本發(fā)明涉及一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置，屬于海洋可再生能源開發(fā)利用和海洋工程裝備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

波浪能是一種清潔的可再生能源，世界范圍內(nèi)儲(chǔ)量巨大，人類對(duì)波浪能發(fā)電的探索已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，發(fā)明了各式各樣的波浪能發(fā)電設(shè)施和裝置。其中一些優(yōu)秀的裝置已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化階段，擺板式波浪能發(fā)電裝置就是其中一種。以往擺板式波能發(fā)電裝置將底座固定在海床上，如果在水深較大的地方安裝發(fā)電裝置的話，發(fā)電裝置將會(huì)非常巨大，成本也非常高昂。

于是浮式波浪能發(fā)電平臺(tái)被提出，將發(fā)電擺板放置在浮式平臺(tái)上，即使當(dāng)?shù)厮钶^大，也可以有效控制波浪能裝置的尺度和成本。通過系泊系統(tǒng)的調(diào)整，平臺(tái)還可以保持?jǐn)[板做功最高效吃水位置。

相關(guān)的技術(shù)在專利潛浮聚能導(dǎo)向式波浪能發(fā)電平臺(tái)（ZL201410111423.0）、一種用于波浪能發(fā)電的輕型組合體平臺(tái)裝置（ZL201520609098.0）都有展示。

在浮式平臺(tái)上安裝大尺度的擺板機(jī)構(gòu)，會(huì)對(duì)浮式平臺(tái)本身的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。浮式平臺(tái)和擺板之間的相對(duì)尺度影響著平臺(tái)的穩(wěn)定性，不同的系泊方案也影響著平臺(tái)的穩(wěn)定性，擺板傳遞到平臺(tái)上的力矩的大小也影響著平臺(tái)的穩(wěn)定性，而且也影響著擺板的做功效率。為了探索這些問題，需要一種能夠改變平臺(tái)主尺度、系泊樣式和擺板阻尼，能夠測量平臺(tái)姿態(tài)、系泊力和擺板轉(zhuǎn)動(dòng)角度的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

型對(duì)加工精度有著較高的要求，因此模型價(jià)格較高。如果在試驗(yàn)中為了多個(gè)主尺度，如不同的總長度，而制作多個(gè)模型，將會(huì)大大地增加試驗(yàn)費(fèi)用。本發(fā)明考慮到節(jié)約成本和改裝方便，將模型分段制作并通過機(jī)構(gòu)組合，實(shí)現(xiàn)單個(gè)模型滿足多個(gè)尺度結(jié)構(gòu)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置應(yīng)能夠改變平臺(tái)主尺度、系泊樣式和擺板阻尼，能夠測量平臺(tái)姿態(tài)、系泊力和擺板轉(zhuǎn)動(dòng)角度的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置，它包括池底系泊重塊、控制臺(tái)、信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)采集處理軟件,它還包括變尺度半潛平臺(tái)模型、擺板機(jī)構(gòu)模型和系泊纜索模型；所述變尺度半潛平臺(tái)模型中間布置兩條導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上設(shè)置有導(dǎo)槽，擺板機(jī)構(gòu)模型通過螺栓和方形螺母固定在導(dǎo)槽內(nèi)；系泊纜索模型一端系在變尺度半潛平臺(tái)模型的連接環(huán)上，另一端系在池底系泊重塊的吊環(huán)上,由 底板和吊環(huán)構(gòu)成的池底系泊重塊落在池底；

所述變尺度半潛平臺(tái)模型包括A體、B體、調(diào)節(jié)板、C體、補(bǔ)塊和導(dǎo)軌；導(dǎo)軌在上下表面各有兩個(gè)導(dǎo)槽，左右兩個(gè)表面各有一個(gè)導(dǎo)槽，A體、B體、C體和補(bǔ)塊均用于安裝螺栓的孔，通過螺栓與導(dǎo)槽內(nèi)的方形螺母實(shí)現(xiàn)自身與導(dǎo)軌的相連；補(bǔ)塊安裝于A體和C體中部的矩形凹槽內(nèi)；調(diào)節(jié)板通過矩形缺口內(nèi)的凸起固定在導(dǎo)槽內(nèi)；通過拆除補(bǔ)塊和調(diào)節(jié)板裝配合適長度的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)模型在結(jié)構(gòu)樣式和主尺度上的改變，合適長度的導(dǎo)軌是指與凹槽總長相同；所述A體與C體的上蓋打開，覆蓋的艙室作為壓載艙，用于放置壓載塊；

