基于局部密集應變響應的海洋平臺冰力測量裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種基于局部密集應變響應的海洋平臺冰力測量裝置，包括一個具有一定柔性的圓筒和應變傳感裝置，圓筒套裝在海洋平臺導管上，該圓筒沿所述導管可上下滑動，并在垂直方向上沒有約束力，在所述圓筒內壁沿圓筒徑向和環向等間距密集貼有所述應變傳感裝置，在所述圓筒和導管之間填充具有一定柔軟形的硅膠，在所述圓筒的兩端安裝使所述圓筒懸浮于海洋上的可懸浮材料。本發明專利技術采用筒式結構可以最大限度地保持原導管的幾何形狀，降低冰載荷因結構迎冰面幾何形狀改變而導致的變化，具有直接測量和間接反演的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種海洋平臺結構冰載荷的測量裝置。
技術介紹
冰載荷是我國渤海海域油氣鉆井平臺設計的主要控制載荷。影響冰載荷的因素很多，主要有海冰的物理力學性質以及海冰與平臺結構的耦合作用等。這些因素有些本身十分復雜，有些如果單從理論上進行分析則難度較大，因此目前分析平臺結構冰載荷的主要手段是通過實驗來進行，包括模型實驗和原型實驗。一般的情況是通過分析多次實驗所直接得到的冰載荷數據資料，再根據一些先驗知識和必要的理論分析來得到能在一定程度上準確地描述冰載荷的結果，這種做法是目前比較可行的辦法。其中原型實驗所得到的冰載荷數據顯然要更加真實和可靠。從六十年代開始，國內外曾多次對各種抗冰結構的冰載荷進行了直接測量或利用結構響應數據進行間接的反演，如下表所示 由表中可看出，目前對冰力的直接測量主要通過壓力盒或載荷盒來實現的。使用壓力盒等傳感器直接測量的方法原理簡單，可操作性強，但是這種方法也存在一些缺點。首先，壓力盒對被測量載荷的方向和分布狀況均有選擇性，對于垂直于壓力盒表面的均布壓力測量效果最好，而對于切向載荷基本不敏感，因而適合于流體中的壓力測量。對于固體接觸材料，使用壓力盒測得的載荷會隨著材料剛度的增加而逐漸偏離真實值(偏低)；其次，對于液壓式和振弦式壓力盒，由于機械滯后效應比較明顯，測量得到的載荷其高頻分量將失真.西安公路學院學報，1993，13(3)23～27.]、，中國工程科學，2002，4(12)80～85.]]；此外，壓力盒對標定的要求比較高，在實驗室內采用油壓的方式標定其效果一般比較好.西安公路學院學報，1993，13(3)23～27.]，但這種情況與其原始受力方式存在一定差異，而采用砂、土進行標定的結果則往往不能令人滿意.西安公路學院學報，1993，13(3)23～27.]。鑒于各種測量條件的限制，壓力盒往往只能分布在有限幾個平臺樁腿上，而且沿腿柱一周的分布角度也有限制，因此無法實現對平臺總的、全方位的冰力的測量。因此人們又試圖通過利用結構的整體響應(如加速度響應)的方法來反算平臺的動態總冰力，但這種動態載荷反演方法需要比較完整和精確的結構參數如固有頻率、阻尼和模態等，否則反演的結果會有較大誤差。此外，在測點數目有限的情況下，測點的布置和測量數據的精度都對反演的結果有較大的影響。
技術實現思路
針對上述存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種基于局部密集應變響應的海洋平臺冰力測量裝置，可以適用于各種載荷狀況。為實現上述目的，本專利技術一種基于局部密集應變響應的海洋平臺冰力測量裝置包括一個具有一定柔性的圓筒和應變傳感裝置，圓筒套裝在海洋平臺導管上，該圓筒沿所述導管可上下滑動，并在垂直方向上沒有約束力，在所述圓筒內壁沿圓筒徑向和環向等間距密集貼有所述應變傳感裝置，在所述圓筒和導管之間填充具有一定柔軟形的硅膠，在所述圓筒的兩端安裝使所述圓筒懸浮于海洋上的可懸浮材料。進一步地，所述圓筒內壁上安裝有滑輪，滑輪壓靠在所述導管上，所述圓筒通過該滑輪圓筒沿所述導管可上下滑動。進一步地，所述應變傳感裝置為應變片或應變花。進一步地，所述圓筒由鋁合金制成。進一步地，所述可懸浮材料為泡沫塑料。本專利技術采用筒式結構可以最大限度地保持原導管的幾何形狀，降低冰載荷因結構迎冰面幾何形狀改變而導致的變化，具有直接測量和間接反演的優點，只要采樣頻率足夠高，將不存在滯后效應，而且由于應變數據直接來自于與冰相互作用的結構的局部區域，這些數據包含有原始載荷的全部信息，因此與壓力盒相比，它可以適用于各種載荷狀況。