一种用于模拟海洋环境载荷的方法技术

一种用于模拟海洋环境载荷的方法。该方法主要步骤为：根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数转换为海洋环境试验载荷的参数；计算作用在导管架海洋平台模型上的最大环境载荷；分析导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；评定导管架海洋平台模型的可靠性；选择合适的伺服电动缸；在对海洋环境载荷模拟系统完成安装后，将得到的海洋环境试验载荷的参数输入到海洋环境载荷模拟系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟海洋环境载荷。本方法可精确地模拟不同大小、不同频率及水平方向内任意角度的非定常载荷，能够有效模拟正常和极限海洋工况下的环境载荷。

Method for simulating ocean environment load

Method for simulating ocean environment load. The method mainly comprises the following steps: according to the proportion of the jacket offshore platform model, according to the similarity criteria will be the actual parameter of ocean environment load conversion parameters for marine environmental load; the largest role in the marine environment load calculation model of jacket platform; limit analysis of jacket offshore platform model of bearing capacity and ultimate displacement; reliability evaluation of offshore platform model; select the appropriate servo electric cylinder; upon completion of the installation of the marine environment load simulation system, the marine environment test load and get the parameters of the input to the ocean environment load simulation system of the computer control unit, set the load parameters and PID parameters, and Simulation of ocean environment loads on servo drive instructions. The method can accurately simulate the unsteady load at any angle in different size, different frequency and horizontal direction, and can simulate the environmental loads under normal and extreme ocean conditions.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于海洋工程
中的对海洋环境载荷进行模拟的方法。
技术介绍
模型实验是海洋工程水动力学研究的重要手段。当前所实施的海洋平台，都要在设计前后对其做模型实验研究，在海洋工程水池中模拟真实的风、浪等海洋环境条件，以预测其在真实海洋环境中的动力学特性。由于尺度效应等因素的影响，风和浪载荷的准确模拟是比较困难的。现有的模拟风浪载荷方法主要有以下几种：方法一，根据比例尺制作比较精确的海洋平台模型，在海洋工程水池中分别用风机和造波系统分别模拟模型尺寸下的风谱和波浪参数。方法二，通过调整风速或流速使模型所受的风载荷和流载荷接近理论值，由此确定模型实验中模拟风速和流速时应该达到的值。现有的这两种方法，分别存在如下缺陷：方法一尽管能精确地模拟海洋环境条件，但受目前的造风和造波技术所限，模型所受的风载荷和波流载荷与理论值还有一定的差别，此外该方法主要研究海洋结构物的稳定性，制作模型的比例尺较小，因此不利于结构性能方面的研究；方法二中，由于在实验中模型一般都要受到波浪力作用，在实验中无法单独测量和精确控制模型所受的风载荷和流载荷。随着海洋工程技术的发展，工程技术人员对海洋平台的模型实验提出了更高的要求。在某些风速比较大的海洋工况中，风载荷、波浪载荷对平台性能影响显著，因此平台所受风载荷和波浪载荷需要精确模拟。而这些载荷往往是变化的，而平台模型的响应也是不断变化的，因此，怎样准确地模拟风载荷和波浪载荷已经成为一道难题。
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用于模拟海洋环境载荷的方法，利用本方法在确定导管架海洋平台模型可靠后，利用计算机控制单元控制在导管架海洋平台模型的长度和宽度方向上分别安装的载荷加载装置，可以精确地模拟出不同大小、不同频率及水平方向内任意角度的的非定常载荷，本种方法不但能够重现海洋环境载荷，而且能够模拟正常和极限海洋工况下的环境载荷。本专利技术的技术方案是：该一种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深、波高、周期、海水密度、极端工况下的设计风速和承风面积转换为海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度、设计风速ut和承风面积A；(2)根据步骤(1)所得到的参数设计风速ut和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；(3)根据步骤(1)所得到的参数水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移。(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统来进行对海洋环境载荷的完整模拟；其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6)的最后结果而确定；所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面，；所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，小范围内进行补偿协调；(8)根据步骤(5)中获得的导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移确定步骤(7)中应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的电动缸的推力量程和行程，从而选择合适的伺服电动缸；(9)将步骤(1)中得到的海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速ut和承风面积A，输入到步骤(7)中开始应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟作用在导管架海洋平台模型上的海洋环境载荷。本专利技术具有如下有益效果：首先，本专利技术所述方法选用Stokes五阶波理论，能更加准确地描述实际波浪的运动，运用倾斜柱体或斜撑的Morison方程并考虑波剖面的影响计算得到的最大水平波浪力能更接近实际最大水平波浪力；其次，本专利技术所述方法通过对比模型的极限承载力与最大水平波浪力，能评定该导管架海洋平台模型的实用性，即能否承受极限工况下的性能试验，保证了模拟的有效性；再次，本专利技术所述方法以极限承载力为标准值选用电动缸的推力量程和行程，既能保证该装置能完成正常工况和极限工况下的环境载荷，又能减少成本；此外，本专利技术所述方法实施时，选用电动缸为导管架海洋平台模型提供载荷源，控制精度和定位精度较高，实时性强，运动平稳，能准确地模拟给定的波浪载荷；电动缸、球铰组件、连接板以及导管架海洋平台模型通过固定连接一起，结构紧凑，使电动缸输出的非定常载荷施加在导管架海洋平台模型上损耗极小，而且压力和位移传感器能非常精确的反馈施加在模型的推力；最后，本专利技术所述方法在导管架海洋平台模型的长度和宽度方向上分别安装一套载荷加载装置，由伺服驱动器的两个通道同步协调，可实现水平方向任意角度的加载；PID调节保证了位移的精确控制。附图说明：图1为导管架海洋平台模型的长度方向结构示意图。图2为导管架海洋平台模型的宽度方向结构示意图。图3为宽度方向的载荷模拟装置示意图。图4为图1中Ⅰ处的局部放大图。图5为图1中Ⅱ处的局部放大图。图6为图1中Ⅲ处的局部放大图。图7为图1中Ⅳ处的局部放大图。图8为长度方向的加载装置结构示意图。图9为图8的俯视结构示意图。图10为图1中平台模型与宽度方向连接板的连接的右视结构示意图。图11为长度方向的载荷模拟装置示意图。图12为图11中Ⅴ处的局部放大图。图13为图11中平台模型与长度方向连接板的连接的右视结构示意图。图14为本专利技术所应用的可模拟海洋环境载荷的系统的电气原理图。图中1-工作平台，2-导管腿，3-拉筋，4-桩基，5-宽度方向的反力架，6-宽度方向的加载机构，7-导管架海洋平台模型，8-长度方向的前端连接板，9-长度方向的反力架，10-后端连接板，11a-内六角螺栓，11b-内六角螺栓，11c-内六角螺栓，11d-内六角螺栓，11e-内六角螺栓，12-后端球铰组件，13-双头螺杆，14-消隙环，15-压力传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、极端工况下的设计风速ut和承风面积A转换为海洋环境试验载荷参数；(2)根据步骤(1)所得到的设计风速ut和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；(3)根据步骤(1)所得到的水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统对海洋环境载荷进行完整模拟；其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6) 的最后结果而确定；所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面；所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，小范围内进行补偿协调；(8)根据步骤(5)中获得的导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移确定步骤(7)中应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的电动缸的推力量程和行程，从而选择合适的伺服电动缸；(9)将步骤(1)中得到的海洋环境试验载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、设计风速ut和承风面积A，输入到步骤(7)中开始应用的可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元内，设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令从而模拟作用在导管架海洋平台模型上的海洋环境载荷。...

