内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统技术方案

本发明专利技术公开一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统，包括浮式结构模型、运动响应记录单元、锚链单元以及锚链测力单元，可以实时记录内孤立波作用下浮式结构模型的运动响应和锚链受力情况；浮式结构模型包括平台主体、运动测量装置安装部以及配重，各部分之间相互独立，方便安装，增减配重也比较便捷；运动响应记录单元采用微电子陀螺仪和微电子加速度计结合，具有测量精度高、体积小，成本低等优势，不仅能够准确的测得浮式结构的运动响应，还可以通过对平台所受加速度分析获得其所受合力；另外，通过光纤布拉格光栅进行锚链测力，不仅得到锚链受力的分布特征，还能够通过光纤布拉格光栅应力应变的不同了解锚链的弯曲情况，该实验系统的构建及实施对于浮式结构的稳定性研究具有重要意义。

Coupled Motion and Force Measurement Simulation System of Ocean Floating Structures under Internal Solitary Waves

The invention discloses an experimental system for simulating coupled motion and force measurement of marine floating structure under internal solitary wave action, which includes floating structure model, motion response recording unit, anchor chain unit and anchor chain force measuring unit, and can record the motion response and anchor chain force of floating structure model under internal solitary wave action in real time. Installation unit and counterweight are independent of each other, which is convenient to install and increase or decrease counterweight. Motion response recording unit combines micro-electronic gyroscope and micro-electronic accelerometer, which has the advantages of high measurement accuracy, small volume and low cost. It can not only accurately measure the motion response of floating structure, but also obtain the acceleration of platform through analysis. In addition, the distribution characteristics of the anchor chain force can be obtained by measuring the anchor chain force through fiber Bragg grating, and the bending situation of the anchor chain can be understood through the different stress and strain of the fiber Bragg grating. The construction and implementation of the experimental system is of great significance for the stability study of the floating structure.

