（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）深水系泊缆绳冲击载荷实验研究.pdf

中文摘要 深海平台的系泊系统直接影响到海上生活生产作业的效率和安全。当平台运 动时，平台的能量会通过缆绳传向海底，在这个过程中，缆索吸收了大部分能量， 特别是当平台运动的幅度较大时，缆绳出现从松弛到张紧的快速变化，引起缆绳 内张力的剧增，危及深海平台的生产安全，因此，对深海系泊系统冲击载荷进行 实验研究，是十分必要的。 本文研究缆绳端部运动条件下，所引起的缆绳动张力的变化规律，尤其大幅 快速运动情况下，缆绳的冲击张力。提出了合理的实验方案，开发了端部位移激 励装置，可实现不同位移和不同频率的激励，采用力传感器和位移传感器，同时 测试缆绳的动位移响应和动张力响应。研究冲击载荷发生的条件和不同因素对于 缆张力的影响。 作者取3 种不同直径，长度分别为2 2 米至4 0 米的缆绳，端部运动激励幅值 为1 2 、1 6 、2 0 厘米，频率分别为i 2 至3 0 赫兹等，考虑缆绳在水中和空气中 两种情况，共进行了1 1 6 组不同条件下的测试，得到了不同情况下的缆绳的动位 移和动张力历程响应曲线。分析了缆长、固有频率、位移激励幅值、位移激励频 率等多种因素对于缆绳动张力的影响，并讨论了冲击载荷发生地条件，初步探讨 了缆绳发生冲击情况下的判别方法。 结果表明，缆绳张力随端点激励频率和激励幅值、缆绳直径、缆绳弹性模量 的增大而增大，随缆绳长度的增大而减小；缆绳的位移量随着缆绳直径、缆绳弹 性模量、激励幅值的增大而增大，随激励频率的增大而减小。 在对空气实验和水中实验进行对比分析后得出，在历程张力曲线变得陡峭、 张力值急剧增大、张力中出现多倍响应频率成分时，是发生冲击载荷的重要特征。 关键词：冲击载荷最大张力深海系泊系统位移曲线 a b s t r a c t t h em o o t i n gs y s t e mo f d e e p s e ap l a t f o r ma f f e c t st h ee f f i c i e n c ya n ds e c u r i t yo f p r o d u c i n ga n dl i v i n gi nt h es e ad i r e c t l y w h e nt h em o o r e dp l a t f o r mm o v i n g ，t h e e n e r g yo fp l a t f o r mw i l lt r a n s m i tt ot h es e a b e d , t h el i n e sa b s o r bm o s to ft h ee n e r g y u n t i lt h i sp r o c e s s e s p e c i a l l yw h e nt h ep l a t f o r mm o v e sw i t hl a r g ea m p l i t u d e ，t h e m o o r i n gl i n ew i l lt r a n s f e rf r o mt a u tt os l a c k , g o i n gw i t ht h et e n s i o ni n c r e a s i n gs h a r p l y , w h i c hm a ye n d a n g e rt h es e c u r i t ya n d p r o d u c eo ft h ed e e p - s e ap l a t f o r m t h e r e f o r e ，i t i sv e r yn e c e s s a r yf o re x p e r i m e n t a ls t u d yo ns n a pl o a d i n go fd e e p s e am o o r i n g s y s t e m i nt h i sa r t i c l e t h i sa r t i c l es t u d yt h er e g u l a r i t yf o rc h a n g eo fd y n a m i ct e n s i o nc a u s e db yt h e m o v e m e n to f r o p ee n d ，i np a r t i c u l a r i nt h er a p i dm o v e m e n t s u b s t a n t i a l l y c i r c u m s t a n c e s ，t h ei m p a c tt e n s i o no fm o o r i n gl i n e p r o p o s e dar e a s o n a b l et e s t i n gp l a n ， u s ea ni n c e n t i v ed e v i c et h a tc a l lb er e a l i z e di nt h ee x c i t a t i o no fd i f f e r