專(zhuān)利名稱(chēng):拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量技術(shù)。
背景技術(shù):
在深海油氣資源的開(kāi)發(fā)中,隨著大型和超大型海上順應(yīng)式結(jié)構(gòu)物的逐漸增多,適用于深水和超深水的系泊系統(tǒng)日益受到重視。研發(fā)新型深水系泊系統(tǒng)和新型深水系泊技術(shù),成為國(guó)際海洋油氣資源開(kāi)發(fā)和國(guó)際海洋工程技術(shù)界的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。
20世紀(jì)80年代中期,人們發(fā)現(xiàn)深海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,由此在全世界范圍內(nèi)掀起了一股深海油氣資源開(kāi)發(fā)技術(shù)研究的熱潮。隨著油氣開(kāi)采向深水化推進(jìn),新型繃緊式系泊系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)日益突現(xiàn),它不僅能節(jié)約材料,降低投資,同時(shí)也能減小系泊半徑,優(yōu)化系泊方式。而與繃緊式系泊系統(tǒng)相配合的系泊基礎(chǔ)——新型拖曳錨也日益受到青睞,它能同時(shí)承受水平和垂直荷載,具有較高的抗拔承載力,同時(shí)具備重量輕、材料省、易操作、易存儲(chǔ)、可回收和重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。
在國(guó)外,目前新型拖曳錨在設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用等方面均存在很多問(wèn)題有待深入認(rèn)識(shí)和解決。在國(guó)內(nèi),更無(wú)自主應(yīng)用新型拖曳錨的先例。針對(duì)拖曳錨關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,主要有模型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用三種方法。由于拖曳錨嵌入在不可見(jiàn)的海洋土中,所以對(duì)錨板實(shí)施精確定位,并探測(cè)其嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡成為實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前在國(guó)際范圍內(nèi),關(guān)于拖曳錯(cuò)在土體中運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)主要存在以下幾種方法.-
1、 1994年,Neubecker和Randolph在西澳大學(xué)巖土離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展傳統(tǒng)拖曳錨的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)選用金屬探針作為軌跡測(cè)量設(shè)備固定在錨脛上,與錨脛成直角。探針隨錨板嵌入一起前進(jìn),通過(guò)電子刻度系統(tǒng)對(duì)探針的感應(yīng)并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾何換算測(cè)得錨板的三個(gè)自由度(水平位移、豎向位移和錨板方位角),從而測(cè)得錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
雖然這種測(cè)量方法在離心機(jī)實(shí)驗(yàn)中操作簡(jiǎn)單有效,但是在模型水槽實(shí)驗(yàn)中其適用性還存在疑問(wèn)。 一方面,探針固定在錨脛上將會(huì)影響錨板嵌入,另一方面,隨著模型比尺增大,探針尺寸也相應(yīng)增大,這將勢(shì)必產(chǎn)生更大的土抗力致使探針發(fā)生變形,從而嚴(yán)重影響測(cè)量精度。
2、 1999年,Dahlberg和Strom在其開(kāi)展的新型拖曳錨海岸場(chǎng)地測(cè)試中,選用軌跡跟蹤器固定在錨板上,測(cè)量了包括錨板方位角、錨板翻轉(zhuǎn)角和拖曳力等在內(nèi)的錨板多運(yùn)動(dòng)參數(shù)。同時(shí)結(jié)合錨板運(yùn)動(dòng)位移的測(cè)量,得到了完整的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在拖曳前期(拖曳距離在4 5倍錨長(zhǎng)之內(nèi)),測(cè)量軌跡與實(shí)際軌跡吻合較好,但在拖曳后期將會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。值得注意的是這種跟蹤器測(cè)量法,由于其體積較大,只適用于大比尺的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),而在實(shí)驗(yàn)室小比尺的模型實(shí)驗(yàn)中并不適用。
