该弹簧的工作不受影响，由于钢索带有预旋，因此会旋转盘缩在弹簧中央而不会与弹簧发生干涉：当弹簧伸长量小于钢索长度时，钢索处于绷紧状态，此时钢索会代替弹簧承担拉力，也就控制了对应弹簧的工作伸长量。该装置的组装方法包括以下步骤：
23.s1.对目标平台进行静水系泊力分析，根据顶端锚链与垂直方向夹角和平台水平位移之间的关系，拟合拉力-水平位移曲线，并推算出拉力-钢索位移曲线；调整拉力模拟装置中的调整支架与平台系泊点的水平距离和垂直距离的位置，通过水平位置和垂直位置来调整悬链线与平台之间的角度；
24.s2.确定试验中所需要的拟合精度，并将推算出的拉力-钢索位移曲线根据最小拉力与最大拉力的差值，从大到小分为n段；
25.s3.将每一段曲线看作是直线进行处理，并根据曲线斜率计算出每一段的弹性模量ki；据此计算出实际弹簧需要的弹性模量qi；
26.第i段拉力弹簧的实际弹性模量qi与弹性模量ki之间的关系为：
[0027][0028]
其中：1≤i≤n；
[0029]
s4.根据计算所得的q值定制弹簧，并按照牛顿迭代法反复迭代得到弹簧的长度l值；最终确定每一段拉力弹簧的弹性模量qi和其对应的极值长度li；
[0030]
s5.按照q值大小依次从上到下将拉力弹簧设置在拉力模拟机构中，设置弹簧模量qi值的拉力弹簧时，相邻单元隔板间的距离为极值长度li；同时设置相邻单元隔板间的段预旋钢索段的长度为极值长度li；
[0031]
s6.组装拉力模拟装置的其余部件，将装置下部的钢索绕过底部的u型凹槽导轮，连接试验平台上的锚点位置，并开始试验。
[0032]
一种基于分段式拉力计的悬链线方程拉力模拟装置的工作方法，该方法包括以下步骤：
[0033]
s1.将该拉力模拟装置安装到试验位置；
[0034]
s2.试验中的试验平台模型受到一个水动力载荷，会发生水平位移，通过已经牵拉在模型上的钢索传导给拉力模拟机构中；
[0035]
s3.拉力模拟机构下方钢索受力，自下往上拉力弹簧依次拉伸，当最下端拉力弹簧达到极值长度时，对应的预旋钢索段由松弛状态变为拉伸状态；拉力弹簧自下而上依次达到极值长度，对应的预旋钢索也依次达到拉抻状态；
[0036]
s4.拉力模拟机构中预旋钢索段都呈现拉伸状态后，所有拉力通过装置最顶部的拉力传感器传输到计算机中；通过整个拉力模拟装置模拟出拉力-钢索位移曲线，进而模拟出悬链线方程中的拉力-水平位移曲线。
[0037]
本发明的有益效果为：该装装置可以实现悬链线方程模拟、悬链线受力的采集和悬链线方向的调节，并且具有水上操作的特性，在极大减小场地约束和操作便利性的同时提高了悬链线方程模拟的精度。可以比较精确的模拟悬链线拉力-位移的关系，进而完成对悬链线方程的模拟。本发明主要用于平台-系泊装置的耦合性能测试和优化试验。
附图说明
[0038]
图1是悬链线模拟装置的结构图。
[0039]
图2是拉力模拟机构的结构图。
[0040]
图3是拉力模拟机构内部单元结构装配关系图。
[0041]
图4是拉力模拟机构单元隔板结构图。
[0042]
图5是拉力模拟机构内部结构图。
[0043]
图6是悬链线系泊系统图。
[0044]
图7是拟合的拉力-钢索位移曲线。
[0045]
图8是拉力模拟装置架设状态图。
[0046]
图中：1、拉力传感器，2、拉力模拟机构，3、固定架，4、延长杆，5、钢索导轮支架，6、u型凹槽导轮，7、调整支架，8、钢索；
[0047]
2a、方形外壳，2b、单元隔板，2c、拉力弹簧，2d、预旋钢索段；
[0048]
2b1、隔板小轮，2b2、隔板本体，2b3、钢索连接座，2b4、弹簧卡槽。
[0049]
具体工作方式
[0050]
实施例1
[0051]
图1到图5示出了一种基于分段式拉力计的悬链线方程拉力模拟装置，它包括拉力传感器1和钢索8，拉力传感器1的下端设置拉力模拟机构2，拉力模拟机构2采用方形外壳2a内设置多组拉力模拟单元，拉力模拟单元中相邻两个单元隔板2b之间设置拉力弹簧2c和预旋钢索段2d，拉力弹簧2c的上端设置在上方单元隔板2b下表面的弹簧卡槽2b4内，拉力弹簧2c的下端设置在下方单元隔板2b上表面的弹簧卡槽2b4内；预旋钢索段2d设置在拉力弹簧2c内部，预旋钢索段2d的两端分别设置在单元隔板2b的钢索连接座2b3上。
[0052]
单元隔板2b的隔板本体2b2的四个角点处分别设置作用于方形外壳2a内壁上的隔板小轮2b1；拉力模拟机构2的下方依次设置调整支架7和延长杆4，延长杆4的底端通过钢索导轮支架5设置u型凹槽导轮6，调整支架7上设置固定架3；钢索8的一端连接在拉力传感器1上，另一端依次穿过拉力模拟机构2、调整支架7、延长杆4后经过u型凹槽导轮6连接到试验锚定位置上。
[0053]
