[发明专利]一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验装置及方法

说明书

本发明提供了一种研究锚链循环运行下动力响应和流场特征的实验装置及方法，所述实验装置能够实现多个自由度方向的运动形式传递，如果需要实现不同方向上运动形式的传递，只需通过调节不同方向的机械滑块的运动速度即可实现；该方法可记录锚链的张力变化以及捕捉锚链尾部流场形态变化；该方法可以同时实现锚链在循环运动下其动力响应的记录与其尾部流场特征变化的捕捉，尤其是锚链张力变化记录可以实现实时输出实验方法所述实验方法能够在较小的实验装置条件下同时模拟多根锚链在多个方向上的循环运动，并记录其动力响应以及其尾部位于不同高度和位置平面的水平、竖直平面的流场信息。

技术领域

本发明涉及一种研究锚链循环运动的模型实验方法，尤其是研究锚链在多种循环运动下其动力响应和流场特征的实验装置及方法。

背景技术

系泊系统是浮式结构物的重要组成部分，起到限制运动并保护结构的作用。当前，对于浮式结构物系泊系统的研究主要有数值模拟方法和物理模型实验方法，其研究内容主要集中在系泊系统在环境载荷作用下的动力响应、系泊锚链的张力变化以及浮式结构物的运动轨迹变化等，而对于由系泊锚链的运动变化对系泊锚链的运动形态变化以及触底点区域的流场形态特征变化研究较少。

目前的系泊系统模拟实验主要在大型实验水池当中进行，为了模拟实际海况中风、浪、流载荷的复杂影响，实验水池的尺度通常较大，一方面各个自由度上的运动耦合给单独研究某一个自由度上的运动响应带来难度，另一方面现有流场测速实验装置尺度较小、防水性能差且在大型水池当中布置困难，难以捕捉到锚链在循环运动下其触底点段区域附近尾部流场的变化情况。因此，本发明的目的是设计一种集记录系泊锚链在单一自由度以及多个自由度耦合方向上循环运动时锚链的张力变化与锚链触底段尾部流场特征变化捕捉于一体的模型实验装置及方法。

发明内容

本发明针对传统的浮式结构物锚泊系统的研究存在缺乏对于锚链触底段尾部流场特征变化的相关问题，设计了一种新型的研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验技术方案。该方法不仅可以同时记录和捕捉锚链在循环运动下的动力响应与流场特征，而且通过模块化组合之后可以模拟多个方向自由度运动的结合，有利于进一步在小尺度的实验环境条件下更加方便地模拟浮式结构物系泊系统的运动响应以及相应的流场形态的变化。进一步通过改变PIV激光照射平面与方向，该设计实验方案可以捕捉触底段不同水深以及不同平面的流场形态变化情况。

本发明所采用的技术方案是：

一种研究锚链循环运动的模型实验装置，所述的实验装置包括透明的实验水槽、控制系统与电源装置、机械滑轨、PIV激光发射器与高速相机以及标定板；

所述的机械滑轨包括机械滑块、滑轨丝杆和伺服电机；所述的滑轨丝杆穿过机械滑块，所述的伺服电机用于控制滑轨丝杆转动从而带动机械滑块运动，所述的伺服电机另一端与控制系统与电源装置连接；所述的机械滑轨位于实验水槽上方；

所述的实验水槽底部设有不锈钢固定板；

所述的机械滑块与不锈钢固定板之间连接有金属锚链；

所述的机械滑轨沿X轴、Y轴以及Z轴方向分布，且三者以互成90度的方式依次在上一个机械滑轨上搭接，组成运动形式传递结构，使得机械滑块可带动金属锚链在水平自由度、竖直自由度以及多个自由度方向上耦合运动；

所述的PIV激光发射器位于实验水槽侧面或底面，沿实验水槽侧面与底面均可发射厚度为2mm的激光束；

所述的高速相机位于实验水槽侧面或底面，其摆放位置与PIV激光发射器的激光发射方向成90°夹角，可透过实验水槽对实验过程进行拍摄；所述的高速相机的拍摄采样帧率最低60fps；

所述的标定板包括水平模块化标定板和竖直模块化标定板。

上述技术方案中，进一步地，所述的机械滑块与金属锚链之间设有顶端测力传感器，不锈钢固定板与金属锚链之间设有防水传感器。