内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统

技术领域

本发明涉及海上浮式结构试验设备技术领域，具体涉及一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统。

背景技术

海洋内波是发生于海水表面以下的一种波动形式，是一种重力波，或称为内惯性重力波。近几十年，各国专家学者通过实测或遥感手段观测发现，内波在海洋当中是一种非常常见的自然现象。海洋中内波的波长范围一般从几百米到几十千米不等，周期从几分钟到几小时不等。在连续分层的海水当中，冷水、热水或淡水、盐水产生的密度梯度通常来说比较小，但正是由于这种密度梯度很小，引起分层界面上海水粒子的垂向运动所需的扰动就很小。简单来讲，船行驶的扰动就可能在海水密度分层的海域形成内波，也正是由于形成内波需要的扰动很小，内波的振幅通常会比表面波大很多，一般从几米到上百米不等，目前观测的最大内波振幅为180m。

内波引起的海水垂向运动对于海洋中能量输运至关重要，它能将海洋上层的能量传至深层，又把深层较冷的海水连同营养物质带到较暖浅层，促进海洋生物的繁衍生息。内波导致海水等密度面的波动，影响声速的大小和方向均匀性，对声呐的影响极大，这也有利于潜艇在水下的隐蔽。但是，内波也有其有害的一面，内波与表面波一样，会对海上设施造成影响，内波对船只航行和潜艇航行也都有着明显的影响，尤其是内孤立波。内孤立波的波长范围从几十千米到几百千米不等，非线性特征非常强，变化周期在几个小时，空间尺度为几百米到几千米不等。普遍认为，内孤立波会对海洋平台造成一定程度的影响，由于内孤立波波致流速上下层相反的缘故，往往会对海洋平台的立管、立柱产生强大的剪切力致使其损坏或者失效，由于内孤立波波致流速较大，也很有可能造成平台的倾斜、倾覆，产生严重后果。

2012年中国“海洋石油981”平台投入使用，标志着中国具备了3000m超深海进行勘探开发海洋油气的能力，中国在南海的海洋石油开采部署也不断增多，未来10年，中国将加大领海区域内的油气资源，重点开发深度大于500m的深海和超深海域。而诸如南海在内的深海海域，由于海水密度层化，表面潮汐和内潮由深海向浅海行进过程中，受到南海吕宋海峡海堤丘陵地形影响，很容易形成振幅较大的内孤立波，从而对海洋石油的开采作业造成一定的危险。1987年，研究团队在设计流花海洋石油平台时，遭遇到了强大的内孤立波，造成了正在安装当中的平台损坏。2006年，Discoverer534平台进行固井作业时遭遇内波，强大的内波流致使平台横向位移过大，紧急解脱程序启动，导致固井失败。2013年南海自营深水井钻井平台作业期间遭遇强大内波，致使平台漂移49m。而且内波不像表面波和台风等气象灾害那么容易观测，往往是即将发生或发生过后才被察觉。这也使得研究内波对海洋平台运动响应的影响变得尤为重要。

浮式结构在内孤立波和锚链单元共同作用下会发生六自由度运动响应，传统试验方法难以捕捉平台的运动特性以及锚链单元实时的作用力，目前对于内孤立波作用下浮式结构运动响应的实验研究几乎为零，已有的研究多为固定平台模型的受力实验及理论计算。比如，大连理工大学的宋志军对内孤立波作用下浮式结构运动响应进行了理论分析，上海交通大学的尤云祥等对内孤立波作用下浮式结构受到的波浪力进行了实验探究，但对于内孤立波作用下浮式结构响应的试验研究鲜有报道。

鉴于目前的研究和实验设备不够完善，而研究浮式结构在内孤立波作用下的运动响应又十分重要。因此，为解决浮式结构在内孤立波作用下平台运动形式的模拟、记录以及锚链力测量的技术问题，研究浮式结构在内孤立波作用下的运动响应，亟待提出一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统。

发明内容

本发明为在实验环境下研究浮式结构在内孤立波作用下平台运动响应问题，提出一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统，包括实验槽、浮式结构模型、运动响应记录单元、锚链单元以及锚链测力单元，所述运动响应记录单元设置在浮式结构模型的重心处，浮式结构模型与锚链单元相连以实现对其固定，锚链测力单元与锚链模型相连；

所述浮式结构模型从上至下依次包括平台主体模块、运动响应记录单元安装模块和配重模块，平台主体模块、运动响应记录单元安装模块和配重模块之间通过螺纹密封连接，三者模块化设计，易于组合安装，方便调整配重；