所述擺板機(jī)構(gòu)模型包括擺板、軸承座、撐桿、撐桿支座；擺板的軸與軸承座內(nèi)的軸承連接，軸連接磁粉阻尼器和轉(zhuǎn)角傳感器；軸承座和撐桿支座通過螺栓和方形螺母連接；撐桿將擺板固定，通過前后移動(dòng)撐桿支座使擺板以特定角度固定；拆除撐桿與撐桿支座，擺板在磁粉阻尼器的控制下實(shí)現(xiàn)特定阻尼或無阻尼轉(zhuǎn)動(dòng)；

所述系泊纜索模型包括首尾搭扣、彈性單元、纜索和拉力傳感器；首搭扣和連接環(huán)相連，首搭扣另一端和彈性單元連接，彈性單元與纜索連接，纜索與尾搭扣連接，尾搭扣連接到池底系泊重塊的吊環(huán)上；所述彈性單元由兩端的搭扣和中間的彈簧組成，更換不同彈性系數(shù)的彈簧模擬不同剛度的纜索，通過并聯(lián)和串聯(lián)彈簧成倍數(shù)地改變剛度。

下面對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步說明，擺板式波浪能發(fā)電平臺(tái)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括可變尺度半潛平臺(tái)模型、擺板機(jī)構(gòu)模型、系泊纜索模型、池底系泊重塊、控制臺(tái)、信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)采集處理軟件。

變尺度半潛平臺(tái)模型由可以拆卸的A體、B體板、C體、補(bǔ)塊、導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌上有導(dǎo)槽，A體、B體、C體、補(bǔ)塊均有與導(dǎo)槽相連接的螺栓和方形螺母，螺栓穿過A體、B體、C體、補(bǔ)塊上的通孔，與放置在導(dǎo)軌導(dǎo)槽內(nèi)的方形螺母連接，通過上緊和松開螺栓與方形螺母可以實(shí)現(xiàn)A體、B體、C體、補(bǔ)塊與導(dǎo)槽的緊固和脫離。A體的前中部有矩形空間，用于補(bǔ)塊的安裝，A體的上表面有蓋板，松脫蓋板上的螺栓可以打開蓋板，蓋板下方的空間為壓載艙，用于放置壓載鉛塊，A體中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌的連接，A體上部和下部各有兩個(gè)連接環(huán)，連接環(huán)與系泊纜索模型連接。B體為全封閉模塊，中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌連接。調(diào)節(jié)板為長方形，中部具有矩形凹槽，凹槽內(nèi)有凸起，通過凸起與導(dǎo)軌相連。C體為的后中部有矩形空間，用于補(bǔ)塊的安裝，C體的上表面有蓋板，松脫蓋板上的螺栓可以打開蓋板，蓋板下方的空間為壓載艙，用于放置壓載鉛塊，C體中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌的連接，C體上部和下部個(gè)有兩個(gè)連接環(huán)，連接環(huán)與系泊纜索模型連接。補(bǔ)塊為全封閉模塊，中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌的連接。導(dǎo)軌分為上下兩面，兩面各有兩條導(dǎo)槽，導(dǎo)槽內(nèi)放置方形螺母，上面的導(dǎo)槽用于和擺板機(jī)構(gòu)模型連接，下面的導(dǎo)槽用于和A體、B體、C體、補(bǔ)塊的連接。

采用以上結(jié)構(gòu)之后，通過拆除B體、增添調(diào)節(jié)板，然后將其余的各個(gè)部分重新安裝在導(dǎo)軌上，能夠改變模型在縱向上的主尺度。通過拆除和安裝補(bǔ)塊，能讓模型在完整矩形和H型兩種結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換。

