一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统和试验平台

本发明涉及船舶与海洋工程领域，具体涉及造波。

背景技术：

1、自20世纪以来，世界各国已有多种形式的海洋平台在极地服役，为人类的生存和发展提供了保障。但是极区海洋平台需要面对低温、海冰等复杂环境，同时一旦发生意外，不仅会带来经济损失，而且会对极地环境造成难以估量的破坏。其中海冰随风浪流作用产生漂移并与海洋平台作用发生挤压、弯曲、断裂、堆积等现象，进而产生的载荷称之为冰荷载，其破坏能力要远远高于其它环境荷载。当海冰碰撞的激振频率与平台的固有频率接近时，容易诱发共振作用，进而影响平台的安全运行。

2、目前，极区海洋平台主要通过加装破冰锥或者斜面等抗冰性结构提高其作业安全性和稳定性。大块浮冰与这些结构接触就会发生弯曲破坏，从而使其变成小块碎冰，减小对海洋平台的冲击。但是诸多碎冰堆积在海洋平台附近，同时不断与之发生碰撞，最终可能会导致结构疲劳破坏。除此之外，当浮冰尺寸较大时，可能会超过这些被动式抗冰结构的承载上限。总之有必要设计一种主动式抗冰结构，面对不同的海冰条件，采取不同的应对策略。其中柱塞式造波装置可以通过控制柱塞垂直运动产生所需的目标波形，当海冰在波浪作用下其应变超过极限应变时，海冰就会发生破碎并被波浪排开，从而远离海洋平台。

技术实现思路

1、为解决海冰不断碰撞海洋平台从而导致平台结构疲劳破坏的问题，本发明提供了如下方案：

2、一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，所述系统包括：半球型柱塞、驱动装置和控制系统；

3、所述驱动装置中包括执行机构；

4、所述控制系统发送脉冲信号给所述驱动装置；

5、所述驱动装置根据所述脉冲信号控制执行机构运动；

6、所述执行机构带动所述半球形柱塞做直线往复运动；

7、所述半球形柱塞的末端为半球形外壳。

8、进一步，所述半球形塞柱还包括：两个支撑板和传动杆；

9、所述两个支撑板均固定于半球形外壳内部；

10、所述两个支撑板相互平行，所述两个支撑板同轴；

11、所述两个支撑板都为十字形板件；

12、所述两个支撑板都与所述半球型外壳的内侧壁焊接固定；

13、所述传动杆与所述半球形外壳同轴；

14、所述传动杆穿过所述两个支撑板且与所述两个支撑板固定连接；

15、所述传动杆的末端与所述半球型外壳内部固定连接。

16、进一步，所述半球型柱塞还包括：8个加强筋；

17、所述8个加强筋依次焊接固定在所述两个支撑板与所述球型外壳的8个结合处。

18、进一步，所述半球型柱塞还包括：连接法兰盘；

19、所述连接法兰盘用于将传动杆与支撑板固定连接。

20、进一步，所述驱动装置还包括：伺服电机和驱动器；

21、所述执行机构的活动部件为活塞杆；

22、所述活塞杆用于连接所述伺服电机的动力信号输出端与所述半球形柱塞，驱动所述半球形柱塞做直线往复运动；

23、所述伺服电机内部配有编码器，所述编码器，用于采集所述伺服电机的旋转角度和转速信息，并将所述旋转角度和转速信息发送所述驱动器；

24、所述驱动器用于将接收的旋转角度和转速信息作为pid控制算法的反馈参数，将所述脉冲信号作为pid控制算法的输入参数，获得驱动信号，并将所述驱动信号发送给伺服电机。

25、进一步，所述控制系统包括：限位磁性传感器、原点磁性传感器、可编程逻辑控制器和上位机；

26、限位磁性传感器，用于检测活塞杆是否达到限位位置，并将检测结果发送给可编程逻辑控制器；

27、原点磁性传感器，用于检测活塞杆是否达到原点位置，并将检测结果发送给可编程逻辑控制器；

28、所述上位机，用于将给定的脉冲信号的占空比和频率的信息发送给所述可编程逻辑控制器；

29、所述可编程逻辑控制器，用于根据接收到的脉冲信号的占空比和频率的信息产生脉冲信号发送给所述驱动器。

30、一种用于破冰和排冰的试验平台，所述平台包括：造波系统和数据采集系统；

31、所述采集系统包括：波浪信息采集装置、应变信息采集装置、运动轨迹测量装置和电脑；

32、所述波浪信息采集装置，用于实时采集波高信息，并将所述波高信息发送给电脑；

33、所述运动轨迹测量装置，用于实时采集漂浮冰的位移信息，并将所述位移信息发送给电脑；

34、所述应变信息采集装置中包含模型冰，所述应变信息采集装置用于实时采集所述模型冰的应变信息，并将所述应变信息发送给给电脑；

35、所述电脑，用于对收到的所有信息进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，分析所述频域信号的波幅和周期；当所述波幅小于预期时，产生造波调整信号给造波系统中的控制系统；