3、 2000年,Goncalves等實(shí)施拖曳錨模型水槽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用模型錨板定位系統(tǒng)測(cè)量錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。系統(tǒng)采用滑輪組和導(dǎo)軌將三根碳纖維繩與錨板相連,通過(guò)三個(gè)拉線位移傳感器測(cè)得各纖維繩伸長(zhǎng)量的變化曲線,應(yīng)用相應(yīng)軟件計(jì)算出任意瞬時(shí)錨板重心的坐標(biāo)和錨板傾角,從而獲得錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
從以上測(cè)量方法來(lái)看,由纖維繩伸長(zhǎng)量換算出錨板的瞬時(shí)位置,其計(jì)算過(guò)程尚存疑問(wèn),除此以外,定位系統(tǒng)還存在一個(gè)更為關(guān)鍵的問(wèn)題,即隨著錨板嵌入,纖維繩由于其回復(fù)力較小,將因土抗力的存在呈現(xiàn)出復(fù)雜的曲線形狀,由此根據(jù)幾何關(guān)系不能真實(shí)可靠地得到錨板的瞬時(shí)位移。
4、 2000年,Heyerdahl和Eklund針對(duì)定位安裝平板錨(Position Installed PlateAnchors)開(kāi)展靠海陸地測(cè)試。測(cè)試選用三個(gè)傾角傳感器,分別用于測(cè)量錨板的傾斜、翻轉(zhuǎn)角度及拖纜與錨板連接處的角度,此外將壓力傳感器埋置于錨板內(nèi)部測(cè)量錨板的埋置深度。
因?yàn)榇祟?lèi)錨板不是拖曳嵌入平板錨,所以并沒(méi)有測(cè)量錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡,測(cè)試采用壓力傳感器測(cè)量錨板的埋置深度在實(shí)驗(yàn)操作中相對(duì)簡(jiǎn)單。但主要問(wèn)題在于壓力傳感器能否精確而靈敏地反映錨板的嵌入深度,這要求實(shí)驗(yàn)土體必須具有足夠的穩(wěn)定性和可重復(fù)性,考慮到測(cè)量精度的問(wèn)題,該測(cè)量方法并不適用于實(shí)驗(yàn)室模型水槽實(shí)驗(yàn)。
5、 2000年,Nunes Dias等采用一種監(jiān)控裝置探測(cè)法向承力錨在海洋土中的運(yùn)動(dòng)軌跡,此裝置主要由光學(xué)編碼器及磁感線發(fā)射器組成。將裝置連接于錨板,能夠獲得與錨板嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù),包括錨板的傾斜與翻轉(zhuǎn)角度和錨板的位移等。通過(guò)數(shù)學(xué)方程的迭代運(yùn)算,結(jié)合相應(yīng)的校正系數(shù),可以得到錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
很顯然,這種測(cè)量方法在靠海陸地測(cè)試和近海場(chǎng)地測(cè)試中有其極大的優(yōu)越性,但由于其尺寸較大,因此并不適合實(shí)驗(yàn)室模型水槽實(shí)驗(yàn)。
6、 2002年Elkhatib等開(kāi)展法向承力錨的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)。為了觀測(cè)錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)驗(yàn)前將模型錨板涂抹高錳酸鉀試劑,待測(cè)試結(jié)束后,小心剖開(kāi)土體,露出錨板嵌入運(yùn)動(dòng)后留下的深紅色軌跡。
這種直接觀測(cè)軌跡的方法在錨板的多運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量中將不可避免的帶來(lái)誤差,同時(shí)它也僅適用于小比尺的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)。
縱觀以上測(cè)量方法,目前在拖曳錨模型水槽實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)量方法,在精確性、穩(wěn)定性、可行性等方面還存在缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足,提供一種拖曳錨嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法,適用于模型水槽實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)陸地測(cè)試,對(duì)拖曳錨在不可見(jiàn)海洋土中的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定的測(cè)量。為此,本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法,包括下列步驟
