用于测定浮式结构摇摆运动水动力参数的水槽试验系统
本发明属于海洋工程及水动力试验领域，具体涉及一种用于测定浮式结构摇摆运动水动力参数的水槽试验系统。
背景技术：
1、随着海洋资源开发的需求不断增加，对于海洋结构物的研究变得愈发关键。在复杂的海洋环境中，诸如海上平台、浮式风力发电机等浮动结构会面临来自各个方向的力及力矩的影响，这不仅会对人员的舒适度造成显著影响，还可能危及生命安全和财产安全。因此，在实际工程项目中，准确评估浮式结构可能发生的运动响应及其影响显得尤为重要。为了深入理解和准确预测浮式结构(如海上平台、浮式风力发电机等)在流体环境中的行为，确定其水动力参数及实时波浪流荷载至关重要。这些关键数据可以通过多种手段获得，包括理论分析、数值模拟以及模型试验，对于设计和评估结构物在复杂流体环境中的性能起到了决定性的作用。例如，在海洋工程领域，这些参数能够帮助工程师评估和设计海洋平台、船只、水下设备等在波浪和海流作用下的表现及其安全性。
2、对于较为简单的结构，理论分析结合半经验公式可以快速估算特定条件下的水动力特性，尽管这种方法简便快捷，但由于其近似性和局限性，其实用价值有限。对于复杂形式结构，则更多地依赖于数值模拟技术，尤其是计算流体动力学(cfd)，它能够提供结构周围流场的详细信息，进而预测作用力及其导致的摇摆运动，从而获得相应摇摆运动的水动力参数。然而，高精度的模拟需要大量计算资源，特别是在处理实际水域的复杂情况时，还需要解决网格划分所带来的挑战，如发散现象和负体积等问题。
3、物理试验作为一种直接而有效的手段，对于获取水动力参数仍然不可或缺。在实验室水槽或开阔水域中构建按比例缩小的物理模型，通过拘束模试验强迫结构进行规定运动，从而获得相应的水动力参数。随后，通过施加人工波浪来模拟真实的海洋环境，以便收集实测水动力数据。对于直线运动(如横荡、纵荡)拖曳试验往往能够简单的布置并实施，利用测力天平等设备有效地测量并记录运动过程中力矩变化，进而确定相关的水动力系数。然而，对于横摇和纵摇这类旋转运动，依赖专门的六自由度运动平台来实现模型在特定频率和振幅下的摇摆。
4、目前，现有的拘束模试验装置通常固定在结构的上部，这对于直线运动的测试是适宜的。但是，对于旋转运动，尤其是模拟结构在海洋环境中的摆动，这些装置的摆动中心位于结构的上部，这并不符合实际情况，难以准确模拟结构在海洋环境中的真实摆动情况。此外，用于结构摇摆运动测量的专用的六自由度运动装置往往成本较高，通常需要在水槽建设初期安装，操作也较为复杂。鉴于这些问题，开发新的实验装置及方法变得尤为必要，服务于摇摆运动的水动力测量，同时降低试验成本和简化操作流程。
技术实现思路
1、基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种用于测定浮式结构摇摆运动水动力参数的水槽试验系统，以解决现有技术中存在的装置成本高、操作复杂、难以准确模拟真实海洋环境中结构摆动的问题。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于测定模型摇摆运动时水动力参数的试验系统，包括多组测力天平、水平移动底座、摇摆底座和无接触测量设备，待测模型通过多组测力天平与摇摆底座连接，摇摆底座转动连接在水平移动底座上，水平移动底座安装在两根平行的滑轨上能够沿滑轨做横向移动，摇摆底座通过摇杆机构驱动沿纵向进行往复摇摆运动，从而实现模拟水中荡与摇的耦合运动模式，所述的测力天平用于测量待测模型在随体坐标系下的总荷载，无接触测量设备用于记录待测模型关键点位移并获取加速度数据；该系统的实现方法步骤如下：
3、步骤s1：将试验系统放置于水上，通过摇杆机构驱动摇摆底座使得待测模型按照预定摇摆模式运动，记录此时动坐标下的合力及运动状态；将摇摆底座的安装方向按顺时针或逆时针旋转90°，之后再次将待测模型按照预定摇摆模式运动，从而获取多组数据；当待测模型运动前，采集的数据为：测力天平采集数据fsensor＝{fx,fy,fz}，其中，x、y、z为测力天平的随体坐标系，无接触测量设备获取n个关键节点坐标pn＝{xn,yn,zn}，待测模型运动时，关键节点坐标记作p′n＝{x′n,y′n,z′n}，有下面关系式：{xn′,yn′,zn′}＝{xn,yn,zn}r+{ξ1,ξ2,ξ3}，其中，ξ1,ξ2,ξ3分别为待测模型在x、y、z方向的刚体平动位移，旋转矩阵r是含有9个未知量的矩阵，在旋转矩阵中，α,β,γ为旋转的欧拉角，旋转矩阵r的公式如下：