所述运动响应记录单元包括微处理器以及与微处理器相连的微电子陀螺仪、微电子加速仪、无线传输模块和电源模块，微电子陀螺仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横摇、纵摇和艏摇信息，所述微电子加速仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的横荡、纵荡和垂荡及其三向受力信息，所述体坐标系的原点位于浮式结构模型的重心位置，沿内孤立波的传播方向为Xt轴，铅垂方向竖直向上为Zt轴，Yt轴根据右手定则确定，微电子陀螺仪和微电子加速仪将采集的信息传输至微处理器进行预处理，获得浮式结构模型的运动姿态数据，然后经无线传输模块上传至上位机进行数据记录及处理分析，并获得运动响应结果，采用微电子传感器和无线模块组合，即能够高精度记录浮式结构模型运动情况，又能够实时无线传输运动信号；

所述锚链单元包括锚链模型以及重力坠物，所述锚链模型用以模拟实际锚链受力，所述重力坠物采用铅块，以模拟锚链的锚固连接；所述锚链测力单元包括光纤布拉格光栅连接线和光纤光栅解调器，所述光纤布拉格光栅连接线的一端与锚链模型相连，另一端与光纤光栅解调器相连，以通过光纤光栅解调器测量锚链模型中传播的波长变化，运用光纤布拉格光栅对于应变敏感的特性，根据应力应变的关系特性计算出锚链所受的拉应力。

进一步的，所述锚链模型采用光纤光栅，光纤光栅的表面设置有涂覆层，所述涂覆层采用柔性材料制作，据不同的涂覆材料和涂覆厚度，加工后的带有涂覆层的光纤光栅可以满足更多的锚链应力测量实验要求。

进一步的，所述锚链模型采用柔性材料制作以模拟实际锚链受力状态，锚链模型的表面嵌设有光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅沿锚链模型的长度方向设置，并沿锚链模型的圆周方向均匀布设有多根。

进一步的，所述柔性材料为尼龙、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯，以增加其杨氏模量，从而达到增加应力测量范围的效果。

进一步的，所述光纤布拉格光栅从内至外依次包括光纤、内包裹层和外包裹层，沿光纤长度方向等间距布设有光栅，锚链模型受力产生应变，光栅之间的间距变大，对反射波的波长也会发生变化，通过锚链测力单元将中心波长的变化趋势传输至光纤光栅解调器，可以得出锚链模型由于受力产生的应变，根据应力应变转化关系可以得出锚链受到的应力，而且能够通过多根光纤布拉格光栅的不同应变计算出锚链的弯曲形变。

进一步的，所述光纤上设置有多段光栅，用带有多段光栅的光纤作为锚链测力元件就可以测量锚链上的受力分布。

进一步的，所述实验槽中的内孤立波通过重力塌陷法制取，为了消除内孤立波在碰到实验槽末端固壁时产生反射波，在实验槽内还设置有消波装置，以保证实验的正常进行。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明所提出的方案包括浮式结构模型、运动响应记录单元、锚链单元以及锚链测力单元，可以实时记录内孤立波作用下浮式结构模型的运动响应和锚链受力情况，其中，浮式结构模型包括平台主体、运动测量装置安装部分和配重，各部分之间相互独立，方便安装运动测量装置，增减配重也比较便捷；运动响应记录单元采用微电子陀螺仪和微电子加速度计结合，具有测量精度高、体积小，成本低的优势，不仅能够准确的测得浮式结构的运动响应，而且，可以通过对平台所受加速度进行分析获得平台所受合力；另外，通过光纤布拉格光栅进行锚链测力，不仅可以得到锚链受力的分布特征，还能够通过光纤布拉格光栅应力应变的不同获得锚链各部分受力情况以及锚链的弯曲情况，对于浮式结构的稳定性研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例所述实验系统的结构示意图；

图2为图1中浮式结构模型的结构示意图；

图3为图1中光纤布拉格光栅连接线的横截面示意图；

图4为图3中光纤布拉格光栅的结构示意图；

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例，一种内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统，如图1所示，图1中5表示上层水体，6表示下层水体，7表示内孤立波，为了保证实验的正常进行，避免实验结果受内孤立波在实验槽中来回反射的影响，在实验槽9内还设置有消波装置8，以消除内孤立波在碰到实验槽9末端固壁时产生反射波。具体的，该模拟实验系统包括浮式结构模型1、运动响应记录单元2、锚链单元3和锚链测力单元4，运动响应记录单元2设置在浮式结构模型1的重心处，浮式结构模型1与锚链单元3相连，以实现对其固定，所述锚链测力单元4与锚链单元3相连；如图2所示，所述浮式结构模型1从上至下依次包括平台主体模块11、运动响应记录单元安装模块12和配重模块13，平台主体模块11、运动响应记录单元安装模块12和配重模块13之间通过螺纹连接，三者模块化设计，易于组合安装，方便调整配重，连接后的浮式结构模型1满足防水要求，且浮式结构模型能够浮于水面，其重心通过调整配重模块达到与实际平台重心缩放位置重合的效果，且浮式结构模型的吃水深度与实际平台吃水深度比例缩放位置也吻合，以保证实验数据的参考价值。

