本发明涉及锚泊线振动测试领域，尤其涉及一种浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置及试验方法。
背景技术：
1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、随着我国海洋资源开发力度不断加大。一方面，海洋资源开发逐渐由近海向深远海推进，海洋浮式油气平台、浮式风机平台、浮式岛礁平台等一大批浮式平台工程建设蓬勃发展。另一方面，复杂的海流荷载环境为浮式平台工程，尤其是其水下锚泊系统的安全建设带来了巨大挑战。特别的，当海流作用于锚泊线这类细长水下结构物时，会在其下游位置产生交替脱落的漩涡，漩涡的泄放会使锚泊线表面受到流向和横向的脉动压力。当漩涡脱落的频率接近锚泊线自身的固有频率时，脉动压力会诱发锚泊线的周期性振动，即“涡激振动”。这种同频振动会导致锚泊线疲劳损伤甚至破坏失效，严重威胁上部浮式平台的稳定性。
3、目前，常用的锚泊线涡激振动试验装置主要包括拖曳水池、射流装置、循环水槽等。上述试验装置虽然能够在一定程度上模拟海洋环境，但是拖曳水池设备成本较高、运行维护费用大。射流装置的射流稳定性和均匀性难以保证。循环水槽适用于模拟一定流速和流向的海流，无法模拟真实的三维海流。此外，本发明人发现上述的这些试验装置均未考虑潮汐流、梯度流、风浪流多种海洋环境因素的组合作用，且无法有针对性地测试锚泊线这类细长水下结构物的涡激振动响应。另外，目前一些技术采用应变片、位移及加速度传感器等方法监测浮式平台锚泊线的涡激振动响应特性。但这种测量方式会不可避免地对待测材料自身的振动性能造成影响，尤其是对锚泊线这类细长柔性结构，导致测量结果的准确性降低。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提出一种浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置及试验方法，其能够模拟真实的三维海流环境，并且可在不影响锚泊线自身性能的情况下实现浮式平台锚泊系统涡激振动响应的准确模拟测试。具体地，本发明的技术方案如下所示。
2、首先，本发明提供一种浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，包括：透明水池、可升降支座、冷源、热源、高速摄像机、激光器、浮式平台缩尺模型、锚泊线缩尺模型、锚泊基础缩尺模型和风力调节系统。其中：所述透明水池的上端为开口状，其支撑连接在所述可升降支座上，且若干个可独立运行的所述可升降支座分布在透明水池的两端底面上，且所述可升降支座可在控制系统的控制下进行周期性抬升、降落，使透明水池中的试验水场模拟潮汐作用。所述冷源设置在透明水池内的底面上，所述热源设置在透明水池上方。所述高速摄像机、激光器均设置在透明水池的外侧且瞄向透明水池内部，且该高速摄像机与所述控制系统连接。所述浮式平台缩尺模型通过锚泊线缩尺模型与固定在透明水池内底面上的所述锚泊基础缩尺模型连接。所述风力调节系统设置在透明水池的上方，用于模拟海面风力作用引起的风浪流荷载。
3、进一步地，所述冷源包括储冰槽和网状盖板。其中所述储冰槽固定在透明水池的底面上，所述网状盖板可开合连接在储冰槽的上端口上，用于阻挡其中的冷媒飘出。或者，所述冷源为半导体制冷片，其固定在所述透明水池的底面下表面上，以对透明水池中的水进行降温。
4、进一步地，所述透明水池内的底面上设置有温度传感器，还包括用于测试透明水池中水面温度的装置。
5、进一步地，所述可升降支座包括：支座、气缸或液压缸、万向节、弹性部件、驱动电机。其中：所述气缸或液压缸竖向设置在支座中，所述万向节的底面和弹性部件的上端固定连接，所述弹性部件的下端和支座中的圆筒外壳的顶面连接，且所述气缸或液压缸的升降杆与所述圆筒外连接。所述透明水池的底面与万向节的顶面连接。所述驱动电机和气缸或液压缸连接，且所述驱动电机与控制系统连接，该控制系统能够根据目标海流场的流动信息控制所述气缸或液压缸进行周期性抬升、降落，从而模拟所述的潮汐作用。
