一种海洋风电动态缆整体线型水动力响应实验装置

技术领域

本发明属于海洋柔性管缆实验测试技术领域，具体涉及一种海洋风电动态缆整体线型水动力响应实验装置。

背景技术

随着能源需求增长及对可再生能源的追求，海上风电凭借其能源稳定、规模大等特点，得到了越来越多的关注。海底电缆在海上风力发电中起着不可或缺的作用，在电力系统中，由风机输出的电能通过铺设在海底的电缆汇集至海上变电站，再通过海底电缆连接岸上变电站，并入电网。在浅海水域，风电设备一般固定在海底，通过静态设计的海底电缆即可用于浅水环境；在深水域则需使用漂浮式平台，正常运行时各机组之间存在相对运动，海底电缆需要承受更严重的海洋环境负荷，因此在深水环境中铺设海底电缆必须进行动态分析。动态电缆一般为复合电缆，具备传输电力和光信号的双重功能，其结构通常为多束线缆缠绕而成，外侧螺旋缠绕铠装钢丝。

动态缆从浮体至触地点处为动态段，管缆在位运行状态的整体结构形式称为管缆的线型，管缆的线型决定了管缆在动载荷下的响应，为了能够使管缆在多种静态和动态载荷作用下满足管缆的强度要求，需要根据水深、浮体、海况和管缆性能等多种条件对线型进行针对性的设计。浮体在波浪作用下的运动和最大位移偏移量是影响动态管缆线型设计的重要因素，同时还需结合浮体的运动特性考虑波浪和海流的影响，因此海流、海浪和浮体运动是动态缆线型设计中要考虑的重要动态条件。

水下设备维修难度大，维修周期长，应在设计阶段尽可能地确保其稳定性，考虑到管缆的多层螺旋缠绕结构特征，以及线型的几何非线性特征，结构模型复杂，通过理论和数值模拟方法得到的结果，其准确性难以保证；而进行原型实验周期长、成本高，实验难度大。因此需要一种能够同时模拟海流、海浪和浮体运动的缩比模型实验装置，通过实验方法测试动态缆在位运行时的整体线型水动力响应特征，确保线型设计的合理性，提高管缆在位运行的稳定性，并为线型设计提出优化设计方案。目前国内类似模拟真实海况条件下动态缆运动的缩比模型实验装置中，没有能同时模拟海流、海浪和浮体运动的装置，亟需一种能够完整复现真实的管缆在位运行工况的缩比模型实验装置，研究海洋风电动态缆在位运行整体线型的水动力响应特征，进而为我国动态缆的线型设计提供实验方法支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋风电动态缆整体线型水动力响应实验装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括实验水槽、六自由度运动平台和实验线缆；所述的实验水槽内部中央设有中央平台，实验水槽四周边角处设有倒角装置，实验水槽整体水平横截面为回字形；所述的实验水槽内部为由两个直线段区域和两个半圆环形区域构成的封闭回环，其中一个直线段区域的前后两端设有孔板，另一个直线段区域中设有造流系统，由两块孔板以及中央平台和实验水槽的壁面围绕而成的区域设为实验区域；所述的实验区域内设有造浪系统，在实验区域上方，中央平台和实验水槽壁面上端设有滑轨，在滑轨上方设有丝杆；所述的六自由度运动平台包括六自由度作动器、顶部安装板和底部安装板；所述的六自由度作动器通过柔性铰链安装在顶部安装板下端；所述的底部安装板通过柔性铰链安装在六自由度作动器下端；所述的顶部安装板两侧分别通过滑块安装在实验区域上端的滑轨上，滑块与丝杆通过丝杆螺母连接；所述的丝杆通过联轴器与直线电机的输出端连接；所述的实验线缆上端通过防弯器安装在底部安装板的下端，根据实验需要在实验线缆下端安装浮块或定位装置，使实验线缆处于特定线型。

本发明还可以包括：

所述的造流系统由纵向平行布置在实验区域对侧直线段区域内的一排造流装置构成；所述的造流装置包括转动轴，转动轴一端穿过实验水槽外侧壁面与电机的输出端通过联轴器连接，转动轴的另一端安装有螺旋桨。

