CN113447188A - 一种海上波浪砰击载荷实测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上波浪砰击载荷实测装置，包括主体板及阵列分布在其上的单元测力模块；主体板起到搭载单元测力模块的作用；单元测力模块包括：固定在主体板的外端面上并与控制中心信号连通的红外测距传感器；内端固定在主体板上并与红外测距传感器位置对应的弹簧；与弹簧外端固定连接的单元测力面板。本发明可方便地安装在海洋平台的待测区域，在实际海上砰击载荷的作用下，实测装置会采集到弹簧的形变信号，再通过数据处理***将测得的形变信号转换为砰击载荷力信号，最终由连接的电脑终端可视化显示出测量区域发生砰击情况，实现海上波浪砰击的实测。

Description

一种海上波浪砰击载荷实测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海上波浪砰击载荷实测装置及方法，属于海上波浪砰击载荷测量装置技术领域。

背景技术

近些年来，人类探索海洋、开发海洋资源的欲望愈发强烈，对海洋工程装备的要求也越来越高，各种新型浮式海洋平台应运而生。

海洋平台为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物。由于固定式平台本身的自重和建造费用随着水深的增加而急剧增长，各类浮式平台成为海上作业装备的主力军，并被广泛用于海上油气开采，特别是深水海域的油气开采。浮式海洋平台的特点是平台重量主要由水的浮力支承，可以多次移位、重复使用。目前，世界上常见的浮式海洋平台主要包括半潜式平台、张力腿平台、单柱式平台及浮式生产储卸油装置。半潜式平台主要由上部结构、浮箱、立柱及横撑组成，因其具备较大范围的作业水深，又能较好地适应恶劣海况，因此成为深海作业的主要装备而被广泛应用。不同类型的半潜式平台对性能的要求各不相同，比如半潜式钻井平台为了缩短工期、提高工作效率，需能够在海上快速移动到指定作业海域，同时要保证风浪中平台的可靠性及平台上工作人员安全、高效地工作，因此其在进行定点作业时对稳定性及动力定位的要求又较高；而半潜式生产平台对作业时的动力定位要求就不像钻井平台那么严格，也不需要频繁更换作业海域，但其对平台稳定性的要求一样很高。

世界首座深远海全天候驻留浮式研究设施的建设，对于海洋高端装备特别是重大海洋科技基础设施的升级引领，带动海洋领域科研水平的突破提升，加快推动认识海洋、开发海洋、保护海洋能力建设，加快推进从近浅海到深远海的广度和深度上的根本性转变，早日实现海洋强国战略，具有重大意义。

砰击是波浪与结构物相互作用而产生的一种瞬时的强非线性的动态现象，发生瞬时结构物将受到很高幅值的动态荷载。波浪砰击作用原理十分复杂，目前对其研究不太成熟，尤其是大型海洋结构物的波浪砰击问题。当波浪砰击载荷过大时，可能会发生较大的安全隐患。因此设计一种能够测量海洋平台关键结构区域所受砰击载荷的新型测量装置，对于海洋平台砰击载荷的准确预报以及进一步研究十分重要。

目前还不存在任何可靠的数值预报算法来测定海洋平台上的波浪砰击载荷。模型实验仍是用来确定波浪砰击载荷常用的方法。但是在传统的实验方法中，对砰击载荷的监测往往是对海洋平台结构钻孔安装压力传感器。然而这种方法会对结构造成不可逆的伤害，结构的强度会因此下降，结构的水密性也无法得到保证。而且，目前现有技术均采用探头式压力传感器，只能测结构单个点的压力，对于某个区域的压力分布的监测则需要布置多个，每个压力传感器布置起来也困难、不方便。此外，压力传感器较为精密，价格也高，一旦损坏，损失也很大。