【技术实现步骤摘要】
内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统
本专利技术涉及海上浮式结构试验设备
，具体涉及一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统。
技术介绍
海洋内波是发生于海水表面以下的一种波动形式，是一种重力波，或称为内惯性重力波。近几十年，各国专家学者通过实测或遥感手段观测发现，内波在海洋当中是一种非常常见的自然现象。海洋中内波的波长范围一般从几百米到几十千米不等，周期从几分钟到几小时不等。在连续分层的海水当中，冷水、热水或淡水、盐水产生的密度梯度通常来说比较小，但正是由于这种密度梯度很小，引起分层界面上海水粒子的垂向运动所需的扰动就很小。简单来讲，船行驶的扰动就可能在海水密度分层的海域形成内波，也正是由于形成内波需要的扰动很小，内波的振幅通常会比表面波大很多，一般从几米到上百米不等，目前观测的最大内波振幅为180m。内波引起的海水垂向运动对于海洋中能量输运至关重要，它能将海洋上层的能量传至深层，又把深层较冷的海水连同营养物质带到较暖浅层，促进海洋生物的繁衍生息。内波导致海水等密度面的波动，影响声速的大小和方向均匀性，对声呐的影响极大，这也有利于潜艇在水下的隐蔽。但是，内波也有其有害的一面，内波与表面波一样，会对海上设施造成影响，内波对船只航行和潜艇航行也都有着明显的影响，尤其是内孤立波。内孤立波的波长范围从几十千米到几百千米不等，非线性特征非常强，变化周期在几个小时，空间尺度为几百米到几千米不等。普遍认为，内孤立波会对海洋平台造成一定程度的影响，由于内孤立波波致流速上下层相反的缘故，往往会对海洋平台的立管、立柱产生强大的剪切力致使其损坏或者失效，由于内孤立波波致流速较大，也很有可能造成平台的倾斜、倾覆，产生严重后果。2012年中国“海洋石油981”平台投入使用，标志着中国具备了3000m超深海进行勘探开发海洋油气的能力，中国在南海的海洋石油开采部署也不断增多，未来10年，中国将加大领海区域内的油气资源，重点开发深度大于500m的深海和超深海域。而诸如南海在内的深海海域，由于海水密度层化，表面潮汐和内潮由深海向浅海行进过程中，受到南海吕宋海峡海堤丘陵地形影响，很容易形成振幅较大的内孤立波，从而对海洋石油的开采作业造成一定的危险。1987年，研究团队在设计流花海洋石油平台时，遭遇到了强大的内孤立波，造成了正在安装当中的平台损坏。2006年，Discoverer534平台进行固井作业时遭遇内波，强大的内波流致使平台横向位移过大，紧急解脱程序启动，导致固井失败。2013年南海自营深水井钻井平台作业期间遭遇强大内波，致使平台漂移49m。而且内波不像表面波和台风等气象灾害那么容易观测，往往是即将发生或发生过后才被察觉。这也使得研究内波对海洋平台运动响应的影响变得尤为重要。浮式结构在内孤立波和锚链单元共同作用下会发生六自由度运动响应，传统试验方法难以捕捉平台的运动特性以及锚链单元实时的作用力，目前对于内孤立波作用下浮式结构运动响应的实验研究几乎为零，已有的研究多为固定平台模型的受力实验及理论计算。比如，大连理工大学的宋志军对内孤立波作用下浮式结构运动响应进行了理论分析，上海交通大学的尤云祥等对内孤立波作用下浮式结构受到的波浪力进行了实验探究，但对于内孤立波作用下浮式结构响应的试验研究鲜有报道。鉴于目前的研究和实验设备不够完善，而研究浮式结构在内孤立波作用下的运动响应又十分重要。因此，为解决浮式结构在内孤立波作用下平台运动形式的模拟、记录以及锚链力测量的技术问题，研究浮式结构在内孤立波作用下的运动响应，亟待提出一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统。
技术实现思路
本专利技术为在实验环境下研究浮式结构在内孤立波作用下平台运动响应问题，提出一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统，包括实验槽、浮式结构模型、运动响应记录单元、锚链单元以及锚链测力单元，所述运动响应记录单元设置在浮式结构模型的重心处，浮式结构模型与锚链单元相连以实现对其固定，锚链测力单元与锚链模型相连；所述浮式结构模型从上至下依次包括平台主体模块、运动响应记录单元安装模块和配重模块，平台主体模块、运动响应记录单元安装模块和配重模块之间通过螺纹密封连接，三者模块化设计，易于组合安装，方便调整配重；所述运动响应记录单元包括微处理器以及与微处理器相连的微电子陀螺仪、微电子加速仪、无线传输模块和电源模块，微电子陀螺仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横摇、纵摇和艏摇信息，所述微电子加速仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横荡、纵荡和垂荡及其三向受力信息，所述体坐标系的原点位于浮式结构模型的重心位置，沿内孤立波的传播方向为Xt轴，铅垂方向竖直向上为Zt轴，Yt轴根据右手定则确定，微电子陀螺仪和微电子加速仪将采集的信息传输至微处理器进行预处理，获得浮式结构模型的运动姿态数据，然后经无线传输模块上传至上位机进行数据记录及处理分析，并获得运动响应结果，采用微电子传感器和无线模块组合，即能够高精度记录浮式结构模型运动情况，又能够实时无线传输运动信号；所述锚链单元包括锚链模型以及重力坠物，所述锚链模型用以模拟实际锚链受力，所述重力坠物采用铅块，以模拟锚链的锚固连接；所述锚链测力单元包括光纤布拉格光栅连接线和光纤光栅解调器，所述光纤布拉格光栅连接线的一端与锚链模型相连，另一端与光纤光栅解调器相连，以通过光纤光栅解调器测量锚链模型中传播的波长变化，运用光纤布拉格光栅对于应变敏感的特性，根据应力应变的关系特性计算出锚链所受的拉应力。进一步的，所述锚链模型采用光纤光栅，光纤光栅的表面设置有涂覆层，所述涂覆层采用柔性材料制作，据不同的涂覆材料和涂覆厚度，加工后的带有涂覆层的光纤光栅可以满足更多的锚链应力测量实验要求。进一步的，所述锚链模型采用柔性材料制作以模拟实际锚链受力状态，锚链模型的表面嵌设有光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅沿锚链模型的长度方向设置，并沿锚链模型的圆周方向均匀布设有多根。进一步的，所述柔性材料为尼龙、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯，以增加其杨氏模量，从而达到增加应力测量范围的效果。进一步的，所述光纤布拉格光栅从内至外依次包括光纤、内包裹层和外包裹层，沿光纤长度方向等间距布设有光栅，锚链模型受力产生应变，光栅之间的间距变大，对反射波的波长也会发生变化，通过锚链测力单元将中心波长的变化趋势传输至光纤光栅解调器，可以得出锚链模型由于受力产生的应变，根据应力应变转化关系可以得出锚链受到的应力，而且能够通过多根光纤布拉格光栅的不同应变计算出锚链的弯曲形变。进一步的，所述光纤上设置有多段光栅，用带有多段光栅的光纤作为锚链测力元件就可以测量锚链上的受力分布。进一步的，所述实验槽中的内孤立波通过重力塌陷法制取，为了消除内孤立波在碰到实验槽末端固壁时产生反射波，在实验槽内还设置有消波装置，以保证实验的正常进行。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术所提出的方案包括浮式结构模型、运动响应记录单元、锚链单元以及锚链测力单元，可以实时记录内孤立波作用下浮式结构模型的运动响应和锚链受力情况，其中，浮式结构模型包括平台主体、运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统，其特征在于，包括实验槽(9)、浮式结构模型(1)、运动响应记录单元(2)、锚链单元(3)以及锚链测力单元(4)，所述运动响应记录单元(2)设置在浮式结构模型(1)的重心处，浮式结构模型(1)与锚链单元(3)相连以实现对其固定，锚链测力单元(4)与锚链模型(3)相连；所述浮式结构模型(1)从上至下依次包括平台主体模块(11)、运动响应记录单元安装模块(12)和配重模块(13)，平台主体模块(11)、运动响应记录单元安装模块(12)和配重模块(13)之间通过螺纹密封连接；所述运动响应记录单元(2)包括微处理器以及与微处理器相连的微电子陀螺仪、微电子加速仪、无线传输模块和电源模块，微电子陀螺仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横摇、纵摇和艏摇信息，所述微电子加速仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横荡、纵荡和垂荡及其三向受力信息，所述体坐标系的原点位于浮式结构模型的重心位置，沿内孤立波的传播方向为Xt轴，铅垂方向竖直向上为Zt轴，Yt轴根据右手定则确定，微电子陀螺仪和微电子加速仪将采集的信息传输至微处理器进行预处理，获得浮式结构模型的运动姿态数据，然后经无线传输模块上传至上位机进行数据记录及处理分析，并获得运动响应结果；所述锚链单元(3)包括锚链模型(32)以及重力坠物(31)，所述锚链模型(32)用以模拟实际锚链受力，所述重力坠物(31)采用铅块，以模拟锚链的锚固连接；所述锚链测力单元(4)包括光纤布拉格光栅连接线(41)和光纤光栅解调器(42)，所述光纤布拉格光栅连接线(41)的一端与锚链模型(32)相连，另一端与光纤光栅解调器(42)相连，以通过光纤光栅解调器测量锚链模型中传播的波长变化。...

