一种全耦合绷紧式系泊系统的实验装置

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种全耦合绷紧式系泊系统的实验装置。

背景技术

海洋工程系泊系统通常可以分为悬链式系泊系统和绷紧式系泊系统，相较于悬链式系泊系统，绷紧式系泊系统系泊半径小，整体重量较轻，通常采用纤维系泊缆绳。随着海洋油气资源开发技术的发展，浮式平台在水深尺度上得到扩展，绷紧式系泊系统以及纤维系缆的应用越来越广泛。因此，对绷紧式系泊系统展开详尽的实验研究具有重大意义。

然而，现有的实验装置只单单考虑了波浪与结构物相互作用、系缆受力特性研究、链土相互作用、锚土相互作用，未能将整套系泊系统的真实特性进行模拟。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种全耦合绷紧式系泊系统的实验装置，能够真实全面的模拟在环境荷载作用下，绷紧式系泊系统各部分响应特性以及各部分的协同作用结果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全耦合绷紧式系泊系统的实验装置，包括水槽、缆绳、浮体、土箱以及试验台，所述水槽用于提供水环境，所述土箱和试验台依次架设于水槽上；所述土箱内设置有锚，所述试验台上设置有转向滑轮；所述水槽内一端设置有造波板，水槽底部设置有锚固轮滑和锚固装置，所述浮体一端通过一条缆绳与锚固装置固定连接，另一端通过另一条缆绳依次与锚固轮滑、转向轮滑以及锚连接。

进一步地，水槽内的另一端设置有消浪平台，消浪平台的设置用于避免反射波浪对实验区域的水动力条件造成影响，以保证实验的准确性。

进一步地，本发明的实验装置还包括锚链，所述缆绳与浮体通过锚链连接，锚链一端与缆绳固定连接，另一端与浮体固定连接。

进一步地，所述土箱固定设置于造波板的上方，并固定设置于水槽上部。

进一步地，所述土箱的两侧边分别设置有轨道，所述试验台下部设置有轨道滑轮，所述轨道滑轮与轨道匹配设置，这样试验台可以在水槽上滑动。

进一步地，所述试验台包括设置于上部的台面和用于支撑台面的支撑腿。

进一步地，所述试验台包括设置于上部的台面和用于支撑台面的支撑腿，所述支撑腿的下部设置有轨道滑轮。

进一步地，所述支撑腿为升降腿，能够调节试验台的台面高度。

进一步地，所述台面的两端皆设置有转向滑轮，转向滑轮用于改变系缆的方向。

进一步地，所述试验台上设置有激光位移传感器，位于转向滑轮与锚之间的缆绳段上设置缆绳标记段，所述激光位移传感器设置于缆绳标记段的下方，所述激光位移传感器用于测量缆绳标记段的位移；位于转向滑轮与锚之间的缆绳段上还设置有张力传感器，所述张力传感器用于采集缆绳所受张力数据。

进一步地，所述缆绳、锚、转向滑轮、锚固滑轮以及锚固装置为成套设置，所述实验装置至少设置有一套，当有至少偶数套时，缆绳、锚、转向滑轮、锚固滑轮以及锚固装置成套的对称设置，当有奇数套时，缆绳、锚、转向滑轮、锚固滑轮以及锚固装置成套的均布设置。

与现有技术相比，本发明提供了一种全耦合绷紧式系泊系统的实验装置，具备以下有益效果：

（1）本发明的实验装置为一套耦合波浪与结构物相互作用、系缆响应、锚与土相互作用的全耦合绷紧式系泊系统实验装置，能够真实全面的模拟在环境荷载作用下，绷紧式系泊系统各部分响应特性以及各部分的协同作用结果，弥补了现有单个部分响应特性的实验装置的缺陷，是能够全面的研究绷紧式系泊系统的实验装置。

（2）本发明的实验装置，可以通过更换各部分的材料于型号来满足不同工作荷载，不同类型浮体，不同系缆材料，不同类型锚的实验，进一步全面模拟绷紧式系泊系统各部分响应特性以及各部分的协同作用结果，能广泛的运用于绷紧式系泊系统的模拟与研究。