其中，运动响应记录单元2包括微处理器以及与微处理器相连的微电子陀螺仪、微电子加速仪、无线传输模块和电源模块，微电子陀螺仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的转动信息，即浮式结构模型的横摇、纵摇和艏摇信息；所述微电子加速仪用以采集体坐标系下浮式结构模型的平移运动及受力情况，即浮式结构模型的横荡、纵荡和垂荡及其三向受力。微电子陀螺仪以及微电子加速度仪所测得的原始数据分别为角加速度和线加速度，如果想要得到角度以及位移信息，必须对原始数据进行加工和处理，即微电子陀螺仪和微电子加速仪将采集的信息传输至微处理器进行预处理，获得浮式结构模型的运动姿态数据，然后经无线传输模块上传至上位机进行数据记录及处理分析，并获得运动响应结果。

所述锚链单元3包括锚链模型32以及重力坠物31，所述锚链模型32采用光纤光栅(包括光纤和光栅，沿光纤长度方向的局部等间距布设有光栅)，并在光纤光栅的表面设置涂覆层，以增加其杨氏模量，从而达到增加应力测量范围的效果。根据不同的涂覆材料和涂覆厚度，加工后的带有包覆层的光纤光栅可以满足更多的锚链应力测量实验要求，以保证其柔性足够大、且具备一定的强度、刚度和耐疲劳度，所述涂覆层采用满足要求的柔性材料制作，比如，尼龙、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯等，所述重力坠物31采用铅块，以模拟锚链在海底的锚固连接；所述锚链测力单元4包括光纤布拉格光栅连接线41和光纤光栅解调器42，所述光纤布拉格光栅连接线41的一端与锚链模型相连，另一端与光纤光栅解调器42相连，光纤光栅解调器用以测量光纤中传播的波长变化。

另外，为了测量锚链弯曲情况，还可将锚链模型设置成如下形式：在锚链模型采用满足要求的柔性材料制作，并在其表面嵌设光纤布拉格光栅44，如图3和图4所示，所述光纤布拉格光栅44沿锚链模型32的长度方向设置，并沿其周向均匀布设有多根，本实施例优选采用三根光纤布拉格光栅44，光纤布拉格光栅44嵌设在锚链模型的表面，所述光纤布拉格光栅44在本方案中经过特殊设计，如图4所示，光纤布拉格光栅44从内至外依次包括光纤48、内包裹层47和外包裹层45，沿光纤48长度方向等间距布设有光栅46。由于光纤布拉格光栅一般用于测量物体应变，本实施例中通过对其进行应力标定实验来确定光纤布拉格光栅的应力应变特性，根据其应力应变特性最终将测得的应变结果转化为应力结果，当锚链模型32受力产生应变，光栅46之间的间距变大，对反射波的波长也会发生变化，通过锚链测力单元将中心波长的变化趋势传输至光纤光栅解调器42，可以得出锚链模型由于受力产生的应变，根据应力应变转化关系可以得出锚链受到的应力。

从图4可以看出，在同一段光纤48上可携带多段光栅46，用带有多段光栅的光纤作为锚链测力元件就可以测量锚链上的受力分布。

另外，本实施例中，通过运动响应记录单元对其进行运动响应分析时，由于微电子加速度仪所测得的基础数据为加速度，因此想要得到平台运动的位移信息，必须对加速度时间序列进行两次数值积分，积分过程中产生的误差通过特定的数值算法进行修正，以期得到较为准确的位移信息。随后，还可通过坐标变换，将体坐标系下的位移信息转换为大地坐标系下的位移信息，所述大地坐标系和体坐标系分别用Xg、Yg、Zg和Xt、Yt、Zt表示，其中，大地坐标系原点位于实验槽底部一角，沿内孤立波的传播方向为Xg轴，铅垂方向竖直向上为Zg轴，Yg轴根据右手定则确定，这样实验槽内各点大地坐标均为正值，便于随后的计算。体坐标系的原点位于浮式结构模型的重心位置，初始状态时同样沿内波传播方向为Xt轴，沿铅垂方向竖直向上为Zt轴，Yt轴可根据右手定则确定，在试验过程中，体坐标系会随着浮式结构模型一起运动。