【技术特征摘要】
1.内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统，其特征在于，包括实验槽(9)、浮式结构模型(1)、运动响应记录单元(2)、锚链单元(3)以及锚链测力单元(4)，所述运动响应记录单元(2)设置在浮式结构模型(1)的重心处，浮式结构模型(1)与锚链单元(3)相连以实现对其固定，锚链测力单元(4)与锚链模型(3)相连；所述浮式结构模型(1)从上至下依次包括平台主体模块(11)、运动响应记录单元安装模块(12)和配重模块(13)，平台主体模块(11)、运动响应记录单元安装模块(12)和配重模块(13)之间通过螺纹密封连接；所述运动响应记录单元(2)包括微处理器以及与微处理器相连的微电子陀螺仪、微电子加速仪、无线传输模块和电源模块，微电子陀螺仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横摇、纵摇和艏摇信息，所述微电子加速仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横荡、纵荡和垂荡及其三向受力信息，所述体坐标系的原点位于浮式结构模型的重心位置，沿内孤立波的传播方向为Xt轴，铅垂方向竖直向上为Zt轴，Yt轴根据右手定则确定，微电子陀螺仪和微电子加速仪将采集的信息传输至微处理器进行预处理，获得浮式结构模型的运动姿态数据，然后经无线传输模块上传至上位机进行数据记录及处理分析，并获得运动响应结果；所述锚链单元(3)包括锚链模型(32)以及重力坠物(31)，所述锚链模型(32)用以模拟实际锚链受力，所述重力坠物(31)采用铅块，以模拟锚链的锚固连接；所述锚链测力单元(4)包括光纤布拉格光栅连接线(41)和光纤光栅解调器(42)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智峰，崔俊男，董胜，陶山山，张日，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37