e n td i s p l a c e m e n t a n dd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s t e s tt h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n dt h ed y n a m i c t e n s i o nr e s p o n s ea tt h es a m et i m eb yf o r c es e n s o r sa n dd i s p l a c e m e n ts e n s o r s r e s e a r c ho ns n a pl o a dc o n d i t i o n so c c u r , a n dt h ei m p a c to fm o o t i n gl i n et e n s i o nb y d i f f e r e n tf a c t o r s t h ea u t h o rt a k e sd i f f e r e n tl i n e so ft h r e ed i a m e t e r s ，l e n g t ho f2 2 - 4 0m e t e r s ， a m p l i t u d eo f1 2 、1 6 、2 0c e n t i m e t e r s ，f r e q u e n c i e so f1 2t o3 0h z ，e r e c o n s i d e r e dt h e s i t u a t i o ni na i ra n di nw a t e r ，o b t a i n e dd y n a m i cd i s p l a c e m e n ta n dd y n a m i ct e n s i o no f p r o c e s sr e s p o n s ec r r v e su n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e so ft h ec a b l ea tat o t a lo f1 16 d i f f e r e n tt e s t c o n d i t i o n s a n a l y s i s o ft h ec a b l e l e n g t h ，t h en a t u r a lf r e q u e n c y ， d i s p l a c e m e n te x c i t a t i o na m p l i t u d e ，e x c i t a t i o nf r e q u e n c ys h i rf o rav a r i e t yo ff a c t o r s ， s u c ha sd y n a m i ct e n s i o no ft h em o o t i n gl i n e ，a n dd i s c u s s e dt h ec o n d i t i o n so fs n a p l o a d i n go c c u r r e n c e ，p r e l i m i n a r ys t u d yo ft h es n a pl o a d i n go ft h el i n e so c c u r r e d m e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mt e n s i o ni nl i n ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n g o ft h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c y , e x c i t a t i o na m p l i t u d e ，d i a m e t e ra n dm o d u l u so ft h el i n e ， d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h el e n g t ho ft h el i n e t h ed i s p l a c e m e n to ft h el i n e i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee x c i t a t i o na m p l i t u d e ，d i a m e t e ra n dm o d u l u so ft h e l i n e ，d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c y c o m p a r a t i v es t u d yo nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si na i ra n dt h a ti