坐标转换公式为：

式中，x_g，y_g，z_g分别为大地坐标系纵向、横向和垂向，ψ为艏摇角，θ为纵摇角，φ为横摇角，x_t，y_t，z_t为体坐标系下的纵向、横向和垂向。

微电子陀螺仪所记录的原始数据为体坐标系下的角加速度，需进行两次数值积分方可得到浮式结构模型的姿态角度变化，数据处理方法同微电子加速仪，但无需进行坐标变换，具体分析如下：

1.数值滤波，采用FIR滤波过滤信号噪声：

(1)FIR(有限冲激响应)滤波器的设计

将输入序列表示为x_k，输出数据表示为y_k，则FIR数字滤波器的输入输出差分方程，即输入输出之间的关系可以表示为：

其中，h_n是一组转换系数，即滤波器的权函数：n为序数，L是滤波器的长度。

数字滤波器窗函数的设计法又称为傅里叶级数法，一般是先给定所要求的理想滤波器的响应频率H_d(e^jω)，设计一个FIR滤波器频率响应来逼近H_d(e^jω)。但设计是在时域进行的，因此，先由H_d(e^jω)的傅里叶反变换导出h_d(n)：

因为是矩形频率特性，故h_d(n)一定是无限长序列，而FIR滤波器中，h(n)必然是有限长的，因此用有限长的h(n)来逼近无限长的h_d(n)，最有效的办法是截断h_d(n)，或者说用一个有限长度的窗函数序列h_d(n)来截取，两者关系可表示为：

h(n)＝w(n)h_d(n)

(2)本实施例所述的分析方法中可采用的窗函数有：

矩形窗

w(n)＝R_N(n)

三角形窗

汉宁窗

海明窗

(2)对加速度值进行积分处理以获得位移信息：

定义微电子陀螺仪所测得加速度信号为a(t)，则对其进行一次时域积分得到速度信号，表达式为

加速度经过两次时域积分可以得到位移信号：

式中的v₀和s₀分别为被测浮体在时间为零的时刻的速度和位置，v(t)和s(t)为被测浮体的速度和位移，V(t)和S(T)为速度和位移的原函数。

(3)对积分结果进行去趋势化处理，降低数值积分误差：

在实际测量过程中，不可避免的会产生误差项ε，所以带有误差项的加速度信号为：

a(t)＝a_real(t)+ε

对其进行两次时域积分可分别得到包含误差项的速度信号和位移信号：

式中δ和η为误差项经过积分后产生的常量，第一次时域积分产生的误差趋势项为(εt+δ)+v₀；在第二次时域积分时产生的误差趋势项为

本方案中采用多项式来拟合趋势项，进而消除加速度信号在积分过程中产生的误差扩大现象，依据复合梯形公式来对原始加速度信号进行数值积分，定义如下：

v(i)＝v(i-1)+[a(i)+a(i-1)]/(2f_s)(i＝1，2，...n-1；v₀)

因此一次趋势项可表示为：

ε(i/f_s)+(δ+v₀)

位移信号可表示为：

s(k)＝s(k-1)+[v(k)+v(k+1)]/(2f_s)(k＝1，2，...n-1；s₀＝0)

进而推导出二次误差趋势项表达式：

ε(i/f_s)²/2+(δ+v₀)(i/f_s)+(η+s₀)

数值积分得到速度和时间据点为(t_i，v_i)(i＝0，1，2...n-1)。

假设拟合多项式为：

式中p_k为多项式的系数；为所有次数不超过m的多项式组成的函数集合，为此，需要求出p_k，并使得拟合多项式达到最小：

令

可得通过对矩阵求解可得进行一次积分可得其中t＝i/f_s(i＝0，1，2，...，n-1)，因此可解得：

由此可得拟合趋势项f₁(t)＝p₁t+p₀，消除趋势项后可得较好的数据信号。同理，进行二次时域积分产生的二次趋势项为f₂(t)＝p₂t²+p₁t+p₀，通过求解线性方程组即可得到多项式系数解。

具体实施时，实验槽9中内孤立波7通过重力塌陷法制取，当内孤立波7传播至浮式结构模型1处会引起较大的流速场和密度场的变化，浮式结构模型1随着内孤立波的流场进行耦合运动；内孤立波作用下浮式结构模型的耦合运动形式通过运动响应记录单元采集记录，通过上位机的基于所采集数据的分析处理获得其耦合运动状态信息，并结合光纤布拉格光栅进行锚链测力，不仅得到锚链受力的分布特征，还能够通过光纤布拉格光栅应力应变的不同了解锚链的弯曲情况，有效解决浮式结构在内孤立波作用下平台运动形式的模拟、记录以及锚链力测量的技术问题，该实验系统的构建及实施对于浮式结构的稳定性研究具有重要意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，本方案所述的实验系统也可以用于其他浮式结构物的运动模拟和记录，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。