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟海洋环境载荷的方法，该方法由以下步骤构成：(1)根据导管架海洋平台模型的比例，按相似比准则将实际海洋环境载荷的参数水深d、波高H、周期T、海水密度ρ、极端工况下的设计风速ut和承风面积A转换为海洋环境试验载荷参数；(2)根据步骤(1)所得到的设计风速ut和承风面积A，求解作用在导管架海洋平台模型上的最大风载荷；(3)根据步骤(1)所得到的水深d、波高H、周期T和海水密度ρ，用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在导管架海洋平台模型上的最大水平波浪力；(4)将步骤(2)所得到的最大风载荷和步骤(3)所得到的最大水平波浪力相加得到作用在导管架海洋平台模型上的最大水平环境载荷；(5)利用ANSYS软件建立导管架海洋平台模型的有限元模型，将步骤(2)中所得到的最大风载荷值以面载荷的形式施加到有限元模型的各个作用节点，将步骤(3)中所得到的每个桩腿和等效桩柱上的水平波浪力公式转换成单个作用节点的水平波浪力公式，并以此作为加载函数，最后在ANSYS软件中采用载荷文件法求解导管架海洋平台模型的极限承载力和极限位移；(6)比较步骤(4)和步骤(5)中所获得的最大水平环境载荷和极限承载力，当所述极限承载力大于其最大水平环境载荷时，确定导管架海洋平台模型可靠，能够实现对海洋环境载荷的完整模拟；(7)应用一种可模拟海洋环境载荷的系统对海洋环境载荷进行完整模拟；其中，所述可模拟海洋环境载荷的系统包括长度方向的反力架、长度方向的加载装置、导管架海洋平台模型、宽度方向的反力架、宽度方向的加载装置、计算机控制单元和伺服驱动器；所述导管架海洋平台模型的可靠性由步骤(6)的最后结果而确定；所述可模拟海洋环境载荷的系统中长度方向的加载装置能够沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载装置能够沿模型宽度方向施加水平载荷，从而实现水平方向任意角度、任意大小和任意频率载荷的叠加，两个方向的加载装置均包括带有伺服电机和作动器的伺服电动缸；所述可模拟海洋环境载荷的系统中的计算机控制单元具有人机交互界面；所述伺服驱动器一方面为伺服电机提供电源，控制伺服电机的转矩和转数，通过作动器实现非定常载荷的输出，另一方面接收传感器反馈的信号，与给定载荷信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维刚，闫天红，高腾，刘金梅，周国强，冷建成，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23