4、
5、通过多组关键节点位置关系，利用最小二乘法拟合得到旋转矩阵r和平动的位移，进而确定待测模型空间位置x＝{ξ1,ξ2,ξ3,α,β,γ}，随后通过两次差分得到对应速度和加速度数据；
6、步骤s2：根据步骤s1采集的数据,此时如下方程成立，其中{g}为重力，[m]为质量矩阵，设质量矩阵为6×6的未知数矩阵，即[m]＝[mij]6×6，利用最小二乘法求解质量矩阵未知系数mij，完成待测模型质量矩阵的标定；
7、步骤s3：将试验系统放置于水中，并调整至预定的初始位置，驱动水平移动底座进行水平方向运动，并驱动摇摆底座进行往复摇摆运动，使待测模型按照预设的摇摆模式开始运动，下面运动方程成立，使用测力天平持续监测，并实时跟踪模型的空间位置{x}；
8、步骤s4：求解所述的运动方程，其中{fb}是浮力的变化，在待测模型表面对静水压积分计算，即其中，ρ是水的密度，g是重力加速度，ni是待测模型表面的法向量，进一步计算得到辐射力{fr}；
9、步骤s5：通过不同频率的位移{x}ω和辐射力{fr}ω，得到对应辐射力其中，附加质量矩阵[madd]和附加阻尼矩阵[cadd]均为6×6的未知数矩阵，通过对某个频率振荡运动的辐射力{fr}ω进行相位分解，得到对应的附加质量矩阵[madd]和附加阻尼矩阵[cadd]；
10、步骤s6：调整待测试模型至预定的初始位置，等待水面完全静止后进行造波，使得待测试模型在波浪作用下受迫摆动，并持续采集力{fsensor}及待测模型空间位置{x}数据，求解运动方程得到流体作用力{fi+fd+fr+fb}，进一步的分离波浪入射力和绕射力成分{fi+fd}，为了求解运动方程，首先需要将重力、流体作用力、惯性力都统一到天平合力fsensor所在的随体坐标系，天平合力所在的随体坐标系上一矢量fm与空间固定坐标系下的形式存在关系
11、步骤s7：根据步骤s6采集的数据和步骤s2标定的质量矩阵，获取惯性力及静水力，同时计算瞬时的旋转矩阵r，将力转化为统一坐标系，并输出流体动力作用力；
12、步骤s8：根据步骤s4和步骤s5获取的水动力参数,进一步计算流体作用力{fi+fd+fr+fb}，提取波浪入射力和绕射力成分{fi+fd}，重复试验，再对试验过程中收集的所有数据进行存储与分析，准确获取模型在水中摇摆运动时受到的流体动力作用力。
13、本发明的有益效果及优点在于：本发明能够降低试验操作难度，能够准确获取模型在水中摇摆运动时受到的流体动力作用力，为海洋结构物的设计和评估提供了可靠的实验数据支持。
技术特征：
1.一种用于测定模型摇摆运动时水动力参数的试验系统，其特征在于：包括多组测力天平、水平移动底座、摇摆底座和无接触测量设备，待测模型通过多组测力天平与摇摆底座连接，摇摆底座转动连接在水平移动底座上，水平移动底座安装在两根平行的滑轨上能够沿滑轨做横向移动，摇摆底座通过摇杆机构驱动沿纵向进行往复摇摆运动，从而实现模拟水中荡与摇的耦合运动模式，所述的测力天平用于测量待测模型在随体坐标系下的总荷载，无接触测量设备用于记录待测模型关键点位移并获取加速度数据；该系统的实现方法步骤如下：
技术总结
本发公开一种用于测定浮式结构摇摆运动水动力参数的水槽试验系统，包括多组测力天平、水平移动底座、摇摆底座和无接触测量设备，模型通过多组测力天平与摇摆底座连接，摇摆底座转动连接在水平移动底座上，水平移动底座和摇摆底座的运动实现模拟水中荡与摇的耦合运动模式，测力天平用于测量模型在随体坐标系下的总荷载，无接触测量设备用于记录模型关键点位移并获取加速度数据，本发明通过标定质量矩阵及计算惯性力部分，结合动态响应时程数据和静水力变化时程数据，最后转换不同坐标系下的力矢量到统一坐标系中，从而确定模型在水中摇摆运动时所受流体动力作用力。本发明能能够准确获取模型在水中摇摆运动时受到的流体动力作用力。
技术研发人员：刘嘉斌,卿景博,郭安薪
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5