一种可用于自升式平台健康监测的自升式平台结构损伤模拟和测试装置。主要目的在于提供一种可应用于海洋工程结构健康监测中的损伤模拟和测试装置。其特征在于：包括自升式海洋平台模型、载荷加载单元、计算机系统、伺服驱动控制器和信号接收单元；其中，自升式海洋平台模型包括船体、桩基础、底座、1号桩腿、2号桩腿以及3号桩腿；载荷加载单元包括伺服驱动机构和支架；计算机系统用于输入伺服驱动控制器传递来的载荷信号并进行频率信号处理；伺服驱动控制器为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转速和扭矩；信号接收单元通过第一至第六振动传感器接收模型的振动信号，通过信号处理器进行滤波以及信号放大处理后输入计算机系统，经由D/A模块和信号处理单元得到模型的频率特性。
【技术实现步骤摘要】
自升式平台结构损伤模拟和测试装置
本专利技术涉及到海洋工程结构检测
中的一种装置，具体地说，是涉及一种可用于自升式平台健康监测的结构损伤模拟和测试装置。
技术介绍
海洋船体结构长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的交互作用，如风载荷、海流、波浪等，有时还受到地震、台风、海啸、船舶碰撞等意外灾害，结构本身还要遭受环境腐蚀、海洋生物附着、海底冲刷等影响的作用。在这些恶劣载荷环境长期作用下，容易产生各种损伤，降低结构的承载能力，除此之外，随着海洋石油工业的迅猛发展，越来越多的海洋平台投入使用，同时也有许多现役平台已经接近甚至超过设计寿命，为了确保结构的完整性及安全性，保证人员的生命安全及海上石油的顺利开发生产，保护巨额投资以及防止海洋环境污染，必须对结构进行再评估。但是，目前平台监测不但费用高，易受气候、海况等因素的影响，而且监测结果无法与平台损伤位置和程度形成映射关系。如果能事先在一个与自升式平台具有相似特性的模型上进行测试，对设定的某种结构损伤，通过测试装置可得到相应的响应数据，于是可建立不同损伤与响应的对应关系。最后通过相似比可以将得到的映射关系应用于平台原型的损伤分析中。但现有技术中还没有这样的模拟和测试装置。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中所提到的技术问题，本专利技术提供一种可用于自升式平台健康监测的结构损伤模拟和测试装置，该种装置可以模拟自升式平台桩基础的刚度弱化，从而使得可以利用该装置完成对自升式平台损伤的动态实验测试。本专利技术的技术方案是：该种可用于自升式平台结构健康监测的结构损伤模拟和测试装置，包括自升式海洋平台模型、载荷加载单元、计算机系统、伺服驱动控制器和信号接收单元，其独特之处在于：所述自升式海洋平台模型包括船体、桩基础、底座、1号桩腿、2号桩腿以及3号桩腿。船体为比照实际平台按照1：80的几何相似比缩微的简化平台模型；船体的顶部带有可安装增重砝码的凹槽用于模拟船体在重量上的变化。桩基础包括第一连接杆、第二连接杆、若干根铝制圆柱、可调节内六角螺栓、锁紧螺母、水平弹簧、弹簧上部端盖、桩端弹簧、弹簧下部端盖、桩端弹簧锁紧销钉和弹簧挡片。其中，第一连接杆和第二连接杆在空间上相互垂直，第一连接杆位于第二连接杆的上方，两个连接杆贯穿1号桩腿、2号桩腿和3号桩腿，两个连接杆的两端分别套有弹簧挡片，用于提供弹簧一个受力平面，弹簧挡片与铝制圆柱相连；水平弹簧的一端套在一根铝制圆柱上，铝制圆柱对水平弹簧起横向支撑作用，防止水平弹簧上下波动，水平弹簧的另一端套在另一根铝制圆柱上，铝制圆柱与第一连接杆之间通过锁紧螺母进行固定，两个铝制圆柱中间留有一定间距以使水平弹簧能够进行压缩，可调节内六角螺栓与铝制圆柱之间通过锁紧螺母固定，并且可调节内六角螺栓可以对水平弹簧的预紧力进行调节，以防止弹簧出现松动状况。所述桩基础与1号桩腿、2号桩腿和3号桩腿通过弹簧上部端盖和桩腿下端螺纹进行螺纹连接，桩基础与底座之间通过桩基础连接螺栓固定，弹簧下部端盖与底座通过下部端盖锁紧螺栓固定；桩基础外部由矩形框架组成，为桩腿提供桩靴与土壤的作用力；1号桩腿、2号桩腿和3号桩腿为空心圆柱，所述3个桩腿与船体通过上锁紧螺母和下锁紧螺母进行固定连接。所述的载荷加载单元包括伺服驱动机构和支架，所述的载荷加载单元用于在水平方向对船体施加载荷。所述伺服驱动机构包括压力传感器、作动器、伺服电机、伺服驱动机构与船体连接组件和伺服驱动机构与支架连接组件。