擺板機(jī)構(gòu)模型由擺板、軸承座、撐桿、撐桿支座組成，在軸承座內(nèi)部安裝有軸承、磁粉阻尼器和轉(zhuǎn)角傳感器；擺板通過軸和軸承固定在軸承座上，軸承座有螺栓孔，通過螺栓和方形螺母和導(dǎo)軌相連，通過緊固和松開螺栓和方形螺母實(shí)現(xiàn)擺板機(jī)構(gòu)模型與導(dǎo)軌的緊固和松脫。擺板機(jī)構(gòu)中的撐桿支座通過螺栓和方形螺母固定在導(dǎo)軌上，通過緊固和松開螺栓和方形螺母實(shí)現(xiàn)撐桿支座與導(dǎo)軌的緊固和松脫。擺板通過撐桿與撐桿支座相連。擺板由面板、加強(qiáng)板、和軸套組成，軸套與軸之間粘接防止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

系泊纜索模型由首尾搭扣、彈性單元、纜索和拉力傳感器組成。首搭扣連接在變尺度半潛模型的連接環(huán)上，首搭扣另一端和彈性單元的搭扣連接。彈性單元由兩端的搭扣和中間的彈簧組成，通過更換特定剛度彈簧來模擬不同纜索的剛度，也可以通過串聯(lián)并聯(lián)彈簧實(shí)現(xiàn)剛度的成倍變化。彈性單元搭扣一個(gè)和首搭扣相連，另一個(gè)和纜索相連。纜索和拉力傳感器相連，拉力傳感器通過一小段纜索和尾搭扣相連，尾搭扣連接在池底重塊的吊環(huán)上。

池底重塊由底板和吊環(huán)組成。

安裝在可變尺度半潛平臺(tái)模型的上的陀螺儀將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)測量出來，將信號(hào)傳給采集模塊，安裝在軸承座中的角度傳感器將擺板旋轉(zhuǎn)的角度傳給采集模塊。

控制臺(tái)負(fù)責(zé)控制造波機(jī)生成的波浪序列和磁粉阻尼器阻尼的大小，信號(hào)采集模塊將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到電腦中，電腦中的數(shù)據(jù)采集處理軟件實(shí)時(shí)顯示信號(hào)，并對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行分析。

本發(fā)明有益效果是：這種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置包括變結(jié)構(gòu)半潛平臺(tái)模型、擺板機(jī)構(gòu)模型、系泊纜索模型、池底系泊重塊、控制臺(tái)、信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)采集處理軟件。半潛平臺(tái)模型由A體、B體、調(diào)節(jié)板、C體、補(bǔ)塊、導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌上有導(dǎo)槽，螺栓和方形螺母將其他各個(gè)部分包括擺板機(jī)構(gòu)模型連接到導(dǎo)槽上。系泊纜索模型一端與連接環(huán)相連、另一端與池底重塊相連。通過在波浪水池中給予試驗(yàn)平臺(tái)波浪載荷，能夠真實(shí)且方便模擬平臺(tái)在不同結(jié)構(gòu)和尺度下和不同系泊方案下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊載荷，配套的信號(hào)采集模塊和軟件能夠?qū)崟r(shí)反映出模型的運(yùn)動(dòng)和纜力，及時(shí)的觀測試驗(yàn)的進(jìn)展。

附圖說明

圖1是一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置的立體視圖。

圖3是一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置的正視圖。

圖4是一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置的俯視圖。

圖5是一種變尺度變結(jié)構(gòu)半潛波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置的側(cè)視圖。