nw a t e r , i tw i l lh a v e s n a pl o a d i n gp h e n o m e n o nw h e nt h et e n s i o nc u r v eb e c o m e ss t e e p ，t h et e n s i o nv a l u e i n c r e a s e ss u d d e n l y , a n dh a r m o n i c so fh i g h e rf r e q u e n c yc o m p o n e n t sa p p e a r si nt h e t e n s i o n k e yw o r d s ：s n a pl o a d i n g ，m a x i m u mt e n s i o n ，d e 印一s e am o o r i n gs y s t e m , d i s p l a c e m e n tc u r v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嘞千日 答字日期：1 肌加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：奄p 日 导师签名： 签字日期： 7 年等月如日 签字日期： 孺 功pc 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国南中国海拥有丰富的油气资源，被称为另一个波斯湾。这一海域水深在 5 0 0 米到2 0 0 0 米，我国目前还不具备在这一海域进行油气勘探和生产的技术， 因此迫切需要发展深海油气勘探和开发技术。 张力腿平台和s p a r 平台是优秀的深海平台型式，系泊系统是深水s p a r 平 台的关键系统。随着水深增加，系缆的载荷迅速提高，平台作业单元运动的不稳 定性增大。尤其飓风作用下，深水海域浪高可达到l o 2 0 米，平台发生大幅运动， 系泊点发生剧烈升沉、纵荡和纵摇，导致系泊缆出现松弛张紧运动，诱发系缆 的动张力大幅度上升，这可能导致平台在风暴中失事。 因此，对于利用实验方法深入研究系泊系统松弛张紧过程的冲击载荷问题， 对于解决我国的油气开采和储存问题具有重大战略意义。 1 2 系泊系统主要机构 深海平台系泊系统一般由四部分组成：系泊缆索、导缆器、起链机和海底基 础。系泊缆索上端连接到平台主体上的导缆器，另一端与海底基础相连，用起链 机来控制缆绳的预张力，平台运动的回复力主要由系泊缆索的位能提供。深海平 台系泊系统一般由四部分组成：系泊缆索，导缆器，起链机和海底基础。系泊缆 索上端连接到平台主体上的导缆器，另一端与海底基础相连，用起链机来控制缆 绳的预张力，平台运动的回复力主要由系泊缆索的位能提供。t l p 平台的系泊索 由于预张力作用始终处于完全张紧的状态，而s p a r 平台的系泊缆在一定预张力 作用下形成半张紧半松弛状态。系泊索与主体的连接点位于平台几何中心附近， 该点处的运动幅度较小。海底基础大多采用抓力锚、桩基或吸力式基础固定。 图1 1 为张力腿平台和s p a r 平台的示意图。其中图1 1 ( 1 ) 为带有张力的 张力腿平台( t l p ) 的系泊形式，图1 - 1 ( 2 ) 为半张紧半松弛状态的s p a r 平台 的系泊形式。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 il 翻潮融嘿 ( 1 ) 图1 - 1 平台系泊系统示意图 ( 2 ) 随着平台作业水深不断增加，传统的钢缆不再适用。因为水深增加，系缆加 长，钢缆自身重量巨大，这需要更大的浮体来提供浮力，导致平台主体体积不断 膨胀，使得平台造价急剧增加；此外，深水中悬链线形式的系泊缆绳覆盖着巨大 水域，严重影响海底管线与缆线的铺设和船舶在该水域的作业通航。为提高深水 平台经济效益，开发了新的系缆材料和提出了新的系泊原理，核心技术是采用重 量轻和强度高的聚酯纤维缆，系缆通过施加预张力呈半拉紧形状，从而可以减轻 缆的重量和减小系泊缆绳覆盖的水域。 1 3 冲击载荷 1 3 1 冲击载荷的定义 关于冲击载荷问题定义，在不同的领域定义也有所不同。 对于一种材料来说，一般认为当载荷作用时间小于被冲击体的自振周期或小 于其一半左右时就称为冲击载荷 1 】。在固体力学中，对于冲击载荷的定义，就 是指在张力曲线上有突变的尖峰。 在对深海资源开发和研究中，当平台运动时，平台的能量会通过缆绳传向海 底，在这个过程中，缆索吸收了大部分能量，特别是当平台运动的幅度较大时， 缆绳会出现从松弛到张紧的快速变化，会引起缆绳内张力的剧增，此定义为缆绳 的冲击载荷。它主要描述当绳索结构快速从松弛状态变为张紧状态时的系缆张力 的动态响应。张紧是指绳索结构被拉伸同时它的两端点距离超过它的原长，松弛 状态则相反。这种突然张紧的现象类似于碰撞，产生的力非常大，通常比静态载 荷和简单的动态载荷高出很多，相当于猛拉缆绳，伴随着脉冲力。这种现象主要 缘于绳索结构的高抗拉且低抗压特性，以及抗扭转能力。由于绳索很容易由于循 2 是 天津大学硕士学位论文第一章绪论 环载荷而发生疲劳破坏，所以冲击载荷对于绳索结构的寿命影响很大。 