36、所述控制系统，用于根据所述造波调整信号调整脉冲信号。

37、进一步，所述应变信息采集装置还包括：应变片和应变测量仪；

38、所述应变片紧密贴合固定在所述模型冰的表面；

39、所述应变测量仪用于采集所述应变片的形变，并将采集结果转换成所述模型冰的应变信息发送给所述电脑。

40、进一步，所述波浪信息采集装置包括浪高仪和数字信号采集仪；

41、所述浪高仪用于采集浪高信息，并将所述浪高信息发送给所述数字信号采集仪；

42、所述数字信号采集仪用于将所述浪高信息转换成之后发送给所述电脑。

43、进一步，所述运动轨迹测量装置采用摄像机实现；

44、所述摄像机用于实时采集实验区域的图像信息，并将所述图像信息发送所述电脑；

45、所述电脑用于根据获得的实时图像信息进行分析获得漂浮冰位移信息。本发明的有益效果为：

46、1.采用柱塞式造波方式，实现了全向环形造波。与其他造波方式相比，不仅可以有效破冰，还能使破碎后的浮碎冰远离海洋平台，避免发生二次碰撞，减小冰激振动的危害。

47、2.将造波系统与信息采集系统放置在同一框架下，从而实现了试验设备与测量仪器的结合，有效简化了试验中的操作步骤与调试难度。

48、3.通过波浪信息的反馈，可以实现造波的精度控制，做到闭环控制。

49、4.结合浪高仪、视频采集系统及分析软件可以对冰波间的相会作用展开研究，通过浪高仪对分析软件的结果进行校验，而视觉分析软件的结果又可以填补浪高仪未采集部分的空白，有效扩大研究范围。

技术特征：

1.一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，其特征在于，所述系统包括：半球型柱塞、驱动装置和控制系统；

2.根据权利要求1所述的一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，其特征在于，所述半球形塞柱还包括：两个支撑板(2)和传动杆(5)；

3.根据权利要求2所述的一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，其特征在于，所述半球型柱塞还包括：8个加强筋(3)；

4.根据权利要求2所述的一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，其特征在于，所述半球型柱塞还包括：连接法兰盘(4)；

5.根据权利要求1所述的一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，其特征在于，所述驱动装置还包括：伺服电机(7)和驱动器(12)；

6.根据权利要求5所述的一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，其特征在于，所述控制系统包括：限位磁性传感器(10)、原点磁性传感器(11)、可编程逻辑控制器(13)和上位机(14)；

7.一种用于破冰和排冰的试验平台，其特征在于，所述平台包括：造波系统和数据采集系统；所述造波系统是权利要求1所述的一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统

8.根据权利要求7所述的一种用于破冰和排冰的试验平台，其特征在于，所述应变信息采集装置还包括：应变片(16)和应变测量仪(17)；

9.根据权利要求7所述的一种用于破冰和排冰的试验平台，其特征在于，所述波浪信息采集装置包括浪高仪(19)和数字信号采集仪(20)；

10.根据权利要求7所述的一种用于破冰和排冰的试验平台，其特征在于，所述运动轨迹测量装置采用摄像机(21)实现；

技术总结
一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统和试验平台，涉及船舶与海洋工程领域，具体涉及造波技术领域。为解决海冰不断碰撞海洋平台从而导致平台结构疲劳破坏的问题，本发明提供了如下方案：一种用于破冰和排冰的柱塞式造波系统，所述系统包括：半球型柱塞、驱动装置和控制系统；所述驱动装置中包括执行机构；所述控制系统发送脉冲信号给所述驱动装置；所述驱动装置根据脉冲信号控制执行机构运动；所述执行机构带动所述半球形柱塞做直线往复运动；所述半球形柱塞的末端为半球形外壳。本发明适用于在极地进行破冰排冰并验证破冰排冰效果。

技术研发人员：汪春辉,刘文,王超,郭春雨,韩阳,郑鑫,王嘉安,魏豪,肖润山
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21