专利名称：主动式海洋平台混合模型试验的实现方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验实现方法，具体的说，是一种主 动式海洋平台混合模型试验的实现方法。
技术背景深海平台系统技术复杂、投资大、风险高，如何比较正确地获得其在严酷海洋 环境下的运动、受力以及甲板是否上浪等技术性能十分重要，这些性能参数是决定 和设计海洋平台结构及其系泊、立管等相关系统的重要依据。海洋工程界仍然一致 认为物理模型试验的结果最为可靠，并以此作为设计、建造海洋平台的最终定夺。 海洋平台的物理模型试验都是在能够模拟海洋环境的海洋工程水池中迸行的，而系 泊缆的长度又受到水池尺度的限制。在进行物理模型试验时可用，先用数值计算海 洋平台模型在给定海洋环境条件下的运动和受力，再将系泊缆截断，使用专门办法 根据理论计算结果对截断处缆绳的运动进行模拟，这样可以用尺寸较大的模型在海 洋工程水池中进行试验。目前而言，采用的混合模型试验方法主要有二种第一种形式称为被动式混合 模型试验，仅采用被动式水深截断系统进行模型试验。尽管能够很好地模拟静力特 性，但最大缺点是不能恰当地模拟系泊系统和立管系统的动力特性和阻尼，在实际 水深和截断水深差别较大时，试验结果与实际情况将存在很大差异。为弥补此缺陷， 在被动式水深截断系统试验的基础上，引入了后处理数值计算分析方法，这是混合 模型试验方法的第二种形式，可简称为"被动截断+数值模拟"方法。该系统应用水深 截断试验得到的数据和结果，在数值计算软件中进行数值重构和校验，然后数值外 插到实际水深，计算得到实际全水深系统的动力特性。经对现有技术的文献检索发现，张火明等在《海洋工程》2006年第四期第1页上发表的"等效水深截断的深海平台混合模型试验方法研究"，该文中提出"被动截断+数值模拟"方法，进行了截断水深系统和全水深系统模型试验，并进行了相应截断 水深试验的数值重构和全水深系统的数值，具体方法为1)根据全水深的锚泊系统 特性对截断水深的锚泊系统进行静力特性的优化模拟。2)对海洋平台模型配置模拟 的锚泊系统，在截断水深下进行不规则波作用试验，测量海洋平台运动和锚泊线的 受力。3)由于对截断水深锚泊系统的模拟只满足了静力特性，为此要进行截断水深 情况下数值的多次迭代试算并与模型试验结果比较，目的在于选取相关的水动力系 数和系统的动力特性数据。4)根据上述选取的水动力系数和锚泊系统的动力特性数 据，对全水深的海洋平台系统在不规则波作用下用数值计算方法求得深海平台的运 动和锚泊线的受力。其不足之处在于这种方法需要相当可靠的多系统耦合数值计 算软件和数值外推方法做支撑，是相当困难的。此外，实际所需要的全水深系统的 动力特性不是通过直接的模型试验手段获得，因此其可信度不高。 发明内容本发明的目的是针对背景技术中存在的不足，提供一种主动式海洋平台混合模 型试验的实现方法，直接通过模型试验获得实际所需要的全水深系统的动力特性， 较好的解决了"被动截断+数值模拟"方法中的问题，提高了混合模型试验的可靠度。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法如下按水池所能模拟的水深 和海洋平台工作的实际水深，确定一个縮尺比和截断水深，先用数值计算深海平台 模型在给定海洋环境条件下的运动，由于悬链系泊缆的运动和会影响到平台的运动， 而系泊缆的长度又受到水池尺度的限制。在混合模型试验中时，可将系泊缆截断， 其截断处缆绳的运动可用一套机构进行实时模拟，该机构由实时计算机运动控制系 统根据理论计算结果进行模拟。