1 3 2 冲击载荷发生的条件 随着海洋开发向深水方向的发展，海洋系泊的系泊缆绳长度会非常的可观， 而缆绳的垂直载荷也会增加，偏移量加大。对于深水平台来说，平台的位移较大 时，会使平台附近的系泊缆绳出现瞬时的松弛。在再次拉伸之前，系泊缆和平台 的运动方向相反，当拉伸时，平台的惯性使缆绳中出现一个大应变。 平台的能量会通过缆绳传向海底，在这个过程中，缆索吸收了大部分能量， 特别是当平台运动的幅度较大时，缆绳出现从松弛到张紧的快速变化，这会引起 缆绳内张力的剧增，此定义为缆绳的冲击载荷。冲击载荷主要描述当绳索结构快 速从松弛状态变为张紧状态时的系缆张力的动态响应。张紧是指绳索结构被拉伸 同时它的两端点距离超过它的原长，松弛状态则相反。 系泊缆的三种不同状态：松弛，中等松弛和张紧。松弛缆绳根据不同的载荷 发生几何形状的改变；张紧缆绳是单纯的弹性载荷模式；中等松弛的缆绳跨越了 从单纯的几何构型到单纯的弹性变形的过程。 由于中等松弛情况包含从几何构形到弹性响应的转变，在模型简化中被认为 是最麻烦的。在实际的应用中，也是最危险的因素，因为这种情况会降低缆绳的 疲劳寿命，产生缆绳的冲击载荷等等。 本实验中，认为当缆绳张力曲线出现陡峭尖峰，张力值急剧增大，并伴有频 谱图中出现多倍响应成分这些条件时【2 】，则判定缆绳出现冲击载荷现象。 1 3 3 国内外对于冲击载荷及系泊张力的实验研究 目前对于冲击载荷的研究，最早始于18 7 2 年h o p k i n s o n 的冲击试验，在应 力波产生波列的早期试验中，h o p k i n s o n 利用重块下落使铁丝突然受拉伸的办法 来测量铁丝的拉伸强度。他在球形重块上穿小孔，从此孔中穿过8 2 米长的铁丝， 铁丝的上端固定，下端连接一夹环以防止重块脱离并使铁丝承受拉伸载荷，如图 1 2 所示，来模拟海洋中的平台( 图1 3 ) 。他使用不同重量的重块从不同高度下 落得出了惊人的结果当时得到了惊人的结果，发现 3 ：第一，重块下坠使铁丝 断裂的最低高度和重块的质量无关。也就是说两落体的撞击效果相同，与它们动 量和能量的多少无关，而只要它们的速度相同；第二，铁丝不是靠近撞击端断裂 而是在靠近固定端处断裂；第三，假设使铁丝在固定端断裂的最小重块高度是危， 那么使重块在撞击端断裂的最小重块高度是4j i z l 。在这个试验中，他忽略了钢丝 绳的伸长，作为线弹性来处理。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2h o p k i n s o n 冲击试验图图1 3 海水中的平台 在实际的工程应用中，采用绳索结构作为一种消能装置，如在地震中，减小 地面运动对地面上建筑物的破坏 4 5 】，以及降落伞的应用中，都存在冲击载荷问 题。在海洋结构中由于流体载荷的作用，使得对缆索结构冲击载荷下的动态张力 的估算更加复杂。 在深海研究中，缆绳长度大，传统的钢缆已经不再适用，目前的倾向是使用 合成纤维缆。这种缆绳结构本身具有粘弹特性，缆绳本身的本构关系就具有非线 性特性，分析这种缆绳在冲击载荷下的张力，是海洋工程界关注的问题。 当缆绳的张力与分布在缆绳上的曳力相当时，缆绳就会松弛，在周期性载 荷的作用下，就会出现张紧一松弛的交替运动，这时，由于缆绳回复刚度的不连 续性而出现非线性恢复力，造成整个系统的非线性问题。 由于海洋环境的恶劣，避免零张力有时是很难做到的。当环境载荷超过一定 的值时，浮体结构的位移偏大，就会出现松弛一张紧状态。 试验结果表明，当系泊浮体运动时，系泊缆发生从松弛到张紧的变化，系泊 缆绳中出现突变的拉力，这种突变的拉力是平均拉力的几倍到十几倍【6 】，对结 构的破坏性极大，引起了许多学者的注意。n i e d z w e c k i 等【7 】研究了系缆从松弛 到张紧的过程，发现由于非连续刚度引起的显著非线性，导致系泊力的突变性。 t j a v a r a s 8 在研究一个用弹性缆绳系泊的球形浮体在入射波作用下的动力响 应时发现，当入射波的幅值非常小时，系泊缆绳始终处于张紧状态，在预张力的 作用下，缆绳的张力一直是正值；当入射波的幅值超过一定值时，浮体的运动幅 度增大，缆绳中出现零张力和最大值张力，即缆绳冲击现象，这对系泊系统的破 坏性极大。 g o e l l e r 和l a u r af 9 1 0 对一个垂直悬挂的分段缆绳进行了试验和解析研究， 项部由钢链组成，底部由尼龙缆组成，这种缆绳用来作为向海底释放和回收有效 载荷的结构。缆绳上端受到受迫振动，发现在共振发生之前在钢链部分发生了冲 击载荷。此处的冲击载荷被定义为其中一个部分或全部松弛然后突然张紧，突然 张紧时的冲击载荷是静态载荷的9 倍。 p l a u t 【1 1 1 2 】等考虑了用缆绳系泊在海底的浮体的运动，发现当浮体的运动 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 幅度很大时，缆绳就会松弛，一旦再次张紧，就会出现很大的动态张力，即所说 的冲击载荷，此时会有能量损失。浮体从松弛到张紧的变换次数影响缆绳的使用 寿命。 