專利名稱：海洋平臺的冰荷載模型實驗方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于海洋工程領域，涉及海洋平臺的冰荷載確定的實驗方法和相應的實驗設備。
背景技術：
現有的冰荷載模型實驗方法，是先建造一座室內冰池，將海洋平臺的結構模型固定在拖車上，用拖車驅動結構模型，使其受力部位穿過靜止的冰板，通過安裝在結構模型上的拾振器、位移計等傳感器測量作用在結構模型上的冰力以及結構模型的位移、加速度等響應。這種實驗方法存在以下不足1)在模型結構設計中單純考慮模型相似律理論，結構模型的剛度和上部質量設計得過小(結構模型剛度一般小于104N/m)，不能模擬真實海洋平臺結構對冰力的控制作用，實驗數據和真實海洋平臺上的監測數據差別較大；2)流冰和真實海洋平臺作用時，速度保持恒定，不受海洋平臺反作用力影響，而現有實驗技術中，由于結構模型的設計剛度較小，因此拖車的設計驅動力也偏小(最大約50kN)，當實驗冰稍厚，即冰力稍大時，拖車不能保證結構模型以恒定速度穿過冰池，有時甚至產生間歇性運動，使實驗工況與真實工況不符；3)現有技術需要建設龐大的低溫實驗室和大面積冰池(面積約200m2)，每次實驗的制冷耗能很大，實驗成本很高。
發明內容
本發明的目的是提供一種能更好地模擬冰與海洋平臺的作用過程，充分反映結構對冰力的控制作用，準確控制冰板相對海洋平臺結構模型的運動速度，同時大大降低實驗成本的冰荷載實驗方法和裝置。
本發明的技術方案是一種海洋平臺的冰荷載模型實驗方法，是在低溫環境下，用驅動裝置使結構模型穿過冰板，用傳感器測量作用在結構模型上的冰力以及結構模型的位移、加速度等響應，其特征在于，將結構模型固定在低溫室地面，用驅動裝置推動在一端開有缺口的冰槽及里面的冰板勻速向結構模型擠壓；結構模型的受力部位穿過冰槽開有的缺口及里面的冰板。最好是在結構模型頂端安裝一個可拆卸的樁柱，作為結構模型的受力部位，結構模型的剛度大于5×105N/m，用驅動裝置推動在一端開有缺口的冰槽及里面的冰板勻速向樁柱擠壓，樁柱穿過冰槽開有的缺口及里面的冰板。還優選用安裝在剪力墻上的液壓加載裝置推動在一端開有缺口的冰槽及里面的冰板。安裝在結構實驗室剪力墻上的液壓加載裝置，能產生很大推力(最大約500kN)。
適用于上述實驗方法的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，包括低溫室、結構模型、冰板、驅動裝置以及拾振器、位移計等傳感器，驅動裝置使結構模型受力部位穿過冰板，其特征在于，結構模型固定安裝在實驗室的地面上，冰板在一個冰槽里，冰槽與驅動裝置相連接，并安放在支撐架上，支撐架安裝在地面上，頂端裝有導軌，冰槽與導軌動配合，驅動裝置控制冰槽沿導軌以一定速度擠壓結構模型；冰槽在靠近結構模型一端的側面和底面開有缺口，缺口的位置正對結構模型的受力部位，缺口的寬度大于結構模型受力部位的寬度，底部缺口沿導軌方向的長度大于實驗所需結構模型穿過冰板的距離。
真實海洋平臺由上部質量和下部導管架構成，受到的冰力是作用在平臺下部的導管架上，但從結構動力學的角度看，海洋平臺可以看作一個質量塊枛彈簧單自由度系統，海洋平臺的上部質量可以視作質量塊，下部導管架可以視作彈簧，提供系統剛度，在實驗時，冰力作用在質量塊的上方或下方效果是相同的。為方便實驗，可以采用使冰力作用于質量塊上方的方式，即在結構模型的頂端安裝一個樁柱，作為受力部位，實驗時使冰板作用于該樁柱，冰荷載通過樁柱傳遞給整個結構模型。該樁柱可以是可拆卸的，以便更換圓柱體、圓錐體等不同形狀的樁柱，模擬不同形狀的結構受力部位與海冰的相互作用情況。
可以利用常規的結構力學實驗室，在靠近剪力墻的位置，建造一個小型的低溫室。將液壓加載裝置安裝在結構力學實驗室剪力墻上，作為驅動裝置，其液壓驅動臂伸入低溫實驗室，與冰槽相連接，推動冰板沿支撐架頂端的導軌勻速向結構模型運動。
海洋平臺的剛度及上部質量都很大，結構剛度在與冰的動力相互作用中起了很大的控制作用。在設計結構模型時，不僅要應用模型相似律理論，而且要考慮冰荷載引起結構振動等理論觀點，加大結構模型的設計剛度，最好大于5×105N/m，使結構對冰力起到更好的控制作用，為保持結構模型的固有頻率不變，也要同時加大結構模型的上部質量。在結構力學實驗室剪力墻上安裝的液壓加載裝置，能產生很大推力(最大約500kN)，適用于放大后的結構模型剛度和上部質量，并控制冰板在與結構模型的擠壓過程中保持勻速運動，使本發明的實驗裝置能夠更好地模擬冰與海洋平臺的真實作用過程。