对比专利文件列表：

1、一种波浪砰击载荷测量装置及方法201510884255.3；

该装置包括固定壳体，以及分别设于固定壳体内的测力板和单分力传感器，所述单分力传感器为多个，多个单分力传感器沿轴向在固定壳体内均布设置，所述测力板抵着多个单分力传感器的触头，所述固定壳体上设有安置测力板的中空区域。该装置通过单分力传感器检测测力板的受力情况来测定某一区域波浪、水柱作用于海洋结构物、试验模型表面的砰击载荷。

2、波浪载荷船模试验砰击上浪载荷新型测量装置，202010469497.7；

该发明涉及一种波浪载荷船模试验砰击上浪载荷新型测量装置，包括测量板，从所述测量板切割出多个相互独立的单元板，每个单元板从测量板上整体切割后，再独立置于原切割孔中，与原切割孔的内壁之间形成间隙，且不与测量板发生接触，单元板上固定连接有拉压传感器连接，所述拉压传感器通过支撑结构与测量板固定连接；多个单元板将测量板分割成多个小的、彼此相邻且相互独立的测量区域；还包括防水膜，其覆盖在测量板的受砰击上浪载荷作用的外侧面上，防水膜对所述间隙进行密封。

3、用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器，201920214085.1；

该装置涉及一种用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器，其主要由传感器外壳、传感器外壳盖、加速度传感器敏感器件、铰链结构等构成。预拉光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂分别粘贴在质量块与基座的上端和下端之间，由水密法兰连接到传输光缆，船体结构的船艏砰击载荷量以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。

4、海洋平底结构物入水砰击力的峰值预测方法、装置及设备，202011344721.6；

该发明涉及人工智能领域，揭示了一种海洋平底结构物入水砰击力的峰值预测方法、装置和计算机设备，其中方法包括：获取目标海洋平底结构物的目标几何参数；将目标几何参数导入预设的最优函数公式中，利用最优函数公式预测目标海洋平底结构物的入水砰击力的峰值；其中，预设的最优函数公式的获取方法包括：获取多组不同海洋平底结构物的几何参数；利用数值方法确定不同海洋平底结构物在对应几何参数下的入水砰击力峰值，生成由多组几何参数与对应入水砰击力峰值构成的训练集与测试集，根据训练集与测试集，利用遗传算法挖掘出海洋平底结构物的入水砰击力的最优函数公式。从而利用最优函数公式计算入水砰击力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提出了一种海洋平台所受波浪砰击载荷的海上实测装置及方法，可方便地安装在海洋平台的待测区域，在实际海上砰击载荷的作用下，实测装置会采集到弹簧的形变信号，再通过数据处理***将测得的形变信号转换为砰击载荷力信号，最终由连接的电脑终端可视化显示出测量区域发生砰击情况，实现海上波浪砰击的实测。

本发明采取以下技术方案：

一种海上波浪砰击载荷实测装置，包括主体板4及阵列分布在其上的单元测力模块；所述主体板4起到搭载单元测力模块的作用；所述单元测力模块包括：固定在主体板4的外端面上并与控制中心信号连通的红外测距传感器7；内端固定在主体板4上并与所述红外测距传感器7位置对应的弹簧2；与所述弹簧2外端固定连接的单元测力面板1。

优选的，所述单元测力模块还包括限位保护装置3，所述限位保护装置3固定在主体板4上，并套设在所述弹簧2之外，其外径大于所述弹簧2且小于所述单元测力面板1。

优选的，主体板4的内端面与连接件5固定连接，所述连接件5与海洋平台的安装部位仿形，连接件5安装在海洋平台的立柱上，连接处的弧度与平台立柱弧度相同。

进一步的，所述海洋平台的安装部位位于立柱的侧面部位。

更进一步的，所述连接件5与海洋平台的安装部位呈圆弧形。

一种海上波浪砰击载荷实测方法，采用上述的海上波浪砰击载荷实测方法，所述控制中心与红外测距传感器7构成红外测距***，红外测距***具有光发射单元和光接收单元，分别用来发射红外激光和接收反射回来的红外激光；红外测距***内部设有时间记录模块，可记录红外激光往返的时间；通过计算光速和红外激光往返时间的乘积的一半，测得红外测距传感器7和单元测力面板1之间的距离；随着弹簧受到波浪砰击力被压缩，单元测力面板1到红外测距传感器7的距离减小，红外测距传感器7可测得这一距离的变化，即得到弹簧的形变量，并将这一形变量信号输入到数据处理***中。