技术原理为：对于水池试验，仅需要模拟悬链线顶端拉力与平台水平位移之间的关系，即平台近端悬链线的作用情况。一般来说，用于海洋结构物系泊装置的悬链线系统如图6所示；当试验设备处于工作状态时，试验中的平台会受到波浪力、风力等的作用在试验水池的水面上移动一段距离。与此同时，钢索会因为平台的移动而被拉动一段距离，拉力模拟装置中的弹簧组会根据预先的计算值，模拟出拉力与位移之间的关系。同时，与数据采集系统相连的拉力传感器可以实时采集数据。通过角度和拉力的模拟，可以在水池中全方位模拟实际海况下平台-系泊系统的耦合运动。
[0054]
实施例2
[0055]
拉力模拟装置安装与计算方法如下：
[0056]
1.对目标平台进行静水系泊力分析，得到平台拉力与平台水平位移之间的关系。
[0057]
2.根据顶端锚链与垂直方向夹角与平台水平位移之间的关系，调整本发明试验装置中的升降支架结构与平台系泊点的水平距离和垂直距离到合适的位置。在使用装置之前应已经具有所需要拟合的拉力-水平位移曲线，并推算出拉力-钢索位移曲线。
[0058]
3.根据拉力-钢索位移曲线展示的关系，调整本发明中的拉力模拟装置。计算方法如下：
[0059]
(1)根据试验中需要拟合的拉力-钢索位移曲线，以下图7曲线为例进行计算；(2)确定试验中所需要的拟合精度，并将曲线根据最小拉力与最大拉力的差值，从大到小分为
若干段l1～l5(此处平均分为5段)，如图7所示。
[0060]
(3)将每一段曲线看作是直线进行处理，并根据曲线斜率，计算出每一段的弹性模量，从大到小记为k1～k5，如图7所示。
[0061]
(4)此时，可以根据以上参数，计算出实际弹簧需要的弹性模量q1～q5，计算过程如下表所示：
[0062][0063]
(5)根据计算所得的q值定制弹簧，或寻找与q值弹性模量最相近的标准弹簧并按照牛顿迭代法反复迭代l1～l5的值，最终确定每一段弹簧的弹性模量q和其对应的长度l。
[0064]
(6)按照q值大小依次将特定的弹簧连接在装置中，并加入润滑材料，最后与支架结构装配。
[0065]
4.连接拉力采集装置和数据采集系统，完成本发明试验装置的组装，将装置下部的钢索，绕过底部的u型凹槽导轮，连接在试验时水池中平台上的锚点位置，并开始试验。
[0066]
实施例3
[0067]
当装置已经按照上文中所述的安装方法架设完毕时，状态应如图8所示。
[0068]
在实验过程中，设备会按照如下方式进行工作：
[0069]
首先，试验中的平台模型受到一个水动力载荷，会发生一小段水平位移，并通过已经牵拉在模型上的钢索传导给拉力模拟装置中；
[0070]
之后拉力模拟装置会产生一系列变化，如图5所示，a-m为拉力模拟装置内部各级单元及其零部件，弹簧c、e、g、i、k的弹性模量分别为q5、q4、q3、q2、q1，其对应的位于弹簧中部的控制钢索长度分别为l5、l4、l3、l2、l1。由于控制钢索带有预旋，因此钢索在松弛状态下会盘在弹簧中央；内部工作状态具体情况如下：
[0071]
(1)第一阶段：a为与模型连接的钢索，受到一个竖直向下的位移作用，此时带动b同时向下运动。此时，参与拉力调节的弹簧有c、e、g、i、k，总体弹性模量为k5。此时，所有弹簧对应的控制钢索均为松弛状态。
[0072]
(2)第二阶段：随着位移的增加，弹簧c的伸长量达到预定的l5的值，即弹簧c和其对应的控制钢索长度一致，此时该弹簧中央的控制钢索会接替弹簧c的作用，隔板b和隔板d之间的间距也就保持在l5的长度。此时参与拉力调节的弹簧有e、g、i、k，总体弹性模量为k4。此时，e、g、i、k弹簧对应的控制钢索均为松弛状态。
[0073]
(3)第三阶段：随着位移的进一步增加，弹簧e的伸长量达到预定的l4的值，即弹簧
e和其对应的控制钢索长度一致，此时该弹簧中央的控制钢索会接替弹簧e的作用，隔板d和隔板f之间的间距也就保持在l4的长度不在伸长。此时参与拉力调节的弹簧有g、i、k，总体弹性模量为k3。此时，g、i、k弹簧对应的控制钢索均为松弛状态。
[0074]
(4)第四阶段：随着位移的进一步增加，弹簧g的伸长量达到预定的l3的值，即弹簧g和其对应的控制钢索长度一致，此时该弹簧中央的控制钢索会接替弹簧g的作用，隔板f和隔板h之间的间距也就保持在l3的长度不在伸长。此时参与拉力调节的弹簧有i、k，总体弹性模量为k2。此时，i、k弹簧对应的控制钢索均为松弛状态。
[0075]
(5)第五阶段：随着位移的进一步增加，弹簧i的伸长量达到预定的l4的值，即弹簧i和其对应的控制钢索长度一致，此时该弹簧中央的控制钢索会接替弹簧i的作用，隔板h和隔板j之间的间距也就保持在l2的长度不在伸长。此时参与拉力调节的弹簧只有k，总体弹性模量和弹簧k的弹性模量相同，为k1。此时，k弹簧对应的控制钢索为松弛状态。
[0076]
此时，就通过整个拉力模拟装置模拟出了拉力-钢索位移曲线，进而模拟出了悬链线方程中的拉力-水平位移曲线。
[0077]
最后，所有的拉力会通过装置最顶部的拉力传感器传输到计算机中。