浮体运动如何精准测量？NOKOV度量动作捕捉助力浮动式多模块系统连接器失效安全验证

摘要：动作捕捉如何帮助分析海洋浮动结构安全？

浮动式多模块系统连接器失效后，会导致模块运动响应增强、结构受力重新分布，并可能进一步影响整体安全性。如何获取浮体模块真实运动状态，是海洋工程实验验证中的关键问题。

中国海洋大学工程学院杜君峰教授团队针对这一问题开展研究，通过数值模拟与物理模型实验相结合的方法，分析连接器失效条件下浮动式多模块系统的运动响应和受力变化。

在实验验证过程中，NOKOV度量动作捕捉系统用于采集浮体模块运动时间序列数据，为动力响应分析和数值模型验证提供高精度实验依据。

相关研究成果发表于中科院工程技术类一区期刊《Engineering Structures》，论文题目为：Safety Analysis of Floating Multi-Module Systems under Connector Failure.

一、什么是浮动式多模块系统？为什么需要运动测量？

浮动式多模块（Floating Multi-Module，FMM）系统，是由多个独立浮体模块通过连接器组合形成的大型海洋结构。

该类系统可应用于：浮动式海上光伏电站；海洋浮动平台；模块化海洋装备。

相比固定式结构，浮动式多模块系统长期受到波浪、风和海流作用，会产生复杂的六自由度运动，包括：纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇、艏摇。

当连接器发生损伤或失效时，模块之间的约束关系改变，可能造成：

1. 浮体运动幅值增加；

2. 连接件受力重新分配；

3. 局部结构风险增加；

4. 诱发进一步级联失效。

因此，在海洋工程模型实验中，需要通过高精度运动测量技术获取浮体位置、姿态和轨迹变化，为结构安全分析提供真实数据。

二、海洋工程实验如何测量浮体运动？

传统测量方法通常依赖传感器获取局部信息，而浮动式多模块系统实验需要同时分析多个模块的空间运动状态。

光学动作捕捉技术能够通过空间定位方式，实现非接触式运动测量，可获取：物体空间位置；姿态变化；运动轨迹及动态响应过程。

NOKOV度量动作捕捉是一套可面向科研实验和工程测试场景的高精度光学运动测量系统，可用于机器人、无人系统、工程结构测试以及复杂运动分析等应用。

在本研究中，该系统被用于海洋工程波浪水槽实验中的浮体模块时间序列数据采集。

三、研究如何验证连接器失效对浮动系统的影响？

数值模拟与物理模型实验结合

研究团队以1×3浮动式多模块系统为研究对象，包括：

• 三个箱式浮体模块；

• 四个连接器（C1～C4）；

• 系泊缆系统。

在数值分析中，研究团队通过水动力计算和耦合动力分析建立连接器失效情况下的系统响应模型。

随后，在中国海洋大学波浪水槽开展1∶10缩尺物理模型实验，并依据弗劳德相似准则进行实验设计。

实验重点研究：

迎浪侧连接器C2失效后，浮体系统运动响应和结构受力变化。

其中，NOKOV度量动作捕捉系统用于记录实验过程中各浮体模块运动时间序列，为模型验证提供实验数据。

四、NOKOV动作捕捉系统如何支持浮体运动分析？

在实验过程中，动作捕捉系统主要承担浮体运动时间序列数据采集任务。

通过采集连续运动数据，研究团队能够比较连接器失效前后的运动差异，并验证数值模型预测结果。

对于复杂海洋工程实验而言，高精度运动数据能够帮助研究人员更加准确地理解结构响应规律。

五、连接器失效后，浮动系统发生了哪些变化？

实验结果显示，数值模拟结果与物理实验结果具有较好一致性。

当迎浪侧连接器C2失效后：

• 系统纵荡运动明显增强；

• 横荡运动响应增加；

• 艏摇运动幅值提高；

• 迎浪侧模块受到影响最明显。

研究发现，连接器失效不仅增加模块运动幅值，还改变了系统运动模态，使运动响应曲线出现多峰特征，提高共振风险。

同时，模块水平运动轨迹也发生变化：

这些结果说明，连接器状态变化会直接影响浮动结构整体动力特性。

六、连接器失效如何影响结构受力安全？

研究团队进一步分析连接器和系泊系统受力变化。

结果显示：

针对四模块和五模块系统的进一步分析显示，其变化规律与三模块系统基本一致。

研究表明，单个连接器失效可能改变整个浮动结构的载荷传递路径，使其他连接部件承受更高载荷，并增加级联失效风险。

七、研究意义：动作捕捉助力海洋工程实验验证

该研究通过数值模拟和实验测量相结合的方法，对浮动式多模块系统连接器失效问题进行了系统分析。

其中，NOKOV度量动作捕捉系统通过高精度运动数据采集，为海洋工程模型实验提供了可靠的数据验证方法。

随着浮动式海上光伏、海洋浮动平台以及大型模块化结构的发展，海洋工程研究对于：

• 浮体运动测量；

• 动力响应分析；

• 实验模型验证；

• 智能化测试平台；

提出了更高要求。

高精度光学动作捕捉技术正在成为复杂工程实验中的重要数据采集手段。

八、FAQ：浮体运动测量与动作捕捉应用

Q1：浮动式多模块系统为什么需要动作捕捉测量？

浮体结构在波浪环境下会产生复杂六自由度运动，需要通过高精度运动测量获取真实数据，用于分析结构安全和动力响应。

Q2：动作捕捉系统可以用于海洋工程实验吗？

可以。光学动作捕捉系统能够获取模型的位置、姿态和轨迹变化，可用于波浪水槽实验、浮体运动分析和工程模型验证。

Q3：NOKOV度量动作捕捉系统在该研究中的作用是什么？

NOKOV度量动作捕捉系统用于采集浮体模块运动时间序列，为连接器失效分析提供实验数据，并帮助研究团队验证数值模型。

九、引用格式

Cai, H., Zhang, D. Q., Du, J., Yuan, Z. M., & Jiang, Z. (2026). Safety Analysis of Floating Multi-Module Systems under Connector Failure. Engineering Structures, 349, 121916.