(1) 固定拉線傳感器;
(2) 將雙軸傾角傳感器埋置在拖曳錨內(nèi),確保雙軸傾角傳感器的軸線和錨板的軸線對(duì)齊,并確保錨脛連接關(guān)于錨板的軸線對(duì)稱(chēng);
(3 ) 通過(guò)滑輪組的導(dǎo)向作用將拉線傳感器的拉線接于拖曳錨尾部;
(4) 將拖曳錨放置在海床面上,并形成初始嵌入角度;
(5) 對(duì)拖曳錨施加作用在錨板軸線上的水平外力,使其嵌入土體內(nèi),實(shí)時(shí)釆集拉線傳感器和雙軸傾角傳感器獲取的位移信號(hào),、傾斜角度信號(hào)和翻轉(zhuǎn)角度信號(hào)。
(6) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的迭代公式x; = x", + - A—,) cos a,和= + (A - Z),—i) sin a,
迭代計(jì)算拖曳瞬時(shí)的橫、縱坐標(biāo),式中x,.和y,是錨板的橫、縱坐標(biāo),A為扣除初始長(zhǎng)度的拉線伸長(zhǎng)量,a,為錨板的傾斜角度,獲得錨板在土體中完整的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。本發(fā)明同時(shí)提供一種實(shí)現(xiàn)該種測(cè)量方法的測(cè)量裝置
一種拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量裝置,包括用于裝載土體的水槽,(、)拉線傳感器、埋置于拖曳錨上的雙軸傾角傳感器、數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)和滑輪組。雙軸傾角傳感器的軸線和錨板的軸線對(duì)齊,拉線傳感器固定在水槽上,通過(guò)滑輪組的導(dǎo)向作用將拉線傳感器的拉線接于拖曳錨,部,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集拉線傳感器和傾角傳感器的位移信號(hào)、傾斜角度信號(hào)和il轉(zhuǎn)角度信號(hào),并根據(jù)公式;c,:;^+(Z),-Z^)cosa,和
X"w+(D,-Z^)sin^迭代計(jì)算拖曳錨瞬時(shí)的橫、縱坐標(biāo),式中A和x是錨板的橫、縱
坐標(biāo),D,為扣除初始長(zhǎng)度的拉線伸長(zhǎng)量,",為錨板的傾斜角度,獲得錨板在土體中完整
的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
本發(fā)明在測(cè)量中采用了拉線傳感器,由于此類(lèi)傳感器拉線的回復(fù)力很小,拉線并不能隨著嵌入的進(jìn)行而橫向切割土體,將呈現(xiàn)出與錨板嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡相似的形狀。同時(shí)基于錨板瞬時(shí)行進(jìn)的方向與錨板平面平行的原理,扣除拉線傳感器通過(guò)滑輪組和土體表面的長(zhǎng)度,測(cè)量值反映的將是錨板瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的總位移。此種測(cè)量方法和裝置,設(shè)備簡(jiǎn)單,實(shí)施容易,并具有較高的精度。
圖1為本發(fā)明的拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量裝置布置示意圖。圖2工況一錨板運(yùn)動(dòng)軌跡圖。圖3工況二錨板運(yùn)動(dòng)軌跡圖。圖4工況三錨板運(yùn)動(dòng)軌跡圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明如下1拖曳錨2水槽 3雙軸傾角傳感器4拉線傳感器5滑輪組6拉線
圖2、圖3和圖4中,實(shí)線為本測(cè)畺方法結(jié)果,散點(diǎn)為人工測(cè)量結(jié)果
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
本發(fā)明的測(cè)量裝置,包括用于裝載土體的水槽,拉線傳感器、雙軸傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和滑輪組。在所述拖曳錨的軸線上設(shè)有凹槽,雙軸傾角傳感器埋置于槽內(nèi),拉線傳感器固定在水槽上,通過(guò)滑輪組的導(dǎo)向作用將拉線傳感器的拉線接于拖曳錨尾部,拉線傳感器和傾角傳感器的位移信號(hào)、傾斜角度信號(hào)和翻轉(zhuǎn)角度信號(hào)被送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本發(fā)明測(cè)量裝置的布置圖見(jiàn)圖1,其中拉線傳感器布置于水槽壁,通過(guò)滑輪組的導(dǎo)向作用將拉線接于錨板尾部,并使拉線伸出端與沙面平齊。