其中，伺服驱动机构与支架连接组件中的支架和支座通过内六角螺栓连接，支座与后端连接头通过销轴连接，后端连接头使用内六角螺栓固定，后端连接头与压力传感器的连接头通过螺纹连接，压力传感器和作动器通过8个螺栓连接，作动器和伺服电机通过4个内六角螺栓连接，伺服电机的连接头与前端连接头通过螺纹连接，前端连接头和前端支座通过销轴连接，销轴通过卡簧固定，前端支座和船体通过内六角螺栓固定，前端连接头通过螺栓锁紧。所述伺服驱动控制器通过电缆线为伺服电机提供电源，以控制伺服电机的转速和扭矩，所述伺服驱动控制器通过电缆线接收水平长度方向的压力和位移信号，与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面重新调节伺服电机，另一方面将控制信号输入计算机系统。所述计算机系统具有下列各个内部模块，用于输入伺服驱动控制器传递来的载荷信号并进行频率信号处理；载荷参数模块和A/D转化模块，通过人机交互界面根据要求设定载荷基本参数和PID调节参数指令，将设定的载荷基本参数和PID调节参数指令经过A/D转化模块将数字信号转化为模拟信号后传输给所述伺服驱动控制器；控制单元模块，再将所述伺服驱动控制器反馈的伺服电机的转速和扭矩向载荷加载单元输出；信号处理模块，载荷加载单元在自升式海洋平台模型加载后得实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动控制器经过D/A模块将模拟信号转化为数字信号并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节；所述的计算机系统通过A/D模块将载荷参数模块输入的载荷参数数字信号转换成模拟信号，将此模拟信号输入到伺服驱动控制器用于控制所述伺服电机的转速和扭矩，进而通过作动器（41）实现非定常水平载荷的输出，通过前端连接头（37）与前端支座（39）将载荷以面的形式水平作用在所述自升式海洋平台模型上；所述的信号接收单元，通过第一至第六振动传感器接收到模型的振动信号，通过信号处理器进行滤波以及信号放大处理后输入计算机系统，经由D/A模块和信号处理单元得到模型的频率特性。本专利技术具有如下有益效果：本种装置可用于测试在外部载荷作用下带损伤自升式平台的动态响应，并且损伤模型可模拟桩腿刚度弱化和桩基础刚度弱化两种损伤。该装置中设置的加速度传感器，其中，桩腿上下部各3个，2个x轴和一个y轴进行组合，通过振动响应测试，可测试不同损伤模型的动态特性，并提取丰富的实验数据。附图说明：图1是本专利技术自升式海洋平台模型和载荷施加单元的主视图和俯视图的示意图。图2是本专利技术的自升式海洋平台模型桩基础局部的示意图。图3是本专利技术的伺服驱动机构与自升式海洋平台模型和支架的连接组件的示意图。图4是本专利技术的伺服驱动机构的的主视图和俯视图的示意图。图5是本专利技术的的传感器的布置图。图6是本专利技术的操作流程示意图。图中1-上锁紧螺母，2-下锁紧螺母，3-桩基础，4-底座，5-1号桩腿，6-2号桩腿，7-3号桩腿，8-伺服驱动机构与船体连接组件，9-伺服驱动机构，10-伺服驱动机构与支架连接组件，11-支架，12-船体，13-第一连接杆，14-第二连接杆，15-铝制圆柱，16-可调节内六角螺栓，17-锁紧螺母，18-水平弹簧，19-弹簧上部端盖，20-桩端弹簧，21-弹簧下部端盖，22-下部端盖锁紧螺栓，23-桩端弹簧锁紧销钉，24-桩基础连接螺栓，25-桩腿下端螺纹，26-弹簧挡片，27-内六角螺栓，28-支座，29-销轴，30-后端连接头，31-内六角螺栓，32-后连接头，33-前连接头，34-内六角螺栓，35-卡簧，36-前端销轴，37-前端连接头，38-内六角螺栓，39-前端支座，40-压力传感器，41-作动器，4本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可用于自升式平台健康监测的自升式平台结构损伤模拟和测试装置，包括自升式海洋平台模型、载荷加载单元、计算机系统、伺服驱动控制器和信号接收单元，其特征在于：所述自升式海洋平台模型包括船体（12）、桩基础（3）、底座（4）、1号桩腿（5）、2号桩腿（6）以及3号桩腿（7）；船体（12）为比照实际平台按照1：80的几何相似比缩微的简化平台模型；船体（12）的顶部带有可安装增重砝码的凹槽用于模拟船体在重量上的变化；桩基础（3）包括第一连接杆（13）、第二连接杆（14）、若干根铝制圆柱（15）、可调节内六角螺栓（16）、 