n i e x l m v e c k i 1 3 等研究了水下缆绳系统在常规海况下冲击载荷的动态响应。 他们研究的重点是在规则海况中由多根缆绳悬垂的刚性物体的动态模型。缆绳为 柔性体，不能承受压力，因此在压力状态下缆绳就会变成松弛状态直到这种载荷 消失。如果缆绳再受到快速拉伸，此时会出现冲击载荷。由于冲击载荷具有非线 性特性，因此用时域内的数值方法进行模拟相对容易。 d r a c o s 和h u a n g 1 4 的试验结果表明，缆绳的动态张力随着激励频率和激励 幅值的增大而增大，在张紧状态时，张力以激振频率变化，但是一旦松弛一张紧 现象发生，就会在张力中出现高频分量，此时动态张力的幅值被放大，且动态张 力的幅值是激励幅值的非线性函数。 在深海系泊系统中，当平台的垂直位移较大时，会使平台附近的系泊缆出现 瞬时的松弛 1 5 】。在再次拉伸之前，系泊缆和平台的运动方向相反，当拉伸时， 平台的惯性使缆绳出现一个大应变。 a r c h i l l a 和f a r m e r 1 6 将系泊缆绳简化为不可压缩的弹簧，缆绳松弛时缆绳 对其他物体没有影响，当张紧时，即视为一个线性的弹簧。从松弛张紧的突变过 程中的张紧阶段产生巨大的冲击载荷，类似于球的反弹。 h u a n g 1 7 研究了系泊缆的三种不同状态：松弛，松弛张紧和张紧。松弛缆 绳根据不同的载荷发生几何形状的改变；张紧缆绳是单纯的弹性载荷模式；松弛 张紧的缆绳跨越了从单纯的几何构型到单纯的弹性变形的过程。由于松弛张紧情 况包含从几何构型到弹性响应的转变，在模型简化中被认为是最复杂。在实际应 用中，也是最危险的因素。在本文的实验研究中，所采用的模型就是松弛张紧状 态的缆绳。 1 4 本文的主要任务 本文考虑系泊系统工程实际存在但尚未有效考虑和研究的因素，研究这些因 素引起的动力特性及对系统安全的影响。因此，本文的研究主要任务是： ( 1 ) 提出冲击载荷的实验方案，包括激励装置、测试装置、传感器的布置、 数据采集装置等，细化实验内容和步骤。提出缆绳冲击载荷实验模型，选择实 验材料技术参数； ( 2 ) 进行水中冲击载荷的实验研究，研究缆绳长度、缆绳直径、材料及所 受激励的幅值与频率等因素，对缆绳最大张力及位移产生的影响，研究缆绳发生 天津大学硕士学位论文第一章绪论 松弛一张紧的条件，研究缆绳的冲击张力放大系数； ( 3 ) 综合考虑缆长、运动幅值和频率等因素，研究冲击载荷发生的判别条 件，以及冲击张力发生时，张力响应历程曲线和位移响应历程曲线的特点； ( 4 ) 进行空气中的冲击载荷试验，通过比较空气中和水中冲击载荷的响应 特点，确定流体阻尼的影响。 6 天津大学硕士学位论文第二章实验研究基本理论及装置简介 第二章实验研究基本理论及装置简介 2 1 采用的实验方案 2 1 1 实验研究理论方案 将实验分为空气中的冲击载荷实验和水中的冲击载荷实验研究。 ( 1 ) 建立与实际工程相符的物理模型，即单根系泊缆绳，如第一章1 2 节 中系泊系统结构中，在一端固定在海底基础上，另一端与起链机相连 1 8 】，则起 链机一端受到平台移动而产生的位能较大，且缆绳面临不断的松弛张紧过程 【1 9 】，故利用设备给与缆绳以激励，模拟平台移动过程 2 0 。并可保持特定的幅 值和频率，且可以随不同情况而更换激励的幅值和频率，达到改变影响因素的目 的。 ( 2 ) 空气中缆绳冲击载荷实验研究：测试空气中的缆绳在一端固定，给缆 绳以定的预张力；在另一端装上激振设备，以一定的幅值和频率对这一端加上 简谐振动的激励时，记录下激励端张力与位移量的变化 2 1 1 ，观察得到发生冲击 载荷时的条件。改变端点激励频率、激励幅值、缆绳直径、缆绳长度和材料等因 素，观察其对缆绳最大张力和位移量大小的影响。 ( 3 ) 水中缆绳冲击载荷实验研究：将缆绳一端固定在水面，另一端利用钢 架使之浸没在水中，模拟真实海况下缆索系泊方式 2 2 2 3 ，使缆绳呈自然的悬垂； 然后利用拖车拖曳缆绳，从而控制缆绳预张力，对其固定在水面的一端进行简谐 振动的激励，测量激励端张力 2 4 1 与位移量的变化，得到发生冲击载荷时的条件。 改变端点激励频率、激励幅值、缆绳直径、缆绳长度和材料等因素，观察它们对 缆绳最大张力和位移量大小的影响。 ( 4 ) 通过比较上述两个实验的结果，根据第一章1 3 2 节中关于冲击载荷发 生的判定方法，判断在那种影响因素组合时，会发生冲击载荷，以及此时张力和 位移曲线的特点。 2 1 2 实验需要解决的问题 ( 1 ) 建立有效的物理模型，既能方便研究过程，取得应有的实验成果，又能 对实际海洋系泊系统缆绳遭遇冲击载荷时所面临的情况做出正确的模拟，以便在 工程上能够实际应用，给出相应建议。 天津大学硕士学位论文第二章实验研究基本理论及装置简介 ( 2 ) 测量缆绳端点的最大张力和张力曲线，以及发生不同幅值不同频率的激 振时缆绳的位移量，并记录下这些信息，以方便对比参照，做出适当的分析。 ( 3 ) 改变缆绳端点的运动和缆绳特性，观察其在受到松弛张紧的不断作用下， 张力和位移的时间历程曲线。 ( 4 ) 找出曲线有陡峭尖峰，并伴有张力剧增的实验数据，根据它们绘制频谱 图，分析其是否出现多个频率成分。 ( 5 ) 判断能否出现冲击载荷，在何时何种条件下出现冲击载荷，以及这些因 素对实际系泊缆索的安全将会有多大的影响。 2 2 实验模型建立 2 2 1 相似关系原则 在实验中，实际系泊缆绳与模型实验缆绳之间必须保持重力相似和惯性力相 似 2 5 - 2 6 ，即满足傅汝德数( f r o u d en u m b e r ) 和斯托哈数( s t r o u h a ln u m b e r ) 相等，因此有： 圪一k 0 9 l mq g l s ，= = = = = 一。；= = = = 盟：堕 l ml s ( 2 1 ) ( 2 2 ) 公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中，y 、l 、丁分别为速度、特征线尺度及主要周期，下标m 和s 分别表示模型和实体。根据上述相似法则，模型与实体各种物理量之间的转 换关系如表2 1 所示。 表2 1 转换关系 项目符号缩尺比项目符号缩尺比 线尺度 l s | l m力周期e l爿他 线速度k 圪名坨面积4 以 凳 线加速度 q a 。l体积飞s 阀m凳 角度绣九1惯性矩 is i m 凳 角速度 中s | 审m方1 7 2力c c笼 质量 m ，聊m凳 天津大学硕士学位论文第二章实验研究基本理论及装置简介 2 2 2 实验采用的模型 根据相似原则，在本实验中，所模拟的实际系泊系统为位于墨西哥湾的m a d d o gs p a r 平台系泊系统。选取缩尺比为l ：4 5 ，在满足几何相似、运动相似和动 力相似的条件下，同时，又根据实际的实验室现有条件，做出了一定的修改。具 体的系统参数如表2 2 所示。 表2 - 2 实验参数 项目缆绳长度( 米)缆绳直径( 毫米) 实际数值1 7 4 1 一1 8 9 12 7 0 实验数值 3 8 7 4 2 0 26 本实验将选用的缆绳材料为乙烯与丙纶的混合物，通常称为中强纤维，长为 4 0 米直径为6 毫米，并准备直径为4 5 毫米和l o 毫米的同种材料缆绳，改变缆 绳直径这一影响因素验证时使用。具体缆绳材料参数如下表2 3 所示： 表2 3 实验用材料参数表 直径单位长度密度弹性模量 所选用的缆绳材料 ( 毫米)( 千克米)( 牛立方米) 1 号缆绳6乙烯与丙纶混合0 0 21 7 x 1 0 7 2 号缆绳 6丙纶o 0 2 1 2 53 7 1 0 7 3 号缆绳4 5乙烯与丙纶混合o 0 1 1 2 51 7 x 1 0 7 4 号缆绳 1 0 乙烯与丙纶混合0 0 5 5 1 7 1 0 7 2 3 实验环境及器材使用 2 3 1 实验用拖车及船池 该实验是在天津大学船舶工程实验室中进行。船舶实验水池( 船池) 是船舶 工程实验室重要的大型实验设备。船池长1 3 7 米、宽7 米、深3 3 米。试验水深 约为3 0 米。拖车轨道在全长范围内的水平和直线精度均在0 1 毫米之内。拖车 长7 2 米、宽7 8 米、高2 3 米，总重量1 3 吨，船池环境湿度小于8 0 ，船池环 境温度为+ 5 + 4 0 。该实验进行时，船池水温为1 4 8 左右。 9 天律大学硕士学位论文 第二章实验研究基本理论及装置简介 2 3 2 水下钢架系统构成 图2 - 1 实验用拖车及船池 在进行水下实验时，要用到专门设计制作的钢架。该钢架的材料是q 2 3 5 钢， 主要由固定端支架和安装槽钢组成。在钢架的下端安装有定滑轮以方便绳子的导 向上端有一个突出轴用于连接传感器。如图2 2 和2 - 3 所示 图2 - 2 钢架水上部分 囝2 - 3 钢架水下部分 2 3 3 数据采集系统 本实验中采用秦皇岛市恒信电子科技有限公司生产的振动信号采集分析实 天津大学硕士学位论文 第二章实验研究基本理论及装置简介 验室软件系统对动态张力进行分析。该软件系统可咀进行数据采集、文件操作、 信号生成、数学运算、频谱分析，井提供了多种窗函数、滤波工具、小波工具以 及其他工具，用户还可以编辑试图、编辑标注以及回放数据。在每次使用该软件 系统进行应变应力采集与分析时，要注意量纲与标定。 图2 4 数据采集仪 其中的数据采集仪如图2 4 所示，这套系统很好的解决了数据采集、保存、 修改滤波、整理分析等一系列问题，可以有效地测量缆绳端点的最大张力和张力 曲线，并记录下这些信息，以方便对比参照。 2 3 4 拉压力传感器及专用放大器 本实验采用北京福特鑫传感测控技术有限公司的c x l 1 0 1 拉压力传感器， 其既可承受拉力，也可承受压力，输出对称性好，精度高且结构紧凑，便于实验 的测量与控制，额定载荷为2 0 0 千克，工作温度一2 0 c + 6 5 。实物图如图2 5 所示： 周2 - 5 拉压力侍感器及其放大器实物圈 天 j t 大学硕士学位论文第二章实验研究基本理论及装置简彳r 可连接其专用放大器，输出电压信号在本实验中将力传感器输出的电压信 号接入数据采集仪，即可生成激励端在受到定幅值和频率激励时的张力曲线。 