冰槽的支撐架可安裝在結構模型兩側的地面上，頂端安裝兩條平行的導軌，其高度和實驗設定的結構模型受力部位一致。冰槽靠近結構模型一端的缺口最好是可開合的，可以把冰槽的一部分側面和底面板拆下，制成密封蓋，凍冰前用密封蓋把缺口封好，冰槽內注水，冰板凍好后把密封蓋拆下，實驗時結構模型的受力部位就可以穿過冰槽缺口處的冰板。冰槽的底部兩側可安裝滾輪，與導軌動配合，使冰槽能夠沿導軌平穩地滑行。考慮到冰荷載引起結構振動的周期很短，冰速也較慢，因此在實驗時，結構模型只要穿過冰板較短的距離，就可以經歷足夠多的振動周期，實現較好的模擬，一般冰槽底部缺口的長度大于1米即可滿足實驗要求。
在結構模型上安裝各種傳感器，測量冰力及結構的靜、動力響應。在上部質量處，選擇平行于振動方向的位置安裝拾振器、位移計，測量結構模型的加速度和位移；在冰槽和支撐架之間安裝位移計，測量冰速；在樁柱根部和結構模型連接處粘貼應變片組，測量冰力；在冰槽內安裝溫度傳感器，測量冰溫；在樁柱上方安裝攝像頭，記錄冰板的破碎過程。
本發明的海洋平臺冰荷載模型實驗方法及裝置，其結構模型的設計既應用了相似律理論，也考慮了冰荷載引起結構振動等理論觀點，加大了結構剛度和上部質量，和現有技術相比，能夠更真實地模擬海洋平臺對冰力的控制作用；采用固定模型結構，驅動冰板擠壓結構模型的方式，冰板能保持勻速運動；實驗證實，本發明的實驗結果與在海洋平臺上監測到的數據更加吻合。同時，本裝置占用的低溫區空間很小(約×105N/m)，耗能很少，成本大大降低。
圖1表示了一種海洋平臺冰荷載模型實驗裝置側視示意圖，圖中，1為剪力墻，2為驅動器，3為冰槽，4為支撐架，5為導軌，6為結構模型，7為樁柱，8為低溫室，9為拾振器，10為位移計，11為應變片組，12為溫度傳感器，13為攝像頭，14為測冰速位移計。
圖2表示了一種海洋平臺冰荷載模型實驗裝置俯視示意圖，圖中15為滾輪，16為可開合缺口(活動密封蓋)。
圖3表示一種結構模型側視圖，圖中17為結構模型的上部質量。
具體實例方式本發明一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，如圖1和圖2所示。
結構模型6設計為如圖三的導管架結構，結構模型關于x-y平面對稱，冰力作用在x方向，結構模型沿x方向振動。結構模型的剛度K＝6.7×105N/m，上部質量用鋼錠實現，重3噸。結構模型頂端是一個長約30厘米的螺頭，樁柱7采用圓柱形，直徑D＝12cm，底部中空并開有內螺紋，剛好和螺頭上的螺紋匹配，固定連接。在實驗室靠近剪力墻的附件建造一個保溫室，作為低溫室8，將結構模型固定在低溫室地面。
同時在低溫室內設置支撐架。支撐架用工字鋼和槽鋼焊接而成，導軌用小型號角鋼制作。冰槽的支撐架4可安裝在結構模型兩側的地面上，頂端安裝兩條平行的導軌5，其高度和實驗設定的樁柱位置相當。冰槽3的底部兩側可安裝滾輪，滾輪與導軌動配合，使冰槽能夠沿導軌平穩地滑行。冰槽設計為如圖二的形式，尺寸約5m2，用鋼板焊接制成，靠近樁柱一端開一個缺口，把缺口處的底面和側面鋼板做成一個密封蓋。這樣缺口就是可開合的，凍冰前用密封蓋把缺口封好，冰槽內注水。冰板凍好后把密封蓋拆下。缺口寬度為13cm，長度為150cm。
驅動裝置采用液壓動力，是一套液壓加載裝置2，安裝在結構力學實驗室的剪力墻上，最大推力可達500kN，遠大于實驗產生的最大冰力。其液壓驅動臂穿過低溫室保溫層，伸入低溫室，與冰槽相連接，推動冰槽及冰板沿支撐架頂端的導軌勻速相對結構模型運動。
如圖3，在結構模型x-y平面的兩側對稱布置兩個拾振器，測量結構模型的加速度。在樁柱根部粘貼應變片組，測量冰力。在冰槽內安裝溫度傳感器，測量冰溫。在樁柱上方安裝攝像頭，記錄冰的破碎過程。
實驗開始前，把冰槽的缺口用密封蓋封好，按3∶1的比例分別注入海水和淡水，制冷凍冰。冰板達到設計厚度后停止制冷，打開溫度傳感器12，采集冰溫。打開密封蓋，液壓加壓裝置的驅動工作狀態設定在推進速度為4cm/s，打開拾振器9、位移計10、14，調試使其開始工作。打開攝像頭13，調試使視頻清晰。啟動驅動器開始推冰槽及冰板，結構模型的受力部位樁柱就可以穿過冰槽缺口處的冰板，當樁柱接近冰槽缺口的邊緣時驅動器停止工作，實驗結束。驅動器倒車使冰槽復位，整理實驗現場。