所述的造浪系统包括造浪板；所述的造浪板设置在实验区域一侧孔板的前方，在造浪板上部纵向开设有导轨，在孔板上部安装有一排气动推杆；所述的气动推杆通过连接件与导轨中的造浪板滑块连接，连接件与造浪板滑块之间通过螺栓螺母形成销连接，造浪板滑块与造浪板滑动连接，工作时气动推杆推动连接件带动造浪板滑块，造浪板滑块沿着造浪板上部的导轨滑动，使气动推杆的横向推动转变为造浪板的定轴转动，从而推动造浪板往复摆动，推动水流形成人造浪；所述的造浪板通过转动轴与实验水槽壁面铰接；所述的转动轴位于实验水槽的三分之一高度处，使实验水槽中只有上层有波浪，下层是稳定的水流。

本发明的有益效果在于：

本发明通过水槽的回字形结构与造流机构实现水的循环流动，通过控制造流装置、造浪装置和六自由度机构，可以模拟多种海洋动态缆在位运行工况条件，既可以实验模拟某一种工况条件，也可以实验模拟多种工况组合的复杂条件下，管缆的整体线型水动力响应特征，能够测试模拟稳定水流工况条件下海洋动态缆的整体线型水动力响应特征。

附图说明

图1是本发明的总体空间结构示意图。

图2是本发明中造流系统的空间结构示意图。

图3是本发明中造浪系统的局部放大图。

图4是本发明中造浪系统的空间结构示意图。

图5是本发明中六自由度运动平台的空间结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及一种海洋柔性管缆实验测试装置，具体说是一种海洋风电动态缆整体线型水动力响应实验装置。

一种海洋风电动态缆整体线型水动力响应实验装置，包括：加载装置，其用于驱动实验线缆在六自由度多方向上运动以及在大范围内直线往复运动；

水槽，水槽的水平面截面为回字形，包括两个直线段区域和两个半圆环形区域，形成一个封闭回环，水可以在水平面内循环流动通过水箱四周的倒角装置实现水流在边角处的过渡使水流更加平稳更容易操控。水槽的正面直线段用两块孔板分离出的区域称为实验区域；

造流机构，其用于驱动回字水槽中的水流逆时针或顺时针流动；

造浪机构，其用于驱动实验区域水流造浪来模拟海洋中的海浪；

实验线缆，线缆一端连接加载装置，另一端伸入至透明水槽内且设有重块。

所述加载装置包括六自由度运动平台，六自由度运动平台由六自由度作动器、顶板、底板组成，六自由度作动器位于顶板和底板之间，六自由度作动器与顶板、底板通过柔性铰链连接；底板的下端设有与所述线缆一端连接的防弯器。通过控制六自由度作动器运动，实现对线缆的六自由度方向加载。

还包括直线电机、丝杆、丝杆螺母、滑块和滑轨；直线电机的输出端与丝杆通过联轴器连接，所述丝杆螺杆上设有与所述六自由度运动平台顶板固定连接的丝杆螺母。顶板下方固定安装有滑块，滑块与直线滑轨滑动连接，滑轨位于水槽实验区域上方的水平面内，分别固定安装在内圈与外圈的框架上；通过驱动顶板直线运动，带动六自由度作动器和底板直线运动，实现对实验线缆的大范围直线往复加载。

所述造流装置主要位于水槽实验区域对侧的直线段区域内，包括纵向平行排列的四组机构，每组机构包括第二电机和螺旋桨，第二电机输出端设有转动轴两者通过联轴器连接，转动轴穿过水槽外圈壁，螺旋桨与转动轴通过紧固螺母固定连接。通过控制第二电机的转速或转向，可以实现控制水的流动速度或流动方向。

所述造浪装置主要位于水槽的实验区域一侧，包括造浪板、气动推杆、造浪板滑块和连接件。连接件与造浪板滑块之间通过螺栓螺母形成销连接，造浪板滑块与造浪板滑动连接，气动推杆与连接件固连，工作时气动推杆推动连接件连接件带动造浪板滑块，造浪板滑块沿着造浪板上的导轨滑动，使气动推杆的横向推动转变为造浪板的定轴转动，从而推动造浪板往复摆动，推动水流形成人造浪。造浪板与水箱壁铰接使其可以沿着转动轴摆动，转动轴位于水箱的三分之一高度处，可以使造浪板造浪使所受阻力较小，并且只有水箱上层有波浪，下层是稳定的水流。