2 3 5l v d t 位移传感器 本实验采用的通用型直流l v d t 位移传感器，l v d t ( l i n e a r v a r i a b l e d i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r ) 是线性可变差动变压器的缩写，它由一个初级线圈，两 个次级线圈和铁芯等部件组成，通过初级线圈和次级线圈电磁耦台，使得铁芯的 位置变化量与次级两个线圈输出电压间之羞呈线性关系 2 7 - 2 8 。 细杆与缆 缆绳 绳连接 图2 - 6 l v d t 位移传感器连接示意图 如图2 - 6 所示，此位移传感器由套筒和套筒内滑块组成，滑块在套筒内滑动， 引起初级线圈和次级线圈的电磁耦合，从而由套筒引出信号。本实验在此基础上 做出修改，如图2 7 所示： 固 f 疆 霸群譬。 l 夏墨曩曩曼墨曼曩曩l 溪 天津大学硕士学位论文第二章实验研究基本理论及装置简介 将滑块连接在一根5 0 厘米的轻质金属细杆的一端，而细杆的另一端则与靠近激 励端的缆绳连接，然后将套筒也固定在缆绳上。 这样缆绳受到激振设备激励时，缆绳在5 0 厘米内所发生的瞬时位移则实时 的传递到位移传感器上，并由位移传感器给出信号至数据采集仪，测出出缆绳的 位移曲线来。 而需要说明的是，由于每次更换或移动缆绳时，滑块摩擦系数非常小，其在 套筒内的初始位置均有改变，故输出的电压信号值均有改变，但本实验测量的是 其位移量的大小，反映在数据采集仪的位移曲线上时，只关注位移曲线的峰峰值， 即波峰波谷间距离值，就等同于5 0 厘米缆绳在受到激励时瞬间的位移量。 经过标定，缆绳每移动l 厘米，对应电压值为1 伏特，精度为0 0 2 5 厘米。 2 3 6 激振设备及其原理解析 本实验采用对心( 正置) 曲柄滑块机构作为激励源，将旋转运动转化为往复 移动，示意图如图2 8 所示。在该机构中，滑块l 上铰接点c 的导路通过曲柄2 的回转轴心a 2 9 。曲柄l 与电机的输出轴相连，传感器在铰接点c 与滑块相连， 绳子连接在传感器上。滑块1 自其右极限位置度量的位移s 为： s = 彳b c 一c 。s 口，+ b c ( ，一 式中：仗为曲柄2 的转角。如果等很小，则可得到下列近似的算式： b c ( 2 3 ) 刚b ( 1 - c o s o r ) + 三胁( 篙) 2 s i n 2 口 c 2 4 ， 根据三角变化，可以得到： 由滑块位移的表达式可以看出，如果电机的频率是厂，此机构给缆绳的端点 甜 0 4 厂 螂 生踞 巴旧 弋，彳、o 厂l ，一2八 - 旧一 、j ，一6 砂似临 天漳大学硕士学位论文第二章实验研究基本理论及装置简舟 激励成分是，和2 ，并不是标准的简谐运动。这在后面的数据处理中是需要十 分注意的。 在我们应用的实际机构中a b 的长度在8 厘米到2 0 厘米之间变化b c 的 长度为固定值l 米。 图2 - 8 对心曲柄滑块机构示意图 一啦) + 扣x ( 筹s 抒a = s + ；。去 2 一f s a 吲10 0 ( 志) 2 c o s ：a 1 c ：* ， = 8 + 01 6 - ( 8 c o s 口+ 01 6 c o s 2 a 1 = 81 6 8 c o s d 一01 6 c o s 2 a 由上式( 2 6 ) 可知，商阶项的影响大约占简谐项的2 。基本上可以认为c 点的 运动为简谐的。具体的曲柄滑块机构如图2 - 9 和2 - 1 0 所示： 图2 - 9 电动机和减速箱实物鼬围2 - l0 变额器 如图2 - 9 激振设备所采用的电动机为y 1 1 2 m - 2 型，额定转速为2 8 8 0 转 天津大学硕士学位论文 第二章实验研究基本理论及装置简介 分钟，额定功率为4 千瓦。减速箱型号为w p d a l 3 5 ，减速比1 5 ：l 。如图2 1 0 ， 变频器为三垦力达电气( 江阴) 有限公司生产的s p f - 4 0 型高性能多功能静音式 变频器，可以提供的额定频率为5 0 赫兹。 天津大学硕士学位论文第二章实验准备工作及影响园蘩验证方法 第三章实验准备工作及影响因素验证方法 3 1 实验准备工作 3 1 1 缆绳长度标定及弹性模量测量 ( 1 ) 测量缆绳绳长 对于需要改变缆绳长度这一实验的缆绳每隔1 米用黑色水笔标记一下，每 隔2 米再测量一次，并贴上醒目的黄色胶条以作提示。要在开始测量的一端留出 一定余量，以方便对缆绳打结。若实验中位于固定端的缆绳不在标记上时，要往 回倒拖车，用尺子测量超出某一标记的自然长度，两者相加即为缆绳实际的自然 长度。 ( 2 ) 测量计算缆绳弹性模量 取某一段绳长，将其挂在墙壁的固定端上，通过逐渐加载砝码并测量每次伸 长后绳子的总长，从而得到每次绳子的伸长量，再用线性拟合的方法得到绳子的 弹性刚度，并计算出绳子的弹性模重 3 0 如下图3 一l 所示。需要注意的是：绳 子在一定的拉力下，其拉伸长度在一段时间内随时间的延续而增加，所咀在测量 计算绳子的弹性刚度和弹性模量时，要间隔同样长的时间，以使绳子在相应的拉 力下能够完全伸长，再测出其长度，该实验每次测量时的间隔时间为2 分钟。 一一一舞1 剖 圈3 - 1 缆绳刚度标定圈 天津大学硬士学位论文第三章实验准备工作及髟响因素验证方 圭 为了验证不同材料、不同弹性模量对缆绳最大张力及位移的影响，采用了两 种不同材料的缆绳。