海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置

摘要

本发明公开了一种海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置，主要包括支撑框架、垂直连接机构、水平连接机构三部分。支撑框架包括顶部平板、顶部固定装置和水平固定装置。垂直连接机构包括气浮平台、压簧和压力传感器。其中，气浮平台由空气压缩机、压缩空气供气管和空气轴承组成。水平连接机构包括系泊连接构件、拉簧和拉力传感器。本发明针对现有技术的不足，解决无法开展精细平台涡激运动试验的技术难点。该装置适用于海洋工程技术领域的半潜式平台、张力腿平台等，满足为深水浮式平台提供垂向系泊载荷的同时，保持其水平面自由运动的技术要求，并具有结构简单、操作便捷、工作稳定等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于海洋工程技术领域的实验装置，具体涉及一种适用于半潜式 平台、张力腿平台等海洋深水浮式平台的涡激运动模型实验装置。

背景技术

海洋深水浮式平台，包括半潜式平台，张力腿平台等，由于抵抗风浪能力强、适 应水深范围广等优点，已成为重要的海洋油气资源勘探和开发装备之一。然而，半潜 式平台和张力腿平台均为典型的多立柱浮体，在深海海流作用下，其立柱后方会发生 周期性漩涡脱落，导致脉动压力产生，进而引发平台在水平面内产生长周期、大振幅 的往复运动。这种大范围的涡激运动会影响平台锚链、立管和张力腿等构件的结构强 度和疲劳寿命，影响正常的海上作业。因此，海洋深水浮式平台的涡激运动已成为海 洋工程领域的研究热点和难点之一。由于复杂的平台外形和外部影响因素，模型实验 是深水浮式平台涡激运动的主要研究手段。

为保持均匀、稳定的流场，涡激运动模型实验通常在船舶拖曳水池中开展，并采 用等效的水平系泊系统将平台模型系泊于水池拖车之下，跟随拖车做匀速前进。由于 实验中忽略了原有系泊系统的垂向载荷，传统的做法是在模拟平台自身质量的基础上， 增加额外的压载质量，将平台的缩尺比模型压载至设计水线，以补偿系泊系统对平台 的垂向载荷。这种的做法实际上改变了平台模型的质量和排水量之比，影响其涡激运 动特性，并影响最终的实验结果。因此，在涡激运动实验中，应保证相同的质量和排 水量之比，并且不能限制平台在水平方向上的运动。因此，必须设计恰当的实验装置， 以准确模拟平台涡激运动的各项特性。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN200620047162，公开日2007年 10月17日，公开了一种用于单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，包括系泊环、 系泊孔、翼形挂柱、小肘板、横板、模型锚泊线分段、浮筒、重块、等效立管系统、 单柱式海洋平台模型、拖车、非接触式光学测量系统、拉力传感器、应变放大器、接 线装置、数据自动采集卡及计算机实时分析系统。用等效系泊系统来等效实际系泊系 统的静力特性，用等效立管系统来等效实际立管系统的静力特性。模型系泊架由翼形 挂柱、系泊环、系泊孔、小肘板和横板组成，翼形挂柱的截面形状为机翼形，系泊孔 绕系泊环一周均匀分布。但由于深水浮式平台所处的海域水深极深，且每个平台的水 深差异较大，而船舶拖曳水池的水深普遍较小，因此该装置难以模拟深水海洋环境， 且结构较为笨重，难以根据实际水深条件调节相应深度，难以得到有效实施。并且， 装置的翼型挂柱在涡激运动实验的拖曳过程中会在水中产生涡激振动，影响测试流场， 并引起平台模型自身产生振动，影响实验测试精度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种在船舶拖曳水池中，用于海洋深水浮式平 台涡激运动的模型实验装置，解决无法开展精细平台涡激运动试验的技术难点。该装 置满足为深水浮式平台提供垂向系泊载荷的同时，保持其水平面自由运动的技术要求， 并具有结构简单、操作便捷、工作稳定等特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置，包括支撑框架、垂直连接机构、 和水平连接机构三部分。垂直连接机构的一端连接于支撑框架，另一端连接平台模型。 类似的，水平连接机构的一端连接于支撑框架，另一端连接平台模型。

支撑框架包括顶部平板、顶部固定装置、水平固定装置，顶部平板位于顶部固定 装置下方。顶部平板为安装在顶部固定装置和平台模型之间的一个光滑、水平的金属 平板，顶部平板用于承载平台模型垂向系泊载荷。顶部固定装置的高度和水平度能够 调节，用于调节平台模型吃水、垂向系泊载荷大小和顶部平板的水平度。顶部固定装 置与拖曳水池的拖车固定，随拖车同步运动。水平固定装置为一水平布置的桁架式圆 环结构，能在水平方向上自由、快速旋转调节，以适应在不同来流角度下进行平台涡 激运动实验。