圖6是實(shí)施例一中擺板式波浪能發(fā)電平臺(tái)試驗(yàn)裝置的壓載艙及壓載塊。

圖7是實(shí)施例一中系泊纜索連接到頂部連接環(huán)的系泊方案。

圖8是實(shí)施例一中拆除補(bǔ)塊的H型結(jié)構(gòu)方案。

圖9是圖1中A局部的放大視圖。

圖10是圖9中B局部的放大視圖。

圖11是圖9中C局部的放大視圖。。

圖12是系泊纜索模型彈簧模型串聯(lián)布置方案。

圖13是系泊纜索模型彈簧模型并聯(lián)布置方案。

圖14是擺板機(jī)構(gòu)模型立體視圖

圖15是圖5的D-D剖切視圖。

圖16是圖4中的E-E剖切的立體視圖。

圖17是圖16中F局部的放大視圖。

圖18是圖4的G-G剖切視圖。

圖19是圖18中H局部的放大視圖。。

圖20是擺板結(jié)構(gòu)模型在傾斜角度情況下的側(cè)視圖。

圖中：1、可變尺度半潛平臺(tái)模型，2、擺板機(jī)構(gòu)模型，3、系泊纜索模型，4、池底系泊重塊，5、控制臺(tái)，6、信號(hào)采集模塊，7、數(shù)據(jù)采集處理軟件，101、A體，102、B體，103、調(diào)節(jié)板，104、C體，105、補(bǔ)塊， 106、導(dǎo)軌，107、蓋板，108、連接環(huán)，109、蓋板，110、運(yùn)動(dòng)傳感器，111、螺栓，112、方形螺母，113、壓載塊，201、擺板，202、軸承座，203、撐桿，204、撐桿支座，205、軸承，206、磁粉阻尼器，207、轉(zhuǎn)角傳感器，208、軸，209、螺栓，301、首尾搭扣，302、纜索，303、拉力傳感器，320、彈性單元，321、搭扣，322、彈簧，4、池底系泊重塊，401、吊環(huán)，402、底板。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的描述。

圖1、2、3、4、5示出了一種擺板式波浪能發(fā)電平臺(tái)模擬試驗(yàn)裝置，它包括可變尺度半潛平臺(tái)模型1、擺板機(jī)構(gòu)模型2、系泊纜索模型3、池底系泊重塊4、控制臺(tái)5、信號(hào)采集模塊6和數(shù)據(jù)采集處理軟件7。

具體實(shí)施例一

發(fā)電模型試驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際工作中需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變、系泊方式、系泊剛度的改變。本實(shí)施例介紹了在基本結(jié)構(gòu)樣式，如圖1所示，以及基本結(jié)構(gòu)樣式在使用中的結(jié)構(gòu)改變和系泊方式改變，如圖16、圖20所示。

變尺度半潛平臺(tái)模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，變尺度半潛平臺(tái)模型1由可以拆卸的A體101、B體102、調(diào)節(jié)板103、C體104、補(bǔ)塊105、導(dǎo)軌106組成。

導(dǎo)軌106上有導(dǎo)槽，前體101、B體102、C體104、補(bǔ)塊105均有與導(dǎo)槽相連接的螺栓111和方形螺母112，螺栓110穿過A體101、B體102、C體104、補(bǔ)塊105上的通孔，與放置在導(dǎo)軌106導(dǎo)槽內(nèi)的方形螺母112連接，通過上緊和松開螺栓111與方形螺母112可以實(shí)現(xiàn)A體101、B體102、調(diào)節(jié)板103、C體104、補(bǔ)塊105與導(dǎo)槽的緊固和脫離。

A體101的前中部有矩形空間，用于補(bǔ)塊105的安裝，A體101的上表面有蓋板107，松脫蓋板107上的螺栓可以打開蓋板107，如圖6所示，蓋板107下方的空間為壓載艙，用于放置壓載鉛塊113。A體101中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌106的連接。A體101上部和下部各有兩個(gè)連接環(huán)108，連接環(huán)108與系泊纜索模型3連接，連接底部連接環(huán)的樣式如圖1所示，連接頂部連接環(huán)時(shí)如圖7所示。

B體102為全封閉模塊，中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌106連接。調(diào)節(jié)板103為長方形，中部具有矩形凹槽，凹槽內(nèi)有凸起，通過凸起與導(dǎo)軌106側(cè)面的凹槽相連如圖18、圖19所示。

C體104的后中部有矩形空間，用于補(bǔ)塊105的安裝。C體104的上表面有蓋板109，松脫蓋板109上的螺栓可以打開蓋板109。蓋板109下方的空間為壓載艙，用于放置壓載鉛塊。C體104中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌106的連接。C體104上部和下部各有一個(gè)連接環(huán)108，連接環(huán)108與系泊纜索模型3連接。