附圖說明圖1為本專利技術結構剖面示意圖。圖2為圖1A-A向剖面示意圖。圖3為反演的動載荷與實際測量值的比較。具體實施例方式首先，要想對結構的局部區域進行標定以確定應變柔度矩陣，則必須在現場進行，而且難度很高；其次由于海平面的漲落使得局部區域經常發生變動；此外對于裸露在結構外表面的應變片進行保護以免在與冰層的碰撞中損壞也是必須要考慮的問題。因此，為解決上述存在的問題并且使得測量簡便易行，我們設計了一種套筒式結構，如圖1所示。采用筒式結構可以最大限度地保持原樁腿的幾何形狀，降低冰載荷因結構迎冰面幾何形狀改變而導致的變化。在海洋平臺導管6上套裝一個具有一定柔性的圓筒1，圓筒1由鋁合金制成，圓筒1的剛度過低會導致圓筒結構的自振頻率不能滿足準靜力反演中遠大于冰載頻率的要求，從而為將來的載荷反演增加了難度，圓筒1內壁上下兩端4個等間距位置上安裝有8個滑輪3，滑輪3壓靠在導管6上，圓筒1通過該滑輪3沿導管6可上下滑動，并在垂直方向上沒有約束力；圓筒1內壁沿圓筒1徑向和環向等間距貼有應變片2(也可以為應變花)，達到一定程度上的密集分布，同時應變片2粘貼于圓筒1內表面，這樣可以有效避免冰層對應變片2的損壞；在圓筒1和導管6之間填充具有一定柔軟形的硅膠5；在圓筒1的兩端安裝使圓筒1懸浮于海洋上的泡沫塑料。安裝完畢后，在每一應變片2位置施加已知單位集中力，同時測量所有位置的應變數據，由此得到應變柔度矩陣，從而對應變片2進行數據標定；然后再由海冰撞擊圓筒1，在圓筒1內側產生應變，由測量得到的動態應變數據進行反演算。反演算根據下述公式進行{F(t)}n×1=n×n-1{ϵ(t)}n×1(m=n)(n×mTm×n)-1n×mT{ϵ(t)}m×1(m>n)]]>計算得到實際的冰力載荷，式中、{ε(t)}和{F(t)}分別為應變柔度矩陣、t時刻冰載作用下測量得到的應變響應數據和反演的t時刻的冰力。為了驗證載荷反演的結果，我們制作套筒1厚約1.5mm，直徑350mm，這樣在較小的載荷下即有明顯的應變響應，便于手動加載控制。套筒1內表面共布置了26個應變片2，各片之間間距3cm。先進行動態標定，即分別在各個應變片2位置施加動態集中壓力時程曲線(由力傳感器測量)，同步采樣測量各應變片2的響應，采樣頻率均為512Hz。對各個采樣時刻點的應變響應值除以該時刻的力信號，并在時域內取加權平均值即得到應變響應柔度矩陣，然后我們在圖示斜線區域施加均勻分布的動態壓力時程曲線，并測量此動壓力時程曲線。在反演均勻分布動壓力載荷時，按照上文所述的方法分析各個測量點的應變響應，并確定動態力的分布區域。最后根據上述公式反演每一采樣時刻點的載荷。圖3為反演的動載荷與實際測量值的比較。圖中計算的結果清楚地反映了實際動載荷的頻率特征和作用規律，計算值略有些偏高，絕對誤差基本上在5～8N左右，相對誤差約為5％～20％。在初始階段，動載荷峰值較低，誤差較大，但隨著動載荷峰值的逐步增加和穩定，誤差也隨之降低。權利要求1.一種基于局部密集應變響應的海洋平臺冰力測量裝置，其特征在于，包括一個具有一定柔性的圓筒和應變傳感裝置，圓筒套裝在海洋平臺導管上，該圓筒沿所述導管可上下滑動，并在垂直方向上沒有約束力，在所述圓筒內壁沿圓筒徑向和環向等間距密集貼有所述應變傳感裝置，在所述圓筒和導管之間填充具有一定柔軟形的硅膠，在所述圓筒的兩端安裝使所述圓筒懸浮于海洋上的可懸浮材料。2.根據權利要求1所述的一種基于局本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于局部密集應變響應的海洋平臺冰力測量裝置，其特征在于，包括：一個具有一定柔性的圓筒和應變傳感裝置，圓筒套裝在海洋平臺導管上，該圓筒沿所述導管可上下滑動，并在垂直方向上沒有約束力，在所述圓筒內壁沿圓筒徑向和環向等間距密集貼有所述應變傳感裝置，在所述圓筒和導管之間填充具有一定柔軟形的硅膠，在所述圓筒的兩端安裝使所述圓筒懸浮于海洋上的可懸浮材料。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁樺，李輝，
申請(專利權)人：中國科學院力學研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]