本发明方法具体包括如下步骤-步骤一根据试验水池所能模拟的水深和海洋平台工作的实际水深，选取截断 水深，并确定縮尺比；步骤二利用海洋平台系统的基本特征和海洋平台系统在实际工作中所受的海 洋环境条件，对实际工作中的海洋平台在全水深时在单位波高规则波作用下进行水 动力分析，可得到海洋平台频域下的水动力参数数据库，其中包括各个频率下的附 加质量和阻尼系数，二阶平均波浪力和二阶平均波浪力传递函数，借助卡明斯理论，根据计算得到的频域下水动力参数数据库，通过频域转时域的方法，利用荷兰MARIN 水池开发的DYFLOAT软件，建立海洋平台时域模拟的运动方程，并加入环境条件和系 泊缆，来模拟实际工作中海洋平台系统的运动，获得截断水深处系泊缆的运动信息， 即纵摇(X方向)、横摇(Y方向)、垂荡(Z方向)的运动时历；步骤三根据步骤一中选取的縮尺比和截断水深，制作混合模型试验中所需的 截断式海洋平台模型，并确定其试验中的模拟海洋环境条件。步骤四将步骤二中得到的截断水深处系泊缆的运动信息，按照已定的縮尺比， 转化为混合模型试验中系泊缆截断部分的运动信息；步骤五在试验水池中制造步骤三中所述的模拟海洋环境条件，与此同时，将 步骤四中所述的系泊缆模型截断部分运动时历输入实时计算机运动控制系统，先转 变为脉冲信号，脉冲信号驱动伺服电机，带动丝杆机构运动，丝杆的转动带动丝杆 上滑块的运动，滑块和系泊缆截断部分相连，完成混合模型试验中系泊缆截断部分 的运动，进行主动式海洋平台混合模型试验。本发明具有实质性特点和显著进步，通过直接的模型试验手段获得法实际所需要的全水深系统的动力特性，不需要可靠的多系统耦合数值计算软件和数值外推方 法做支撑，简单易行，可信度极高，较好的解决了"被动截断+数值模拟"方法中的问 题。
图l截断水深处系泊缆运动计算模拟流程图；图2截断水深处系泊缆运动信息；其中，图(a)为截断水深处X方向运动时历， 图(b)为截断水深处Y方向运动时历，图(c)为截断水深处Z方向运动时历； 图3主动式海洋平台混合模型试验流程图；图4系泊缆模型截断部分运动的模拟结果。图(a)为截断水深处X方向运动时 历模拟，图(b)为截断水深处Y方向运动时历模拟，图(c)为截断水深处Z方向运 动时历模拟.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围 不限于下述的实施例。6步骤l:根据海洋平台工作的实际水深11。=1500米，试验水池所能模拟的水深H^4.0米，选取截断水深H^400米，确定一个縮尺比 /"i ;步骤2:如附图2所示，利用三维势流理论的基本原理，采用上海交通大学海洋 工程国家重点实验室购买的荷兰MARIN公司研发的DIFFRAC软件对实际工作中的海 洋平台在全水深时在单位波高规则波作用下进行水动力分析，可得到海洋平台频域 下的水动力参数数据库，其中包括各个频率下的附加质量和阻尼系数，二阶平均波 浪力，二阶平均波浪力传递函数； -步骤3:借助卡明斯理论，通过频域转时域的方法，将步骤2计算得到的频域下 水动力参数数据库转化为时域下的水动力参数库，包括附加质量、阻尼系数、二阶 波浪力时历，加入海洋环境条件，建立海洋平台时域模拟的数值模型，该模型包括 海洋平台、全水深系泊系统。输入海洋环境条件(风、浪、流)时历，DYNFLOAT就可 以根据需要输出海洋平台的运动时历，系泊缆的顶端张力时历等。对于本发明，设 置参数，使DYNFLOAT输出每根系泊缆截断点出的三维运动时历， 即获得截断水深H^400米处系泊缆的运动信息，即纵摇(X方向)、横摇(Y方向)、垂 荡(Z方向)的运动时历，模拟总时间为3600秒，时间步长为0.25秒，如附图3所示的 截断水深处系泊缆的运动信息；步骤4:如图4所示，根据步骤1中选取的縮尺比A，将海洋环境条件、海洋平台 尺寸、截断水深400米以上的系泊缆及其运动时历，转化为主动式海洋平台混合模型 试验所需要的模拟海洋环境条件、海洋平台模型尺寸、系泊缆截断模型及其截断部 分运动时历，并制作海洋平台模型和系泊缆截断模型；步骤5:在试验水池中制造上述模拟海洋环境条件，与此同时，将上述系泊缆模 型截断部分运动时历输入实时计算机运动控制系统(采用现有技术，包括硬件和软 件两大部分，硬件是能够模拟截断点三维运动的伺服机构，包括三个交流伺服电机 及其他配套部件。