所述透明水槽的外表面具有刻度线，且所述透明水槽的材质为亚克力板。

所述实验线缆为螺旋缠绕结构，其材质为钢材料或者聚四氟材料。

回形水槽内外圈四角处均有倒角处理，使回流更为顺畅。

在实验区域两端设有孔板，水流通过左侧孔板稳定流入实验区域，波浪再通过右侧孔板流出变为稳定的流，使得实验区域内水流稳定，避免环形区域和螺旋桨处产生的紊流干扰实验，并使得整个水槽只有实验区域有波浪，该机构稳定控制水流和波浪使其两者互不影响。

使用上述所述的实验测试装置进行海洋风电动态缆整体线型水动力响应缩比模型实验测试方法为：

通过组装得到所述实验测试装置，其中，保证所述线缆呈竖直状态，或在线缆上适当安装浮块或定位装置从而得到特定线型；

将倾角传感器等距离布置粘贴在所述线缆表面，将应变片传感器粘结于所述线缆组成构件上，张力和加速度传感器设置在所述线缆与所述可移动装置的连接处；

安装好上述各传感器后，对所述实验测试装置进行初步的调试：通过所述加载装置对所述线缆进行小幅度加载，并调节造流机构电机和气动推杆控制阀调节水流和波浪，分析采集的倾角和应变随时间变化的曲线，待达到测试要求后，可开展下述实验：

1.所述六自由度作动器控制线缆实现横摇(绕x轴旋转)、纵摇(绕y轴旋转)、偏航(绕z轴旋转)、横移(绕x轴平移)、纵移(绕y轴平移)、升沉(绕z轴平移)六自由度方向运动，模拟浮体的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡运动；

2.所述第一电机驱动丝杆转动使线缆及六自由度平台在滑轨上进行横向大幅度移动。

3.所述水槽与造流机构可以实现水的循环流动，通过控制造流装置电机的转速或转向，可以调节水的流速或流向，模拟不同流速的海水流动；

4.所述造浪装置推动水流形成波浪，通过控制造浪机构气动阀，气动推杆推动与之连接的造浪板滑块，造浪板滑块在造浪板导轨上往复移动，从而使气动推杆的直线运动变成造浪板的往复转动，造浪板位于整个水箱的三分之一处，较位于底部的造浪装置驱动时所受阻力更小，仅在水箱表面造浪，水箱下部依旧是稳定的水流。可以通过控制气动推杆或者改变造浪板的形状从而制造不同形式的人工浪，包括具有特定波浪谱的规则浪和随机的不规则浪。人造浪通过右侧的孔板流出后由波浪再度变为稳定的水流，从而实现水箱只有在试验区域水面有波浪而其他区域都是稳定水流的实验要求，这不仅降低了成本而且降低了水流和波浪的控制难度。

上述各实验过程中，可以一项或者多项实验同时进行，这样能更加真实的模拟海洋环境，使实验数据更加准确，期间全程录像记录所述线缆变形形态，并通过所述刻度线读取所述线缆的变形数据，同时，采集各传感器数据，对上述各数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并分析动态缆整体线型水动力响应特征规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过水槽的回字形结构与造流机构可以实现水的循环流动，通过控制造流装置电机的转速或转向，可以调节水的流速或流向，模拟不同流速的海水流动，能够测试模拟稳定水流工况条件下海洋动态缆的整体线型水动力响应特征。

2.通过控制造浪机构气动阀，将气动推杆的水平移动转变为造浪板的摆动，通过控制气动推杆或改变造浪板形状可以制造不同形式的人工浪，包括具有特定波浪谱的规则浪和随机的不规则浪，能够测试模拟多种海浪工况条件下海洋动态缆的整体线型水动力响应特征。水流从左侧孔板流入试验区域经造浪机构制造波浪，经过试验区域后紊流通过右侧的孔板流出后由再度变为稳定的水流，使整个水箱只有试验区域有波浪，并且造浪板位于水箱高度的三分之一处大大的减小了制造波浪的难度。