實驗數據分析表明，得到的結構響應(位移、加速度)和冰荷載同真實海洋平臺上的監測數據具有相同的變化規律，成功模擬了設定工況下結構的振動過程。
權利要求
1.一種海洋平臺的冰荷載模型實驗方法，是在低溫環境下，用驅動裝置使結構模型穿過冰板，用傳感器測量作用在結構模型上的冰力以及結構模型的位移、加速度等響應，其特征在于，將結構模型固定在低溫室地面，用驅動裝置推動在一端開有缺口的冰槽及里面的冰板勻速向結構模型擠壓，結構模型的受力部位穿過冰槽開有的缺口及里面的冰板。
2.如權利要求1所述的海洋平臺的冰荷載模型實驗方法，其特征在于在結構模型頂端安裝一個可拆卸的樁柱，作為冰板作用于結構模型的受力部位，結構模型的剛度大于5×105N/m，用驅動裝置推動在一端開有缺口的冰槽及里面的冰板勻速向樁柱擠壓，樁柱穿過冰槽開有的缺口及里面的冰板。
3.如權利要求1或2所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗方法，其特征在于用安裝在剪力墻上的液壓加載裝置推動在一端開有缺口的冰槽及里面的冰板。
4.一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，包括低溫室、結構模型、冰板、驅動裝置、傳感器等，其特征在于，結構模型固定安裝在低溫室的地面上，冰板在一個冰槽里，冰槽與驅動裝置相連接，并安放在支撐架上，支撐架安裝在地面，上端裝有導軌，冰槽與導軌動配合；冰槽在靠近結構模型一端的側面和底面開有缺口，缺口的位置正對結構模型的受力部位，缺口的寬度大于結構模型受力部位的寬度，底部缺口沿導軌方向的長度大于實驗所需結構模型穿過冰板的距離。
5.如權利要求4所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，其特征在于結構模型的受力部位為結構模型頂端安裝的一個可以拆卸的樁柱，作為受力部位，實驗時使冰板作用于該樁柱。
6.如權利要求4或5所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，其特征在于驅動裝置是安裝在結構力學實驗室剪力墻上的液壓加載裝置，其驅動臂伸入低溫室，與冰槽相連接。
7.如權利要求6所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，其特征在于結構模型剛度大于5×105N/m。
8.如權利要求4或5所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，其特征在于冰槽的支撐架安裝在結構模型兩側的地面上，上端安裝兩條平行的導軌，其高度和實驗設定的結構模型受力部位一致，冰槽的底部兩側安裝滾輪。
9.如權利要求4或5所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，其特征在于冰槽靠近結構模型一端的缺口處裝有一個可開合的密封蓋。
10.如權利要求9所述的一種海洋平臺的冰荷載模型實驗裝置，其特征在于結構模型的上部質量處，選擇平行于振動方向的位置安裝拾振器、位移計，測量結構模型的加速度和位移，在冰槽和支撐架之間安裝測量冰速的位移計，在樁柱根部和結構模型連接處粘貼測量冰力的應變片組，在冰槽內安裝溫度傳感器。
全文摘要
本發明屬于海洋工程領域，涉及海洋平臺的冰荷載確定。該裝置的設計不僅應用了模型相似律理論，而且考慮了冰荷載引起結構振動的一系列理論觀點。本發明的技術方案是在實驗室內建造小型低溫室，在低溫室內安裝結構模型、盛放冰板用的冰槽、以及安放冰槽的支撐架，在低溫室外的剪力墻上安裝驅動裝置，用驅動裝置驅動冰槽，使冰板擠壓結構模型。與現有的冰池實驗裝置相比，該裝置的主要特點是采用驅動冰板作用于結構模型，其優點首先在于結構模型的剛度和上部質量很大，對冰荷載形成很好的控制作用，和真實海洋平臺的情況更相符；其次驅動裝置的驅動力很大，能夠保證冰板勻速運動，更符合真實海洋平臺冰荷載的工況；另外本發明的成本很低，耗能也大大降低。
文檔編號G01M99/00GK101086470SQ200610200518
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月5日 優先權日2006年6月5日
發明者岳前進, 時忠民, 郭峰瑋, 畢祥軍 申請人:大連理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