6、进一步地，所述万向节的上端固定连接有托板，所述透明水池的底面固定连接在该托板上。
7、进一步地，还包括与所述控制系统连接的显示器。
8、其次，本发明提供一种浮式平台锚泊线涡激振动响应试验方法，包括如下步骤：
9、（1）向所述透明水池充水至设计水位线形成试验水场，利用所述冷源、热源分别调节试验水场的上、下表面温差，使试验水场与实际海流场的上、下表面温差一致。根据海流场实际风速及弗劳德数相似准则确定试验水场的目标风速，然后利用所述风力调节系统按照所述目标风速对试验水场进行吹扫。
10、（2）利用所述控制系统根据目标海流场的流动信息控制所述可升降支座对透明水池进行周期性抬升、降落模拟潮汐作用。
11、（3）在所述的试验水场中投放粒子示踪剂，利用所述透明水池的正面、侧面的高速摄像机和激光器同步捕捉示踪粒子在不同时刻的运动图像，通过同步控制设备及图像分析算法获得试验水场三维速度分布信息。
12、（4）对上述获得的所述试验水场三维速度分布信息与目标海流场的相关信息进行对比，如果二者的差异不在设定范围内，对所述可升降支座的最大竖向位移距离、竖向移动速率进行校正。最终使试验水场的所述三维速度分布信息与目标海流场的差异在所述的设定范围内，即得可用于模拟的试验水场。
13、（5）选择所述可用于模拟的试验水场中锚泊线缩尺模型的三分点、中点、线型初始反弯点、与所述浮式平台缩尺模型的连接点作为特征位置，利用所述高速摄像机捕捉锚泊线缩尺模型在所述可用于模拟的试验水场中的运动状态图像及锚泊线缩尺模型的漩涡脱落图像。构建所述特征位置的光流方程获得锚泊线的三维速度分布信息；进而基于所述特征位置的速度及位移的时变规律，从而利用非接触方式获得锚泊线的振幅a、锚泊线振动频率 f1、涡激振动锁定区间等指标，为研究三维海流荷载下浮式平台锚泊线涡激振动特性提供数据基础。
14、进一步地，步骤（1）中，所述目标海流场的上、下表面温差，风速等信息可通过海洋气象、监测部或者风塔自测等的方式获得。
15、进一步地，步骤（4）中，对所述可升降支座的最大竖向位移距离、竖向移动速率进行校正的机制为：
16、（i）在目标海流场中均匀选取若干个坐标点作为特征点，获取这些特征点的水体上、下表面温差以及在总时间t内每隔时间t对应的海流速度信息。然后计算出所述可用于模拟的试验水场的目标水流速度，然后将这些信息输入到所述控制系统中。
17、（ii）根据几何缩尺比例在所述试验水场中确定上述特征点的位置坐标，然后向所述控制系统中输入所述可升降支座的初始竖向位移控制指令：最大竖向位移距离、竖向移动速率。
18、（iii）所述可升降支座完成第一次升降的时刻记为t1，然后通过上述步骤（3）的方法获得该时刻所述可用于模拟的试验水场中各特征点的流速、流向等三维速度分布信息，将其与相同时刻的所述目标水流速度信息进行对比。如果二者差异在设定范围内，所述控制系统则记录此次的竖向位移控制指令，然后进行第二次升降，并对比其完成时刻，即（t1+t2）时刻的三维速度分布信息，如此往复，依次对比后续各时刻的三维速度分布信息，直至t1+t2+…+tn≥t（n为所述支座第n次升降过程，tn为所述支座第n次升降过程的持续时间）。如果在某次的差异不在设定范围内，则通过调节此次的最大竖向位移距离、竖向移动速率，直至所述差异回到设定范围内，然后再开始进行下一次的升降。测试完成后，所述控制系统记录了每一次升降所需指定的最大竖向位移距离、竖向移动速率，即得所述可用于模拟的试验水场。
19、进一步地，步骤（5）中，构建如式（1）所示的所述光流方程：
20、（1）；
21、式（1）中，所述 u、 w分别是所述特征位置在 x和 z方向上的速度分量。所述 i表示特征位置的亮度值，可由所述的锚泊线缩尺模型在可用于模拟的试验水场中的运动状态图像获得。