锁紧螺母（17）、水平弹簧（18）、弹簧上部端盖（19）、桩端弹簧（20）、弹簧下部端盖（21）、 桩端弹簧锁紧销钉（23）和弹簧挡片（26）；其中，第一连接杆（13）和第二连接杆（14）在空间上相互垂直，第一连接杆（13）位于第二连接杆（14）的上方，两个连接杆贯穿1号桩腿（5）、2号桩腿（6）和3号桩腿（7），两个连接杆的两端分别套有弹簧挡片（26），用于提供弹簧一个受力平面，弹簧挡片（26）与铝制圆柱（15）相连；水平弹簧（18）的一端套在一根铝制圆柱（15）上，铝制圆柱（15）对水平弹簧（18）起横向支撑作用，防止水平弹簧（18）上下波动，水平弹簧（18）的另一端套在另一根铝制圆柱（15）上，铝制圆柱（15）与第一连接杆（13）之间通过锁紧螺母（17）进行固定，两个铝制圆柱（15）中间留有一定间距以使水平弹簧（18）能够进行压缩，可调节内六角螺栓（16）与铝制圆柱（15）之间通过锁紧螺母（17）固定，并且可调节内六角螺栓（16）可以对水平弹簧（18）的预紧力进行调节，以防止弹簧出现松动状况；所述桩基础与1号桩腿（5）、2号桩腿（6）和3号桩腿（7）通过弹簧上部端盖（19）和桩腿下端螺纹（25）进行螺纹连接，桩基础（3）与底座（4）之间通过桩基础连接螺栓（24）固定， 弹簧下部端盖（21）与底座（4）通过下部端盖锁紧螺栓（22）固定；桩基础外部由矩形框架组成，为桩腿提供桩靴与土壤的作用力；1号桩腿（5）、2号桩腿（6）和3号桩腿（7）为空心圆柱，所述3个桩腿与船体通过上锁紧螺母（1）和下锁紧螺母（2）进行固定连接；所述的载荷加载单元包括伺服驱动机构（9）和支架（11），所述的载荷加载单元用于在水平方向对船体（12）施加载荷；所述伺服驱动机构（9）包括压力传感器（40）、作动器（41）、伺服电机（42）、伺服驱动机构与船体连接组件（8）和伺服驱动机构与支架连接组件（10）；其中，伺服驱动机构与支架连接组件（10）中的支架（11）和支座（28）通过内六角螺栓（27）连接，支座（28）与后端连接头（30）通过销轴（29）连接，后端连接头（30）使用内六角螺栓（31）固定，后端连接头（30）与压力传感器（40）的连接头（32）通过螺纹连接，压力传感器（40）和作动器（41）通过8个螺栓连接，作动器（41）和伺服电机（42）通过4个内六角螺栓（41a）连接，伺服电机（42）的前连接头（33）与前端连接头（37）通过螺纹连接，前端连接头（37）和前端支座（39）通过销轴（36）连接，销轴（36）通过卡簧（35）固定，前端支座（39）和船体（12）通过内六角螺栓（38）固定，前端连接头（37）通过螺栓（34）锁紧；所述伺服驱动控制器通过电缆线为伺服电机（42）提供电源，以控制伺服电机（42）的转速和扭矩，所述伺服驱动控制器通过电缆线接收水平长度方向的压力和位移信号，与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面重新调节伺服电机，另一方面将控制信号输入计算机系统；所述计算机系统具有下列各个内部模块，用于输入伺服驱动控制器传递来的载荷信号并进行频率信号处理；载荷参数模块和A/D转化模块，通过人机交互界面根据要求设定载荷基本参数和PID调节参数指令，将设定的载荷基本参数和PID调节参数指令经过A/D转化模块将数字信号转化为模拟信号后传输给所述伺服驱动控制器；控制单元模块，再将所述伺服驱动控制器反馈的伺服电机的转速和扭矩向载荷加载单元输出；信号处理模块，载荷加载单元在自升式海洋平台模型加载后得实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动控制器经过D/A模块将模拟信号转化为数字信号并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节；所述的计算机系统通过A/D模块将载荷参数模块输入的载荷参数数字信号转换成模拟信号，将此模拟信号输入到伺服驱动控制器用于控制所述伺服电机的转速和扭矩，进而通过作动器（41）实现非定常水平载荷的输出，通过前端连接头（37）与前端支座（39）将载荷以面的形式水平作...
