[發明專利]一種用于模擬海洋環境載荷的裝置

有效

• 申請號: 201610952941.4
• 申請日: 2016-11-03
• 公開（公告）號: CN106500959B
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 閆天紅;王維剛;高騰;劉金梅;趙海峰;吳澤民
• 申請（專利權）人: 東北石油大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 大慶知文知識產權代理有限公司 23115
• 代理人: 李建華

1.一種用于模擬海洋環境載荷的裝置，包括導管架海洋平臺模型、寬度方向載荷模擬單元、長度方向載荷模擬單元、計算機系統、和伺服驅動器，其特征在于：

所述的導管架海洋平臺模型是由若干鋼管焊接而成的桁架結構，包括工作平臺(1)、導管腿(2)、拉筋(3)和樁基(4)；工作平臺(1)由甲板、梁和立柱組成，與導管腿通過焊接連接；拉筋(3)包括橫撐和斜撐，作為導管腿(8)之間的連接構件；樁基(4)是由鋼板和鋼結構焊接而成的箱體結構，上部與導管腿(8)通過螺栓連接，下部通過地腳螺栓與混凝土基礎連接；工作平臺的底層和導管架主體第一層之間的部分為飛濺區，為直接承受載荷的區域；

所述寬度方向載荷模擬單元包括寬度方向的反力架(5)和寬度方向的加載機構(6)，所述寬度方向載荷模擬單元的作用為沿寬度方向施加水平載荷；

所述的寬度方向的反力架(5)底部通過地腳螺栓與樁基混凝土固定連接，并通過焊接作用與樁基(4)固定連接，上部通過焊接作用與寬度方向的后端連接板固定連接，從而起到支持的作用；

所述的寬度方向的加載機構(6)包括后端連接板(10)、后端球鉸組件(12)、壓力傳感器(15)、作動器(16)、伺服電機(21)、位移傳感器(22)、前端球鉸組件(18)以及前端連接板(19)；所述的后端連接板(10)與寬度方向的反力架(5)固定連接，上面開有4個螺紋孔，通過4個內六角螺栓(11a)與后端球鉸組件(12)固定連接；后端球鉸組件通過1個雙頭螺桿(13)和消隙環(14)與壓力傳感器(15)固定連接；壓力傳感器(15)通過8個內六角螺栓與作動器(16)固定連接，其作用是檢測作用在導管架海洋平臺模型上的實際載荷信號，并將信號傳輸給伺服驅動器；位移傳感器(22)通過內六角螺栓與伺服電機固定連接，其作用是檢測作動器絲桿(17)的實際位移信號，并將信號傳輸給伺服驅動器；伺服電機(21)的旋轉運動通過同步帶轉化為作動器絲桿(17)的往復直線運動，進而實現非定常水平載荷的輸出；前端球鉸組件(18)通過作動器絲桿(17)連接在一起，在前端連接板(19)上開有4個螺栓孔，通過內六角螺栓(11b)與前端球鉸組件(18)固定連接在一起，同時，前端連接板(19)通過5個卡扣(20a)和20個內六角螺栓(11c)與導管架海洋平臺模型(7)固定連接，連接位置為寬度方向的飛濺區，將前端球鉸組件(18)調整為水平位置后，能夠實現作動器(16)輸出的非定常水平載荷傳遞到導管架海洋平臺模型(7)，并通過前端連接板(19)將單點作用力轉換為面作用力，從而施加在整個導管架海洋平臺模型的飛濺區；

所述長度方向載荷模擬單元包括長度方向的反力架(9)和長度方向的加載機構(23)；所述長度方向載荷模擬單元的結構組成與所述寬度方向載荷模擬單元相同，其作用是沿長度方向施加水平載荷；

所述計算機系統通過人機交互界面根據要求分別設定兩個通道的載荷參數和PID調節參數，所述載荷參數為波形、幅值、頻率和循環次數，然后將載荷參數和PID調節參數指令傳輸給所述伺服驅動器；所述計算機系統以曲線形式將所述伺服驅動器反饋的實際控制信號與給定信號出現在人機交互界面；

所述伺服驅動器通過電纜線為所述長度方向載荷模擬單元和寬度方向載荷模擬單元內的伺服電機提供電源；所述伺服驅動器接收計算機系統傳遞過來的參數指令，以控制兩個方向的伺服電機的轉數和扭矩；所述伺服驅動器通過電纜線接收所述長度方向載荷模擬單元和寬度方向載荷模擬單元內的位移傳感器和壓力傳感器傳輸過來的實際載荷信號和位移信號，并與給定信號進行比較得到偏差信號，通過PID調節得到控制信號，一方面再次將控制信號傳輸給所述長度方向載荷模擬單元和寬度方向載荷模擬單元內的伺服電機，進行補償調節，另一方面將控制信號傳輸給所述計算機系統；

所述長度方向載荷模擬單元和寬度方向載荷模擬單元內的伺服電機、壓力傳感器和位移傳感器通過電纜線分別與伺服驅動器的兩個通道相連，兩個通道又通過串口分別與所述計算機系統相連；所述計算機系統通過人機交互界面根據要求分別設定兩個通道的載荷參數和PID調節參數，然后將參數指令傳輸給伺服驅動器；所述伺服驅動器一方面通過電纜線為兩個方向的伺服電機提供電源，另一方面將計算機系統的參數指令通過A/D將數字信號轉換成模擬信號，控制兩個方向的伺服電機的轉數和扭矩，進而通過作動器實現非定常水平載荷的輸出，最終通過前端球鉸組件和前端連接板將非定常水平載荷在水平方向上施加在導管架海洋平臺模型上，并將單點作用力轉換為面作用力，從而施加在整個導管架海洋平臺模型的飛濺區；作用在導管架海洋平臺模型上的實際載荷信號或位移信號通過壓力傳感器或位移傳感器傳輸給伺服驅動器，伺服驅動器通過D/A將模擬信號轉換成數字信號，并將實際載荷信號或位移信號與給定信號進行比較得到偏差信號，通過PID調節得到控制信號，一方面再次通過A/D轉換，將控制信號傳輸給伺服電機，在小范圍內進行補償調節，另一方面將控制信號傳輸給計算機系統，以曲線形式將控制信號與給定信號出現在人機交互界面，根據兩者的擬合度評價該裝置模擬載荷的準確度，根據需要調整PID調節參數以得到最好的模擬載荷。