22、进一步地，步骤（5）中，采用同样的方法获得 y方向上的速度分量 v，然后采用数据融合算法获得所述锚泊线缩尺模型上特征位置的三维运动特性（ u， v， w），即得所述的锚泊线的三维速度分布信息。然后根据相邻两个速度极大值对应的时间间隔确定振动周期t及锚泊线振动频率 f1；根据特征位置在振动过程中的最大位移差确定锚泊线的振幅a。同时统计整个拍摄周期内的漩涡脱落次数，计算漩涡脱落频率 f2。由所述锚泊线振动频率 f1与漩涡脱落频率 f2的比值判断锚泊线在该试验下是否进入涡激振动响应的锁定区间。
23、与现有技术相比，本发明至少具有以下方面的有益技术效果：
24、本发明的所述试验装置可模拟复杂海流荷载下浮式平台锚泊线的涡激振动响应特性，具备模拟潮汐、温差及海风等多种因素相互影响下形成的复杂海流状态的能力，有效提高了试验水场的模拟精度。同时，本发明的试验装置通过粒子图像测速技术实现了在非接触式的情况下获取锚泊线的振动特性数据，从而实现了在不影响锚泊线振动性能的条件下，监测复杂海流荷载下浮式平台锚泊线的涡激振动响应，提高了测量精度。另外，本发明还通过提出的可升降支座的竖向位移校正机制使试验水场的流速、流向等特征信息趋近于真实海流场中速度，确保了潮流荷载的模拟精度。本发明具有海流场还原精度高、可操作性强的优点，克服了现有试验装置在模拟复杂海流荷载及监测锚泊线涡激振动响应方面的不足。
1.一种浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，其特征在于，所述冷源包括储冰槽和网状盖板；其中：所述储冰槽固定在透明水池的底面上，所述网状盖板可开合连接在储冰槽的上端口上；
3.根据权利要求1所述的浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，其特征在于，所述透明水池内的底面上设置有温度传感器，还包括用于测试透明水池中水面温度的装置。
4.根据权利要求1所述的浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，其特征在于，所述可升降支座包括：支座、气缸或液压缸、万向节、弹性部件、驱动电机；其中：所述气缸或液压缸竖向设置在支座中，所述万向节的底面和弹性部件的上端固定连接，所述弹性部件的下端和支座中的圆筒外壳的顶面连接，且所述气缸或液压缸的升降杆与所述圆筒外连接；所述透明水池的底面与万向节的顶面连接；所述驱动电机和气缸或液压缸连接，且所述驱动电机与控制系统连接。
5.根据权利要求4所述的浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，其特征在于，所述万向节的上端固定连接有托板，所述透明水池的底面固定连接在该托板上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的浮式平台锚泊线涡激振动响应的试验装置，其特征在于，还包括与所述控制系统连接的显示器。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的试验装置的浮式平台锚泊线涡激振动响应试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的试验装置的浮式平台锚泊线涡激振动响应试验方法，其特征在于，步骤（4）中，对所述可升降支座的最大竖向位移距离、竖向移动速率进行校正的机制为：
9.根据权利要求7或8所述的试验装置的浮式平台锚泊线涡激振动响应试验方法，其特征在于，步骤（5）中，构建如式（1）所示的所述光流方程：
10.根据权利要求9所述的试验装置的浮式平台锚泊线涡激振动响应试验方法，其特征在于，步骤（5）中，采用同样的方法获得y方向上的速度分量v，然后采用数据融合算法获得所述锚泊线缩尺模型上特征位置的三维运动特性（u，v，w），即得所述的锚泊线的三维速度分布信息；然后根据相邻两个速度极大值对应的时间间隔确定振动周期t及锚泊线振动频率f1；根据特征位置在振动过程中的最大位移差确定锚泊线的振幅a，同时统计整个拍摄周期内的漩涡脱落次数，计算漩涡脱落频率f2，由所述锚泊线振动频率f1与漩涡脱落频率f2的比值判断锚泊线在该试验下是否进入涡激振动响应的锁定区间。