优选的，所述控制中心设有数据处理***并搭配电脑终端6进行使用；由红外测距传感器7测得的弹簧压缩量信号经数据线传输到数据处理***中，数据处理***根据胡克定律对形变量信号进行处理得到砰击力信号，并最终由电脑将各测量区域的实际砰击情况可视化显示出来，从而实现波浪砰击载荷的实时监测功能。

优选的，通过限位保护装置3会防止过载破坏现象的发生，测力面板移动的距离受到限位保护装置3的限制：当弹簧受到了较大的压缩时，测力面板就碰到了限位保护装置因此不会再继续移动，与之相连的弹簧也因此不会被继续压缩，从而防止了砰击载荷过大导致的过载破坏情况的发生。

本发明的有益效果在于：

1)测量模块化：测量装置上设置有多个阵列的测量单元，使得测量模块独立化，彼此之间互不影响，测得的砰击力的值为作用在该处波浪砰击力的真实值，不受其他因素影响。并且各模块之间存在合适的间隙，测力模块呈阵列排布，测得波浪砰击作用范围较广。

2)安装、拆卸方便：装置上布置有呈阵列分布的测量模块，使用时只需将整个装置安装在海洋平台待测的区域，无需单独安装每个测力单元。实测装置上的连接件可很好的装配到平台立柱上，连接使得砰击实测装置安装、拆卸方便，可重复使用。

3)成本低、经济性好：使用***格较低、环境要求也低的弹簧代替价格昂贵的压力传感器来测量砰击载荷，工程上更经济实用。

4)测量精度高：

采用体积小、重量轻、测距速度快、精度高的红外测距传感器来测量面板的移动距离，等价得到弹簧的压缩量，进而通过数据处理***将形变量信号转换为波浪砰击载荷力信号。

5)实时监测：

将砰击实测装置与电脑终端相连接，采用数据处理***将测得的弹簧形变量信号转换成砰击力信号，并最终由屏幕显示出各测量区域的实际砰击情况，从而实现波浪砰击载荷的实时监测功能。

6)过载保护功能：砰击测量模块安装有机械限位装置，防止由于波浪砰击载荷过大，导致测量失效、测量装置被破坏的情况发生，从而实现过载保护功能。

附图说明

图1是本发明海上波浪砰击载荷实测装置的***示意图。

图2是单元测力模块的示意图。

图3是本发明海上波浪砰击载荷实测装置与海洋平台立柱装配情况的示意图。

图中，1.单元测力面板，2.弹簧，3.限位保护装置，4.主体板，5.连接件，6.电脑终端，7.红外测距装置，8.单元测力模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-2，本发明海上波浪砰击载荷实测装置主要由阵列的单元测力模块8和装置的主体板4构成。其中单元测力模块8由单元测力面板1、弹簧2、红外测距传感器7、限位保护装置3组成。主体板4起到搭载阵列的单元测力模块8的作用，并通过连接件5安装在海洋平台所需监测的区域上。下面对于本实施例的总体构思和方案介绍如下：

海洋平台在实际海域工作时会受到波浪砰击的作用，对于平台易受砰击和易受损的位置需要进行砰击载荷力的监测。本发明可用于实际海域上海洋平台在受到波浪砰击时，对所受砰击载荷情况的实时监测。

单元测力模块测力功能的实现主要是依靠测力弹簧。弹簧2在受到压力时会被压缩而变短，压力消失后弹簧又会恢复原长。实测装置中弹簧的材质、刚度应根据海洋平台情况、工作海域情况进行选择确定，因此每个测量单元中的弹簧的刚度k均为已知量。

