[发明专利]一种用于模拟海洋环境载荷的装置

摘要

一种用于模拟海洋环境载荷的装置。包括长度和宽度方向的反力架及加载单元、海洋导管架平台模型、计算机系统和伺服驱动器；其中，长度方向的加载单元沿模型长度方向施加水平载荷，宽度方向的加载单元沿模型宽度方向施加水平载荷；两个方向的加载单元均包括由伺服电机和作动器构成的伺服电动缸、前端和后端连接板、前端和后端球铰组件以及位移和压力传感器；反力架与地面混凝土基础相连，上端通过焊接与加载装置的后端连接板相连，从而起到支持作用；所述计算机系统根据要求设定载荷参数和PID调节参数，对伺服驱动器发出指令并接其采集的数据。该装置可以对模型施加不同参数的规则波或随机波载荷，并具有抗冲击、寿命长以及操作维护简单的特点。

主权项

1.一种用于模拟海洋环境载荷的装置，包括导管架海洋平台模型、宽度方向载荷模拟单元、长度方向载荷模拟单元、计算机系统、和伺服驱动器，其特征在于：所述的导管架海洋平台模型是由若干钢管焊接而成的桁架结构，包括工作平台(1)、导管腿(2)、拉筋(3)和桩基(4)；工作平台(1)由甲板、梁和立柱组成，与导管腿通过焊接连接；拉筋(3)包括横撑和斜撑，作为导管腿(8)之间的连接构件；桩基(4)是由钢板和钢结构焊接而成的箱体结构，上部与导管腿(8)通过螺栓连接，下部通过地脚螺栓与混凝土基础连接；工作平台的底层和导管架主体第一层之间的部分为飞溅区，为直接承受载荷的区域；所述宽度方向载荷模拟单元包括宽度方向的反力架(5)和宽度方向的加载机构(6)，所述宽度方向载荷模拟单元的作用为沿宽度方向施加水平载荷；所述的宽度方向的反力架(5)底部通过地脚螺栓与桩基混凝土固定连接，并通过焊接作用与桩基(4)固定连接，上部通过焊接作用与宽度方向的后端连接板固定连接，从而起到支持的作用；所述的宽度方向的加载机构(6)包括后端连接板(10)、后端球铰组件(12)、压力传感器(15)、作动器(16)、伺服电机(21)、位移传感器(22)、前端球铰组件(18)以及前端连接板(19)；所述的后端连接板(10)与宽度方向的反力架(5)固定连接，上面开有4个螺纹孔，通过4个内六角螺栓(11a)与后端球铰组件(12)固定连接；后端球铰组件通过1个双头螺杆(13)和消隙环(14)与压力传感器(15)固定连接；压力传感器(15)通过8个内六角螺栓与作动器(16)固定连接，其作用是检测作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号，并将信号传输给伺服驱动器；位移传感器(22)通过内六角螺栓与伺服电机固定连接，其作用是检测作动器丝杆(17)的实际位移信号，并将信号传输给伺服驱动器；伺服电机(21)的旋转运动通过同步带转化为作动器丝杆(17)的往复直线运动，进而实现非定常水平载荷的输出；前端球铰组件(18)通过作动器丝杆(17)连接在一起，在前端连接板(19)上开有4个螺栓孔，通过内六角螺栓(11b)与前端球铰组件(18)固定连接在一起，同时，前端连接板(19)通过5个卡扣(20a)和20个内六角螺栓(11c)与导管架海洋平台模型(7)固定连接，连接位置为宽度方向的飞溅区，将前端球铰组件(18)调整为水平位置后，能够实现作动器(16)输出的非定常水平载荷传递到导管架海洋平台模型(7)，并通过前端连接板(19)将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；所述长度方向载荷模拟单元包括长度方向的反力架(9)和长度方向的加载机构(23)；所述长度方向载荷模拟单元的结构组成与所述宽度方向载荷模拟单元相同，其作用是沿长度方向施加水平载荷；所述计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数和PID调节参数，所述载荷参数为波形、幅值、频率和循环次数，然后将载荷参数和PID调节参数指令传输给所述伺服驱动器；所述计算机系统以曲线形式将所述伺服驱动器反馈的实际控制信号与给定信号出现在人机交互界面；所述伺服驱动器通过电缆线为所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机提供电源；所述伺服驱动器接收计算机系统传递过来的参数指令，以控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩；所述伺服驱动器通过电缆线接收所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的位移传感器和压力传感器传输过来的实际载荷信号和位移信号，并与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次将控制信号传输给所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机，进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给所述计算机系统；所述长度方向载荷模拟单元和宽度方向载荷模拟单元内的伺服电机、压力传感器和位移传感器通过电缆线分别与伺服驱动器的两个通道相连，两个通道又通过串口分别与所述计算机系统相连；所述计算机系统通过人机交互界面根据要求分别设定两个通道的载荷参数和PID调节参数，然后将参数指令传输给伺服驱动器；所述伺服驱动器一方面通过电缆线为两个方向的伺服电机提供电源，另一方面将计算机系统的参数指令通过A/D将数字信号转换成模拟信号，控制两个方向的伺服电机的转数和扭矩，进而通过作动器实现非定常水平载荷的输出，最终通过前端球铰组件和前端连接板将非定常水平载荷在水平方向上施加在导管架海洋平台模型上，并将单点作用力转换为面作用力，从而施加在整个导管架海洋平台模型的飞溅区；作用在导管架海洋平台模型上的实际载荷信号或位移信号通过压力传感器或位移传感器传输给伺服驱动器，伺服驱动器通过D/A将模拟信号转换成数字信号，并将实际载荷信号或位移信号与给定信号进行比较得到偏差信号，通过PID调节得到控制信号，一方面再次通过A/D转换，将控制信号传输给伺服电机，在小范围内进行补偿调节，另一方面将控制信号传输给计算机系统，以曲线形式将控制信号与给定信号出现在人机交互界面，根据两者的拟合度评价该装置模拟载荷的准确度，根据需要调整PID调节参数以得到最好的模拟载荷。