雙軸傾角傳感器埋置在錨板內(nèi)部,能夠直接測(cè)量錨板的傾斜和翻轉(zhuǎn)兩個(gè)角度,測(cè)量時(shí),需要確保雙軸傾角傳感器的軸線和錨板的軸線對(duì)齊,并確保錨脛連接關(guān)于錨板的軸線對(duì)稱(chēng)。測(cè)量過(guò)程中,需要對(duì)拖曳錨施加作用在錨板軸線上的水平外力,使其嵌入土體內(nèi),拉線將隨著錨板的逐漸嵌入而被拉出。由于傳感器中拉線的回復(fù)力很小,僅有幾個(gè)牛頓,由此可知,拉線并不能隨著嵌入的進(jìn)行而橫向切割土體,這說(shuō)明,拉線在土體以下的部分,由于土抗力的作用,將呈現(xiàn)出與錨板嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡相似的形狀。同時(shí)基于錨板瞬時(shí)行進(jìn)的方向與錨板平面平行的原理,扣除拉線傳感器通過(guò)滑輪組和土體表面的長(zhǎng)度,測(cè)量值反映的將是錨板瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的總位移。至此,如果知道錨板瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的總位移以及錨板的方位角,經(jīng)過(guò)以下的迭代公式,可得錨板在任意瞬時(shí)的橫、縱坐標(biāo)。
= ^一 + (", — ,) COS Of, ( 1 )
n+(D,-D,》— (2)式中;c,和^是錨板的橫、縱坐標(biāo),A為扣除初始長(zhǎng)度的拉線伸長(zhǎng)量,",為錨板的傾斜角度。
通過(guò)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的監(jiān)控與儲(chǔ)存,記錄拉線伸長(zhǎng)量和錨板傾角的變化過(guò)程,結(jié)合以上公式的迭代計(jì)算,將獲得錨板在土體中完整的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
本發(fā)明技術(shù)可有效應(yīng)用于針對(duì)新型拖曳錨開(kāi)展的科學(xué)研究,包括實(shí)驗(yàn)室模型水槽實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)陸地實(shí)驗(yàn)。
1、實(shí)驗(yàn)室模型水槽實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室模型水槽實(shí)驗(yàn)中,以飽和海洋粘土和沙土作為錨板的嵌入介質(zhì),將拉線傳感器連接在錨板尾部,雙軸傾角傳感器埋置于錨板內(nèi)部。模擬實(shí)際的拖曳情況對(duì)模型錨板實(shí)施水平拖曳,通過(guò)采集系統(tǒng)監(jiān)控并儲(chǔ)存各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù),經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)換,可繪制出完整的錨板嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
62、現(xiàn)場(chǎng)陸地實(shí)驗(yàn)
實(shí)施方式同模型水槽實(shí)驗(yàn)基本相同。
為檢驗(yàn)本發(fā)明的測(cè)量方法和測(cè)量裝置的精度,發(fā)明人設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的基本 工況如下
土體為不飽和松沙,采用錨寬為250mm的簡(jiǎn)化正方形模型錨板實(shí)施實(shí)驗(yàn)。共設(shè)計(jì)三 組工況,其中系纜點(diǎn)處拖纜與錨板面的夾角(即合力與錨板平面的夾角)分別為23', 26° 和30°,各工況重復(fù)三次。
采用人工探測(cè)法對(duì)上述測(cè)量技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),其方法是,沿模型水槽橫向和縱向精確 標(biāo)記刻度,將模型錨板的嵌入運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為六段,采用探針實(shí)時(shí)探測(cè)包括錨板最終位置 在內(nèi)的六個(gè)測(cè)量點(diǎn),記錄各測(cè)量點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。