本发明中的单元测力模块8另一主要装置是红外测距***7，红外测距***7是利用红外线在传播时的不扩散原理。红外测距***具有光发射单元和光接收单元，分别用来发射红外激光和接收反射回来的红外激光。测距***内部设有时间记录模块，可记录红外激光往返的时间。光速和红外激光往返时间的乘积的一半，就是红外测距***7和被测量物体之间的距离。阵列的测力单元均安装有红外测距传感器，随着弹簧受到波浪砰击力被压缩，单元测力面板到装置主体的距离减小，红外测距传感器可测得这一距离的变化，即得到弹簧的压缩量，并将这一形变量信号输入到数据处理***中。

本发明安装有数据处理***并搭配电脑终端进行使用。由红外测距传感器7测得的弹簧压缩量信号经数据线传输到数据处理***中，数据处理***根据胡克定律对形变量信号进行处理得到砰击力信号，并最终由电脑将各测量区域的实际砰击情况可视化显示出来，从而实现波浪砰击载荷的实时监测功能。

参见图3，还安装有连接件5，连接件5将实测装置安装在平台立柱上，连接处的弧度与平台立柱弧度相同，可完美配合。

参见图1和图2，本发明还安装了限位保护装置3，限位保护装置3会防止过载破坏现象的发生。当砰击载荷过大时，弹簧会产生很大的形变量，形变量过大易使得弹簧发生破坏。但由于限位保护装置的存在，测力面板移动的距离受到了限制。当弹簧受到了较大的压缩时，测力面板就碰到了限位保护装置，因此不会再继续移动，与之相连的弹簧也因此不会被继续压缩，从而防止了砰击载荷过大导致的过载破坏情况的发生。

下面举出具体实例对本发明进一步说明：

如图1所示，所述的海上波浪砰击载荷实测装置包括砰击测力单元面板1、弹簧2、限位保护装置3、主体板4、连接件5、电脑终端6。

如图2所示，所述的海上波浪砰击载荷实测装置还配有安装在单个测力单元内部的红外测距装置7。

整个实测装置由阵列的测力单元和装置主体构成，在进行实测时，安装了测量单元的实测装置的主体板4首先通过连接件6安装在海洋平台所需要监测的区域，连接件一侧为平面与主体板4相连，另一侧为曲率半径与海洋平台立柱相同的曲面，可安装固定在平台立柱面上。随着海洋中的波浪持续作用在平台上，待测区域也会受到波浪砰击的作用。对于每个测点位置，当砰击载荷作用在测量面板1上，测量面板1将所受的砰击载荷力传递给其下连接的弹簧2，弹簧2受到压力后被压缩，随之带动其端部连接的单元测力面板1移动。此时，红外测距装置7可测量出面板1移动的距离大小，也就是弹簧2的被压缩量Δx。该形变量信号会经数据线传输到电脑终端5，进而数据处理***根据胡克定律对形变量信号Δx进行处理，得到砰击力信号F。并最终由电脑6将各测量区域的实际砰击情况以可视化结果显示出来，从而实现对波浪砰击载荷的实时监测功能。

对于实测装置主体上的每个测力单元，弹簧的刚度k为已知量，由红外测距装置测得的弹簧压缩量为Δx，则该测力单元测得的波浪砰击力为：

F＝k·Δx (1)

此外，限位保护装置3还会防止过载破坏现象的发生。当砰击载荷过大时，对实测装置上的弹簧2，弹簧2会产生很大的压缩量，压缩量过大会使得弹簧2会发生破坏。由于本实施例设计安装了限位保护装置3，测力面板1移动的距离受限，碰到限位保护装置3时不会再继续移动，与其相连的弹簧2也因此不会被继续压缩，从而防止砰击载荷过大导致的过载破坏情况发生。

下面对于本发明的创新点进行归纳：

创新点1：测量单元模块化

本发明在测量装置上设置有多个阵列的测量单元，使得测量模块独立化，彼此之间互不影响，测得的砰击力的值为作用在该处波浪砰击力的真实值，不受其他因素影响。并且各模块之间存在合适的间隙，测力模块呈阵列排布，测得波浪砰击作用范围较广。