3.六自由度机构可以实现横摇(绕x轴旋转)、纵摇(绕y轴旋转)、偏航(绕z轴旋转)、横移(绕x轴平移)、纵移(绕y轴平移)、升沉(绕z轴平移)六自由度方向运动，模拟浮体的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡运动，完整地模拟了实际生产时的浮体运动，能够测试模拟浮体运动工况条件下海洋动态缆的整体线型水动力响应特征。

4.通过分别控制造流装置、造浪装置和六自由度机构，可以模拟多种海洋动态缆在位运行工况条件，既可以实验模拟某一种工况条件，也可以实验模拟多种工况组合的复杂条件下，管缆的整体线型水动力响应特征。相较于仅模拟其中一种工况的装置，本发明能模拟更复杂的工况条件。

5.通过在线缆的不同位置合理调整安装浮块和定位装置，可以测试模拟多种线型的水动力响应；通过调整浮块和定位装置的数量与位置，可以测试模拟不同的管缆附件排布方式对管缆整体线型水动力响应的影响；还可以通过调整管缆附件的水动力响应参数，针对新型管缆附件测试其对管缆整体线型水动力响应的影响。

6.通过相似比原理，依靠小比尺室内模型实验模拟动态缆整体线型水动力响应，从而揭示原型结构的动态响应机理，避免原型实验操作困难和耗时耗费难题。

7.本发明的实验测试方法通过一定材料加工而成的螺旋缠绕结构模拟海洋动态缆结构(如钢材料或者聚四氟等)，模拟实现不同弯曲刚度动态缆的模型。并用配重块代替线缆重量，使用等比砝码实现可调线缆重量。

8.动态缆缩比模型螺旋缠绕结构与可移动装置连接，设置有一定的环形绑扎结构(环向绑扎在线缆外面，用于增加挤压摩擦效应)，用于施加内部构件之间的挤压力，从而实现构件之间的不同摩擦力模拟。

9.本发明的实验测试装置新颖实用，各组电机和气动装置相互独立，能够有效的控制各自荷载的施加，同时，可以根据工程和设计要求实现加载顺序的任意变换。通过自编程序即可对各个电机和气动阀进行精确地控制操作，进而复现模拟预设定的船体和海水运动。同时可对运动输出数据进行记录，方便调整误差确保运动准确性。

10.本发明的实验测试装置水槽采用透明的亚克力板，并且正面实验区域亚克力板外表面具有刻度线，可通过刻度线直观查看线缆的变形情况。

11.可实现结构的大位移运动，直线导轨与实验区域长度大致相同，可移动装置能够在水槽的实验区域上方大范围往复运动。

12.透明水槽内可填充水或其他液体，可模拟多种不同液体状态下的运动状态。

13.线缆周围空间较大，方便添加相应传感器对试件相关物理量测量记录。

基于上述理由本发明可在海洋动态缆实验测试装置与方法等领域广泛推广。

实施例1：

如图1-图5所示，一种海洋风电动态缆整体线型水动力响应缩比模型实验测试装置，包括：加载装置，其用于驱动线缆1在六自由度方向运动和往复直线运动，其上设有一端与其连接的线缆1，所述线缆1的另一端深入至回字水槽2内且设有重块3；加载装置包括六自由度作动器401、顶板402、底板403，顶板402位于六自由度作动器401上方，底板403位于六自由度作动器401下方，六自由度作动器401与顶板402、底板403通过柔性铰链404连接；

所述加载装置包括与六自由度平台机构连接的滑块5、可与丝杠6连接的丝杠螺母7，六自由度平台4与滑块5通过双头螺栓连接，六自由度平台与可拆卸丝杠螺母7连接；滑块5与滑轨8滑动配合连接使可移动装置在滑轨上滑动从而实现横向移动；丝杠螺母7与丝杠6配合连接，丝杠6与联轴器9连接，联轴器9连接第一电机10；第一电机10驱动丝杠6旋转推动六自由度平台机构4水平移动；丝杠6与丝杠支撑11配合，丝杠支撑11通过螺钉固定在支撑块12上，支撑块焊接在板13上；板13固定在回字水槽2上；