附图说明

图1为本发明实验装置的主视结构示意图；

图2为本发明实验装置的俯视结构示意图；

图3为本发明实验装置的立体结构示意图。

图中附图标记的含义为：1、水槽；2、造波板；3、消浪平台；4、锚固装置；5、锚固滑轮；6、缆绳；7、锚链；8、浮体；9、试验台；10、支撑腿；11、转向滑轮；12、张力传感器；13、激光位移传感器；14、土箱；15、锚；16、轨道滑轮；17、轨道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明的实验装置，包括水槽1、缆绳6、浮体8、土箱14以及试验台9，水槽1用于提供水环境，土箱14和试验台9依次架设于水槽1上；土箱14内设置有锚15，试验台9上设置有转向滑轮11；水槽1内一端设置有造波板2，水槽1底部设置有锚15固轮滑和锚固装置4，浮体8一端通过一条缆绳6与锚固装置4固定连接，另一端通过另一条缆绳6依次与锚15固轮滑、转向轮滑以及锚15连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，水槽1内的另一端设置有消浪平台3，消浪平台3的设置用于避免反射波浪对实验区域的水动力条件造成影响，以保证实验的准确性。

在本实施例的一种具体实施方式中，本发明的实验装置还包括锚15链7，缆绳6与浮体8通过锚15链7连接，锚15链7一端与缆绳6固定连接，另一端与浮体8固定连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，土箱14固定设置于造波板2的上方，并固定设置于水槽1上部。

在本实施例的一种具体实施方式中，土箱14的两侧边分别设置有轨道17，试验台9下部设置有轨道滑轮16，轨道滑轮16与轨道17匹配设置，这样试验台9可以在水槽1上滑动。

在本实施例的一种具体实施方式中，试验台9包括设置于上部的台面和用于支撑台面的支撑腿10。

在本实施例的一种具体实施方式中，试验台9包括设置于上部的台面和用于支撑台面的支撑腿10，支撑腿10的下部设置有轨道滑轮16。

在本实施例的一种具体实施方式中，支撑腿10为升降腿，能够调节试验台9的台面高度。

在本实施例的一种具体实施方式中，台面的两端皆设置有转向滑轮11，转向滑轮11用于改变系缆的方向。

在本实施例的一种具体实施方式中，试验台9上设置有激光位移传感器13，位于转向滑轮11与锚15之间的缆绳段上设置缆绳标记段，激光位移传感器13设置于缆绳标记段的下方，激光位移传感器13用于测量缆绳标记段的位移；位于转向滑轮11与锚15之间的缆绳段上还设置有张力传感器12，张力传感器12用于采集缆绳6所受张力数据。

在本实施例的一种具体实施方式中，缆绳6、锚15、转向滑轮11、锚固滑轮5以及锚固装置4为成套设置，实验装置至少设置有一套，当有至少偶数套时，缆绳6、锚15、转向滑轮11、锚固滑轮5以及锚固装置4成套的对称设置，当有奇数套时，缆绳6、锚15、转向滑轮11、锚固滑轮5以及锚固装置4成套的均布设置。

本发明的工作原理：本发明实验装置具体可以分为三个模块，包括水槽模块（用于研究波浪与结构物相互作用的模块）、系缆试验台模块（用于研究系缆响应的模块）、土箱试验模块（用于研究锚土相互作用的模块）。在水槽模块中，水槽1中装水，造波板2模拟工作海况下的波浪，并与浮体8相互作用，浮体8所受的波浪力将传递至系在浮体8上的缆绳6上。在系缆试验台模块中，系缆的响应情况将在试验台9上测量，具体包括张力和缆绳标记段位移的测量，通过张力传感器12捕获实时的系缆张力响应，由激光传感器13测得缆绳标记段的位移。在土箱试验模块，通过锚固滑轮5和转向滑轮11改变方向的作用，试验台9通过支撑腿10改变高度，通过轨道滑轮16和轨道17的匹配设置，使得试验台可以在水槽上滑动，从而调整土箱14中锚缆的系泊角度，满足与水槽模型系泊角度相同的条件，这样就能保证将缆绳6的受力以与浮体8系缆相同的系泊角度传递到土箱试验模块中的锚上，从而完成锚与土相互作用的实验。实验中，造波板2生成波浪，通过水槽1作用在浮体8上，浮体8所受波浪力将传递在缆绳6上；由锚固滑轮5改变系缆力的方向，向试验台9传递；由转向滑轮11再一次改变系缆力的方向，向土箱14中的锚15传递，从而实现各部分的耦合。

本发明的实验装置是水槽模块、试验台模块以及锚土模块耦合的系泊系统实验装置，对比单个试验台模块和单个锚土模块来说可以提供更加真实的波浪和水流载荷，从而更好的获得系缆和锚的动力响应；对比单个水槽模块来说可以考虑到并研究系缆的伸长以及锚在土中的位移所带来的浮体位移响应，并且不是对单个模块的响应研究。

土箱中可以根据需求加入海水以模拟海洋土。需要说明的是：绷紧式系泊系统通常运用于深水以及超深水条件下，在此条件下，波浪对海洋土的动力过程几乎没有影响，故不需要在土箱中加入造波设备。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。