创新点2：采用红外测距

红外测距传感器具有体积小、重量轻等优点，并且使用其来测量形变量信号速度快、精度高。单个测力单元均安装有红外测距传感器，随着弹簧受到波浪砰击力被压缩，带动其端部连接的单元测力面板，单元测力面板到装置主体的距离减小，红外测距传感器可测得这一距离的变化，即得到弹簧的压缩量数据。

创新点3：实时监测

输出的形变量信号会经数据线传输到电脑终端，电脑通过数据处理***将这一形变量信号转换成砰击力信号，各测量区域的砰击情况最终由屏幕显示出来，实现波浪砰击载荷的实时监测。

创新点4：过载保护功能

本发明砰击测量模块安装有机械限位装置，防止由于波浪砰击载荷过大，导致测量失效、单元测量模块被破坏的情况，从而实现过载保护功能。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种海上波浪砰击载荷实测装置，其特征在于：

包括主体板(4)及阵列分布在其上的单元测力模块；

所述主体板(4)起到搭载单元测力模块的作用；

所述单元测力模块包括：

固定在主体板(4)的外端面上并与控制中心信号连通的红外测距传感器(7)；

内端固定在主体板(4)上并与所述红外测距传感器(7)位置对应的弹簧(2)；

与所述弹簧(2)外端固定连接的单元测力面板(1)。

2.如权利要求1所述的海上波浪砰击载荷实测装置，其特征在于：所述单元测力模块还包括限位保护装置(3)，所述限位保护装置(3)固定在主体板(4)上，并套设在所述弹簧(2)之外，其外径大于所述弹簧(2)且小于所述单元测力面板(1)。

3.如权利要求1所述的海上波浪砰击载荷实测装置，其特征在于：主体板(4)的内端面与连接件(5)固定连接，所述连接件(5)与海洋平台的安装部位仿形，连接件(5)安装在海洋平台的立柱上，连接处的弧度与平台立柱弧度相同。

4.如权利要求3所述的海上波浪砰击载荷实测装置，其特征在于：所述海洋平台的安装部位位于立柱的侧面部位。

5.如权利要求4所述的海上波浪砰击载荷实测装置，其特征在于：所述连接件(5)与海洋平台的安装部位呈圆弧形。

6.一种海上波浪砰击载荷实测方法，其特征在于：采用权利要求1-6中任意一项所述的海上波浪砰击载荷实测方法，所述控制中心与红外测距传感器(7)构成红外测距***，红外测距***具有光发射单元和光接收单元，分别用来发射红外激光和接收反射回来的红外激光；红外测距***内部设有时间记录模块，可记录红外激光往返的时间；通过计算光速和红外激光往返时间的乘积的一半，测得红外测距传感器(7)和单元测力面板(1)之间的距离；随着弹簧受到波浪砰击力被压缩，单元测力面板(1)发生移动，其到红外测距传感器(7)的距离减小，红外测距传感器(7)可测得这一距离的变化，即得到弹簧的形变量，并将这一形变量信号输入到数据处理***中。

7.如权利要求6所述的海上波浪砰击载荷实测方法，其特征在于：所述控制中心安装有数据处理***并搭配电脑终端(6)进行使用；由红外测距传感器(7)测得的弹簧压缩量信号经数据线传输到数据处理***中，数据处理***根据胡克定律对形变量信号进行处理得到砰击力信号，并最终由电脑将各测量区域的实际砰击情况可视化显示出来，从而实现波浪砰击载荷的实时监测功能。

8.如权利要求6所述的海上波浪砰击载荷实测方法，其特征在于：通过限位保护装置(3)会防止过载破坏现象的发生，测力面板移动的距离受到限位保护装置(3)的限制：当弹簧受到了较大的压缩时，测力面板就碰到了限位保护装置因此不会再继续移动，与之相连的弹簧也因此不会被继续压缩，从而防止了砰击载荷过大导致的过载破坏情况的发生。

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