補(bǔ)塊105為全封閉模塊，中部有兩條凹槽，凹槽內(nèi)有通孔，用于與導(dǎo)軌106的連接。

如圖17所示，導(dǎo)軌106有上下兩面，兩面各有兩條導(dǎo)槽，導(dǎo)槽內(nèi)放置方形螺母112，上面的導(dǎo)槽用于和擺板機(jī)構(gòu)模型3連接，下面的導(dǎo)槽用于和A體101、B體102、C體104、補(bǔ)塊105的連接，導(dǎo)軌106兩個(gè)側(cè)面各有一條凹槽，用于與調(diào)節(jié)板103的連接。

采用以上結(jié)構(gòu)之后，通過拆除B體102、增添調(diào)節(jié)板103，然后將其余的各個(gè)部分重新安裝在導(dǎo)軌106上，能夠改變模型在縱向上的主尺度。通過拆除和安裝補(bǔ)塊105，能讓模型在完整矩形和H型兩種結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換，如圖8所示。

擺板機(jī)構(gòu)模型2由擺板201、軸承座202、撐桿203、撐桿支座204組成，如圖14所示。如圖15所示擺板201由面板209、加強(qiáng)板210、和軸套211組成。軸套211與軸208之間粘接防止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。擺板201通過軸208和軸承205固定在軸承座202上，軸承座202有螺栓孔，通過螺栓209和方形螺母112和導(dǎo)軌106相連。在軸承座內(nèi)部安裝有軸承205、磁粉阻尼器206和轉(zhuǎn)角傳感器207。通過緊固和松開螺栓209和方形螺母112實(shí)現(xiàn)擺板機(jī)構(gòu)模型2與導(dǎo)軌106的緊固和松脫。

擺板機(jī)構(gòu)模型2中的撐桿支座204通過螺栓209和方形螺母112固定在導(dǎo)軌106上，通過緊固和松開螺栓209和方形螺母112實(shí)現(xiàn)撐桿支座204與導(dǎo)軌106的緊固和松脫。擺板201通過撐桿203與撐桿支座204相連。當(dāng)安裝了撐桿203，并且通過與撐桿支座204相連，撐桿203將擺板201固定。如圖20所示，通過改變撐桿支座204的位置將可以模擬擺板201以特定角度承受波浪載荷的情形。將撐桿203和撐桿支座204拆除后，擺板203在磁粉阻尼器206的控制下實(shí)現(xiàn)零阻尼或特定阻尼的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角傳感器207實(shí)時(shí)記錄下擺板3的旋轉(zhuǎn)角度，將信號(hào)傳給信號(hào)采集模塊。

系泊纜索模型3由首尾搭扣301、彈性單元320、纜索302和拉力傳感器303組成，如圖9所示。首搭扣301連接在變尺度半潛模型3的連接環(huán)108上，首搭扣301另一端和彈性單元320的搭扣321連接。彈性單元320由兩端的搭扣321和中間的彈簧322組成，通過更換特定剛度彈簧322來模擬不同纜索的剛度，彈性單元一個(gè)搭扣321和首搭扣301相連，另一個(gè)和纜索302相連，如圖10所示。纜索302和拉力傳感器303相連，拉力傳感器303通過一小段纜索和尾搭扣301相連，尾搭扣301連接在池底重塊4的吊環(huán)401上，如圖11所示。

如圖12所示，通過彈簧322的串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)系泊纜索模型3剛度減半，同理串聯(lián)n個(gè)彈簧322就可以實(shí)現(xiàn)n分之一的單個(gè)彈簧剛度。如圖13所示，也可以通過彈簧322的并聯(lián)和串聯(lián)實(shí)現(xiàn)剛度成倍的變化，連桿322用來連接彈簧和搭扣321.

池底重塊由底板402和吊環(huán)401組成。

安裝在可變尺度半潛平臺(tái)模型1的上的陀螺儀110將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)測量出來，將信號(hào)傳給采集模塊6，安裝在軸承座202中的角度傳感器207將擺板201旋轉(zhuǎn)的角度傳給采集模塊6。

控制臺(tái)8負(fù)責(zé)控制造波機(jī)生成的波浪序列和磁粉阻尼器206阻尼的大小，信號(hào)采集模塊6將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到電腦中，電腦中的數(shù)據(jù)采集處理軟件7實(shí)時(shí)顯示信號(hào)，并對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行分析。