造浪装置，其用于驱动实验区域水流造浪来模拟海洋中的海浪，包括造浪板14、造浪板滑块15、气动推杆连接件16及气动推杆17；气动推杆17连接气动推杆连接件16，连接件16与造浪板滑块15通过销连接使造浪板滑块15可与连接件16之间相对转动，造浪板滑块15与造浪板14滑动连接；气动推杆17推动使造浪板滑块在造浪板14上滑动从而推动造浪板14往复摆动推动水流形成人造浪；三个气动推杆17固定在角钢18上，角钢18固定在回字水槽上，从而固定造浪装置；

造流装置，其用于驱动回字水槽2中的水流使其逆或顺时针流动，包括螺旋桨19、紧固螺母20、轴21、联轴器22及第二电机23；将螺旋桨19安装在轴21上用紧固螺母20拧紧，轴21与联轴器22连接，联轴器22连接第二电机23，通过第二电机23转动驱动轴21转动并带动螺旋桨19转动，纵向排列四组这种造流装置进行回字水槽2中水流的制造；在板13处分别安装两个孔板24，两个孔板中间为实验区域，整个回字水槽只有实验区域有波浪，水流通过左侧孔板进入，通过造浪装置进行造浪，波浪通过右侧孔板再次变回水流并在回字水槽2中进行回流形成水流；框架25的四角内部分别安装四个倒角装置26，使回流更为顺畅；水槽四面和底面材质均使用亚克力板。框架25底部焊接两块支撑板27，支撑板27与车架28之间通过螺栓连接固定回字水槽2与车架28上；车架28底部安装六个车轮29，两者通过螺栓连接。

一种使用上述所述的实验测试装置进行海洋风电动态缆整体线型水动力响应缩比模型实验测试方法：

通过组装得到所述实验测试装置，第一电机10，第二电机23与电源连接，并将各电机控制开关关闭，根据需要进行的运动状态，对应打开相应的电机，通过自编程序对其进行运动控制；将需要实验的线缆一端固定于六自由度平台4上，并将另一端固定于重块3上，保证线缆保持竖直状态，或在线缆上适当安装浮块或定位装置从而得到特定线型；气动推杆17连接气缸，并将控制阀开关关闭，根据需要进行的运动状态，对应打开相应的控制阀，听过自编程序对其进行运动控制；

根据实验要求，将倾角传感器等距离布置粘贴在所述线缆1表面，将应变片传感器粘结于所述线缆1组成构件上，张力和加速度传感器设置在所述线缆1与所述可移动装置的连接处，同时用胶带将连接于各类传感器的排线一端固定于所述线缆1，防止测试过程中由于排线晃动引起测试数据的波动，另一端连接于采集系统，实现应变数据实时传输；

安装好上述各传感器后，对所述实验测试装置进行初步的调试：通过所述加载装置对所述线缆1进行小幅度加载，分析采集的倾角随时间变化的曲线，待达到测试要求后，可开展实验；

控制第一电机10，驱动丝杠6转动，带动丝杠螺母7并驱动加载装置进行水平移动，通过控制第一电机的转动控制往复运动，仅实现加载装置的往复运动；

控制六自由度平台的电磁作动器，将柔性铰链进行弯曲进而控制平台的自由度，实现线缆的多方向自由度控制；

控制第二电机23，驱动轴21进而控制螺旋桨19转动，并且驱动回字水槽2中的水流流动，控制第二电机23的转向可以控制水槽中水流动的方向是顺时针还是逆时针，控制第二电机23的转速可以控制水槽中水流动速度，实现回字水槽2中水流的控制；

控制造浪装置气动推杆17的控制阀来控制气动推杆17的运动，从而推动连接件16，造浪板滑块15与连接件16相对转动，造浪板滑块15在造浪板14的滑轨上滑动，使造浪板14进行来回摆动，实现水平推动转变为相对摆动的实验要求，推动水流形成人造浪模拟海洋的海浪，实现模拟海浪的要求，水流通过试验区域右侧的孔板再度变为稳定的水流；

上述各实验过程中，全程录像记录所述线缆1变形形态，回字水槽2使用亚克力板，外表面有刻度线，可读取线缆1的变形数据，同时，采集各传感器数据，对上述各数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并分析线缆截面弯曲滞回效应对整体动态响应的影响规律。上述各实验可重复多次以降低误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。