空气中与水下实验的激励幅值、激励频率等因素实验中，采 用1 号缆绳：直径6 毫米，长4 0 米中强纤维材料的双编缆绳，弹性模量为 e = 1 7 1 0 n m 2 ，如圈3 - 2 所示： 懿：0 圈3 - 32 号缆绳 如图3 - 3 所示，空气中与水下实验的改变缆绳材料因素实验中用2 号缆绳与 l 号缆绳对比，2 号缆绳为：直径6 毫米，长4 0 米丙纶材质的三股缆绳，弹性模 量为= 3 7 1 0 7 n m 2 。 这两种材料缆绳其他参数详见第二章2 2 2 中的表2 3 。 天津大学硕士学位论文第三章实验准备工作及影响因素验证方法 3 1 2 激励设备频率换算 按照第二章中236 激振设各所使用电动机的频率换算方法，分别换算电动 机的频率如表3 1 所示，电动机的额定转速为2 8 8 0 转每分钟。 试验频率 变频器频率 2 3 4 42 81 33 28 l3 72 54 21 9 3 1 3 拉压力传感器标定 在使用振动信号采集分析实验室软件系统时，需要对传感器进行标定，以输 出准确的拉力值。与测量弹簧弹性剐度的过程类似，接图3 4 连接各仪器。 图3 4 仪器连接示意图 用起重机吊起传感器，接通电源，测量出一系列电压值，此而分别计算出两 个通道的标定系数。在传感器量程范围内逐渐加砝码，每加一次砝码，测量出一 个电压值， 图3 - 5 传感器标定实物图 天津大学硕士学位论文第三章实验准备工作及影响因素验证方法 在整个过程中，1 号力传感器始终连接数据采集仪的1 号通道，2 号力传感 器始终连接其2 号通道。 3 2 影响因素验证方法 3 2 1 空气中冲击载荷实验部分 ( 1 ) 连接缆绳的激励端和固定端，并确保连接稳固。 ( 2 ) 在激励端连接上1 号力传感器和位移传感器l v d t ，固定端连接上2 号力传感器，按照下图3 - 6 连接传感器专用放大器、数据采集仪、笔记本电脑等。 在这里必须注意：区分通道1 、2 、4 ；传感器接地的连接方式。 图3 - 6 空气中实验连接示意图 ( 3 ) 具体的试验部分 激励频率与幅值的影响 取长度为4 0 米、直径为6 毫米的1 号缆绳，绳子激励端的部分连接在1 号 力传感器上，并联上位移传感器l v d t ，固定端的部分连接在2 号传感器上。按 1 9 天津大学硕士学位论文第三章实验准备工作及影响因素验证方法 以下的表3 - 2 中所示来进行实验： 表3 - 2 空气中激励频率与幅值实验组数表 所选用的缆绳绳长( 米)直径( 毫米)激励频率( 赫兹) 激励幅值( 厘米) 1 号缆绳 4 061 28 1 号缆绳4 06 1 5 8 1 号缆绳4 061 88 1 号缆绳4 062 18 1 号缆绳4 062 48 1 号缆绳4 062 78 1 号缆绳4 063 o8 1 号缆绳4 06 1 21 2 1 号缆绳 4 061 51 2 1 号缆绳4 06 1 81 2 1 号缆绳 4 062 11 2 1 号缆绳4 062 4 1 2 l 号缆绳4 062 71 2 1 号缆绳 4 0 6 3 01 2 1 号缆绳4 061 21 6 1 号缆绳4 06 1 51 6 1 号缆绳 4 061 81 6 1 号缆绳4 06 2 11 6 1 号缆绳4 062 41 6 1 号缆绳4 062 7 1 6 1 号缆绳 4 063 o1 6 1 号缆绳4 061 22 0 1 号缆绳 4 061 52 0 1 号缆绳4 061 82 0 l 号缆绳 4 062 12 0 1 号缆绳4 06 2 42 0 1 号缆绳 4 062 72 0 l 号缆绳4 063 0 2 0 天津大学硕士学位论文第三章实验准备工作及影响因素验证方法 将激振设备的激励幅值，即曲柄滑块机构键的有效连入长度调到调整为8 厘 米，用拖车控制激励端的预张力8 0 牛顿( 由于拖车运动不可能准确的控制预张 力，我们将激励端的预张力控制在一定范围内) ，接通电源，调节变频器频率， 分别以频率1 2 至3 0 赫兹( 参照第二章中激振设备的使用和本章3 1 2 节中对应 的电动机变频器频率的换算) ，对缆绳进行激励，待缆绳运动稳定后，对数据采 集系统进行清零处理，然后开始对数据进行采集，采集时间为1 分钟，最后保存 所采集的试验数据，记录下张力及位移曲线； 然后移动拖车，使缆绳完全松弛，以便调整激励幅值为1 2 厘米，接下来继 续用拖车控制激励端的预张力8 0 牛顿，再以频率1 2 至3 0 赫兹对此激励幅值下 的缆绳进行激励，待缆绳运动稳定后，对数据采集系统进行清零处理，然后开始 对数据进行采集，采集时间为1 分钟，最后保存所采集的试验数据，记录下张力 及位移曲线； 重复以上步骤，分别改变激励幅值为1 6 和2 0 厘米，以频率1 2 至3 0 赫兹 对不同激励幅值下的缆绳进行激励，待缆绳运动稳定后，对数据采集系统进行清 零处理，然后开始对数据进行采集，采集时间为1 分钟，最后保存所采集的试验 数据，并记录下张力及位移曲线。 缆绳长度的影响 取长度为4 0 米、直径为6 毫米的缆绳，绳子激励端的部分连接在1 号力传 感器上，并联上位移传感器l v d t ，固定端连接在2 号传感器上。按下表3 3 所 示进行实验： 表3 - 3 空气中缆绳长度实验组数表