软件能够根据输入的三维运动时历实时生成三个交流伺服电机运 动所需要的脉冲信号和控制信号)，先转变为脉冲信号，脉冲信号驱动伺服电机， 带动丝杆机构运动，丝杆的转动带动丝杆上滑块的运动，滑块和系泊缆截断部分相 连，完成混合模型试验中系泊缆截断部分的运动，进行主动式海洋平台混合模型试验，如附图4所得到主动式海洋平台混合模型试验中最重要的系泊缆模型截断部分运 动的模拟结果，分别比较图2- (a)和4- (a)、 2_ (b)和4_ (b)、 2- (c)和4_ (c)，将计算模拟软件计算出来的结果除以縮尺比2，就可以看出此系泊缆模型截断部分 运动的模拟结果很好的符合了由计算模拟软件计算出来的结果，这种主动式海洋平 台混合模型试验的实现方法通过直接的模型试验手段获得法实际所需要的全水深系 统的动力特性，不需要可靠的多系统耦合数值计算软件和数值外推方法做支撑，简 单易行，可信度极高。
权利要求
1. 一种主动式海洋平台混合模型试验的实现方法，其特征在于，按水池和海洋平台实际情况确定一个缩尺比和截断水深，先用数值计算深海平台模型在给定海洋环境条件下的运动，在混合模型试验中时，将系泊缆截断，其截断处缆绳的运动用一套实时计算机运动控制系统根据理论计算结果进行模拟。
2、 根据权利要求l所述的主动式海洋平台混合模型试验的实现方法，其特征是， 包括如下步骤步骤一根据试验水池所能模拟的水深和海洋平台工作的实际水深，选取截断 水深，并确定縮尺比；步骤二利用海洋平台系统的基本特征和海洋平台系统在实际工作中所受的海 洋环境条件，来模拟实际工作中海洋平台系统的运动，获得截断水深处系泊缆的运 动信息，即纵摇、横摇、垂荡的运动时历；步骤三根据步骤一中选取的縮尺比和截断水深，制作混合模型试验中所需的 截断式海洋平台模型，并确定其试验中的模拟海洋环境条件；步骤四将步骤二中得到的截断水深处系泊缆的运动信息，按照己定的縮尺比， 转化为混合模型试验中系泊缆截断部分的运动信息；步骤五在试验水池中制造步骤三中所述的模拟海洋环境条件和步骤四中所述 的系泊缆模型截断部分运动时历，完成混合模型试验中系泊缆截断部分的运动，进 行主动式海洋平台混合模型试验。
3、 根据权利要求2所述的主动式海洋平台混合模型试验的实现方法，其特征是， 所述的海洋环境条件，是指对实际工作中的海洋平台在全水深时在单位波高规则 波作用下进行水动力分析，得到海洋平台频域下的水动力参数数据库，其中包括各 个频率下的附加质量和阻尼系数，二阶平均波浪力和二阶平均波浪力传递函数，借 助卡明斯理论，根据计算得到的频域下水动力参数数据库，通过频域转时域的方法， 利用DYFLOAT软件，建立海洋平台时域模拟的运动方程，并加入环境条件和系泊缆。
4、 根据权利要求2所述的主动式海洋平台混合模型试验的实现方法，其特征是，在步骤五的试验水池中，输入实时计算机运动控制系统，先转变为脉冲信号，脉冲 信号驱动伺服电机，带动丝杆机构运动，丝杆的转动带动丝杆上滑块的运动，滑块 和系泊缆截断部分相连。
全文摘要
本发明涉及一种主动式海洋平台混合模型试验的实现方法，按水池所能模拟的水深和海洋平台工作的实际水深，确定一个缩尺比和截断水深，先用数值计算深海平台模型在给定海洋环境条件下的运动，由于悬链系泊缆的运动和会影响到平台的运动，而系泊缆的长度又受到水池尺度的限制。在混合模型试验中时，可将系泊缆截断，其截断处缆绳的运动可用一套实时计算机运动控制系统根据理论计算结果进行模拟。本发明的效果和益处是通过直接的模型试验手段获得法实际所需要的全水深系统的动力特性，不需要可靠的多系统耦合数值计算软件和数值外推方法做支撑，简单易行，可信度极高。
文档编号G01M99/00GK101261177SQ20081003655
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月24日 优先权日2008年4月24日
发明者利 周, 杨世知, 磊 王, 苏一华, 闯振菊 申请人:上海交通大学