結(jié)果表明,模型水槽實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)吻合較好,三種工況的測(cè)量誤差分 別為11.1%, 6.32%和4.87%。由此可知工況一的測(cè)量誤差較大,這是因?yàn)楹狭εc錨板 的夾角較小,在此角度下實(shí)施拖曳,錨板處于極淺埋的情況,又因?qū)嶒?yàn)土質(zhì)為非飽和松 沙,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差偏大。而工況二和工況三精度較高,這是因?yàn)楹狭εc錨板的夾角較前 者增大,錨板在拖曳結(jié)束后錨板嵌入較深,土抗力相應(yīng)增加,使拉線與錨板軌跡擬合更 好,精度提高。由此可得, 一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境為飽和沙土或飽和粘土, 土抗力較非飽和松沙 增大,因此在一般的實(shí)驗(yàn)工況下,這種測(cè)量方法能夠保證很高的測(cè)量精度,滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需 要。
權(quán)利要求
1.一種拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法,包括下列步驟(1)固定拉線傳感器;(2)將雙軸傾角傳感器埋置在拖曳錨內(nèi),確保雙軸傾角傳感器的軸線和錨板的軸線對(duì)齊,并確保錨脛連接關(guān)于錨板的軸線對(duì)稱(chēng);(3)通過(guò)滑輪組的導(dǎo)向作用將拉線傳感器的拉線接于拖曳錨尾部;(4)將拖曳錨放置在海床面上,并形成初始嵌入角度;(5)對(duì)拖曳錨施加作用在錨板軸線上的水平外力,使其嵌入土體內(nèi),實(shí)時(shí)采集拉線傳感器和雙軸傾角傳感器獲取的位移信號(hào)、傾斜角度信號(hào)和翻轉(zhuǎn)角度信號(hào)。(6)根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的迭代公式xi=xi-1+(Di-Di-1)cosαi和yi=y(tǒng)i-1+(Di-Di-1)sinαi計(jì)算拖曳錨瞬時(shí)的橫、縱坐標(biāo),式中xi和yi是錨板的橫、縱坐標(biāo),Di為扣除初始長(zhǎng)度的拉線伸長(zhǎng)量,αi為錨板的傾斜角度,由此獲得錨板在土體中完整的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
2. —種拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量裝置,包括用于裝載土體的水槽,拉線傳感 器、雙軸傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和滑輪組。在所述拖曳錨的軸線上開(kāi)設(shè)有凹槽,雙 軸傾角傳感器埋置于槽內(nèi),拉線傳感器固定在水槽壁上,通過(guò)滑輪組的導(dǎo)向作用將拉線 傳感器的拉線接于拖曳錨尾部,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集拉線傳感器和傾角傳感器的位移 信號(hào)、傾斜角度信號(hào)和翻轉(zhuǎn)角度信號(hào),并根據(jù)公式x,-;^+(A-A-》cosa,和X二J^+(A-AJsin",迭代計(jì)算拖曳錨瞬時(shí)的橫、縱坐標(biāo),式中x,和少,是錨板的橫、縱坐標(biāo),A為扣除初始長(zhǎng)度的拉線伸長(zhǎng)量,",為錨板的傾斜角度,由此獲得錨板在土體中 完整的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。
全文摘要
本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種用于海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)的拖曳錨在土體中嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法,包括(1)固定拉線傳感器;(2)將雙軸傾角傳感器埋置在拖曳錨內(nèi),確保雙軸傾角傳感器的軸線和錨板的軸線對(duì)齊,并確保錨脛連接關(guān)于錨板的軸線對(duì)稱(chēng);(3)通過(guò)滑輪組將拉線傳感器的拉線接于拖曳錨尾部;(4)將拖曳錨放置在海床面上,并形成初始嵌入角度;(5)對(duì)拖曳錨施加作用在錨板軸線上的水平外力,使其嵌入土體內(nèi),實(shí)時(shí)采集拉線傳感器和雙軸傾角傳感器獲取的信號(hào);(6)迭代計(jì)算拖曳錨瞬時(shí)的橫、縱坐標(biāo),獲得錨板在土體中完整的嵌入運(yùn)動(dòng)軌跡。本發(fā)明同時(shí)提供實(shí)現(xiàn)上述方法的一種測(cè)量裝置。本發(fā)明提供的測(cè)量方法和裝置,具有設(shè)備簡(jiǎn)單,實(shí)施容易,精度較高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B21/02GK101526348SQ20091006832
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者劉海笑, 周海芳, 煒 張, 盛志剛 申請(qǐng)人:天津大學(xué)