垂直连接机构包括气浮平台、压簧、压力传感器，压力传感器位于气浮平台和压 簧之间。垂直连接机构通过气浮平台与压簧的结合，在保证垂向系泊载荷和系泊刚度 的同时，保持气浮平台和顶部平板之间具有一定间隙，避免水平方向的摩擦力，从而 避免影响平台模型在水平方向上的运动特性。气浮平台由空气压缩机、压缩空气供气 管和空气轴承组成，压缩空气通过空气轴承提供平台模型所需的垂向系泊载荷。压簧 用于模拟平台系泊系统在垂直方向上的系泊刚度。压力传感器可以实时测量平台垂向 载荷的大小，以准确监测平台模型的受力状态。

水平连接机构包括系泊连接构件、拉簧、拉力传感器。水平连接机构通过拉簧的 水平、交叉布置方式，并配合恰当直径的系泊连接构件，同时模拟平台模型水平刚度 和首摇刚度特性，提供相应的回复力和力矩。系泊连接构件为一恰当直径的圆形金属 结构，水平安装于平台模型之上，用于连接平台模型和水平系泊系统，其直径应根据 平台相应的水平刚度和首摇刚度综合确定。拉力传感器用于实时监测平台模型所受水 平载荷的大小。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种在船舶拖曳水池中，用于海洋深水浮式平台涡激运动的模型实验 装置，解决了无法在拖曳水池中进行精细涡激运动实验的技术难点。该装置满足为浮 式平台提供垂向系泊载荷，准确模拟平台质量和排水量之比，并且不限制其水平方向 运动的技术要求，并具有结构简单、操作便捷、工作稳定等特点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例的海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置的侧视 示意图；

图2为图1所示的海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置的俯视示意图；

图3为图1所示的海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置另一状态的俯视示意 图；

图4为本发明一个较佳实施例的海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置的垂直 连接机构示意图。

具体实施方式

下面实施例是对本发明作进一步地详细说明，实施例是在以本发明技术方案为前 提下进行实施，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 于下述实施例。

图1是海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置整体结构的侧视示意图。实验装 置包括支撑框架2、用于连接平台模型1的垂直连接机构3、用于连接平台模型1的水 平连接机构4三部分。支撑框架2包括顶部平板21、顶部固定装置22、水平固定装置 23。顶部平板21为安装在顶部固定装置22和平台模型1之间的一个水平、光滑的金 属平板，用于承载平台模型1的垂向系泊载荷。顶部固定装置22与拖曳水池的拖车5 固定，随拖车5同步运动，拖车5在拖车轨道6上移动。顶部固定装置22的高度和水 平度可以调节，用于调节平台模型1吃水、垂向系泊载荷大小和顶部平板21的水平度。 水平固定装置23提供安装等效的水平系泊系统，并与拖曳水池的拖车5固定，随拖车 5同步运动。水平固定装置23为一水平布置的桁架式圆环结构，可以在水平方向上自 由、快速旋转调节，以方便在不同来流角度下进行平台涡激运动实验。图2和图3分 别是海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置的两种不同设置状态的俯视示意图。在 两种状态下，平台模型1与来流的夹角不同，箭头所指是拖拽方向。

图4是垂直连接机构3的结构示意图。垂直连接机构3包括气浮平台31、压簧32、 压力传感器33，垂直连接机构3通过底部连接机构34与平台模型1连接。气浮平台 31由空气压缩机、压缩空气供气管和空气轴承组成，压缩空气通过空气轴承可提供平 台模型所需的垂向系泊载荷。压簧32用于模拟平台系泊系统在垂直方向上的系泊刚 度。压力传感器33可以实时测量平台垂向载荷大小，以准确监测平台模型1的受力状 态。通过气浮平台31与压簧32的结合，在保证垂向系泊载荷和系泊刚度的同时，保 持气浮平台31和顶部平板21之间具有一定间隙，避免水平方向的摩擦力，从而避免 影响平台模型1在水平方向上的运动特性。

水平连接机构4包括系泊连接构件、拉簧、拉力传感器。系泊连接构件为一恰当 直径的圆形金属结构，水平安装于平台模型1之上，用于连接平台模型1和水平系泊 系统，其直径应根据平台相应的水平刚度和首摇刚度综合确定。通过拉簧相互之间水 平、交叉布置方式，配合恰当直径的系泊连接构件可以同时模拟平台模型1的水平刚 度和首摇刚度，提供相应的回复力和力矩。拉力传感器用于实时监测平台模型1所受 水平载荷的大小。

本实施例提供的海洋深水浮式平台激流运动模型实验装置的使用方法如下：

将调节好重量重心、惯量的试验平台模型1吊装入拖曳水池中，并将顶部固定装 置22和水平固定装置23与拖曳水池拖车5固定连接。用四根交叉布置的拉簧及拉力 传感器，在水平方向上将平台模型1与水平固定装置23连接，保证两端固定高度一致， 通过调节拉簧长度，保证满足水平预张力要求。垂直连接机构3在垂直方向上，将试 验平台模型1与顶部固定装置22连接，通过调节顶部固定装置22高度，满足试验平 台模型1吃水要求，通过调节压簧33，使其满足垂向预张力要求。启动压缩空气机， 开动拖车5，使试验平台在拖车5的带动下按规定的速度前进，并记录下拖航过程中 试验平台的运动与受力情况。通过改变水平连接机构4的固定方向，从而改变试验平 台模型1与来流的夹角，重复上述实验过程。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中 技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可 以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。