【技术特征摘要】
1.一种可用于自升式平台健康监测的自升式平台结构损伤模拟和测试装置，包括自升式海洋平台模型、载荷加载单元、计算机系统、伺服驱动控制器和信号接收单元，其特征在于：所述自升式海洋平台模型包括船体（12）、桩基础（3）、底座（4）、1号桩腿（5）、2号桩腿（6）以及3号桩腿（7）；船体（12）为比照实际平台按照1：80的几何相似比缩微的简化平台模型；船体（12）的顶部带有可安装增重砝码的凹槽用于模拟船体在重量上的变化；桩基础（3）包括第一连接杆（13）、第二连接杆（14）、若干根铝制圆柱（15）、可调节内六角螺栓（16）、锁紧螺母（17）、水平弹簧（18）、弹簧上部端盖（19）、桩端弹簧（20）、弹簧下部端盖（21）、桩端弹簧锁紧销钉（23）和弹簧挡片（26）；其中，第一连接杆（13）和第二连接杆（14）在空间上相互垂直，第一连接杆（13）位于第二连接杆（14）的上方，两个连接杆贯穿1号桩腿（5）、2号桩腿（6）和3号桩腿（7），两个连接杆的两端分别套有弹簧挡片（26），用于提供弹簧一个受力平面，弹簧挡片（26）与铝制圆柱（15）相连；水平弹簧（18）的一端套在一根铝制圆柱（15）上，铝制圆柱（15）对水平弹簧（18）起横向支撑作用，防止水平弹簧（18）上下波动，水平弹簧（18）的另一端套在另一根铝制圆柱（15）上，铝制圆柱（15）与第一连接杆（13）之间通过锁紧螺母（17）进行固定，两个铝制圆柱（15）中间留有一定间距以使水平弹簧（18）能够进行压缩，可调节内六角螺栓（16）与铝制圆柱（15）之间通过锁紧螺母（17）固定，并且可调节内六角螺栓（16）可以对水平弹簧（18）的预紧力进行调节，以防止弹簧出现松动状况；所述桩基础与1号桩腿（5）、2号桩腿（6）和3号桩腿（7）通过弹簧上部端盖（19）和桩腿下端螺纹（25）进行螺纹连接，桩基础（3）与底座（4）之间通过桩基础连接螺栓（24）固定，弹簧下部端盖（21）与底座（4）通过下部端盖锁紧螺栓（22）固定；桩基础外部由矩形框架组成，为桩腿提供桩靴与土壤的作用力；1号桩腿（5）、2号桩腿（6）和3号桩腿（7）为空心圆柱，所述3个桩腿与船体通过上锁紧螺母（1）和下锁紧螺母（2）进行固定连接；所述的载荷加载单元包括伺服驱动机构（9）和支架（11），所述的载荷加载单元用于在水平方向对船体（12）施加载荷；所述伺服驱动机构（9）包括压力传感器（40）、作动器（41）、伺服电机（42）、伺服驱动机构与船体连接组件（8）和伺服驱动机...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫天红，王维刚，陶京，刘金梅，冷建成，周国强，徐爽，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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