CN102967428B - 模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，该装置测量得到圆柱体的速度和受力，通过求解圆柱体运动方程，得到其在水流作用下的真实运动响应信号，再将此实际运动信号通过伺服电机施加到模型上使其运动，从而模拟了自激振荡运动。试验中通过水平滑动模块用于模拟流，垂直滑动模块用于模拟垂直方向上的涡激振动。本发明设定参数模拟模型结构性能，取代传统自激振荡装置中繁琐的试验操作，加快了试验进度，并为模型选择提供了很大的自由度；模拟两立管之间相互干扰下的自激振荡的特殊工况；采用大尺度立管分段，减小尺度效应；采用端部假体装置，解决模型边界效应问题。

Description

模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体是一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置。

背景技术

实际海洋环境中的立管为长细柔性结构，在洋流的作用下会产生涡激振动，振动引起的结构疲劳或可能的共振等将对海洋结构物的安全造成极大威胁。

涡激振动对于处在海洋的立管而言是自激产生的。由于实际尺度试验条件的限制，目前主要通过模型试验和数值模拟对柔性立管的涡激振动现象进行研究。模型试验将柔性立管分为多段，假设每一段为刚性圆柱体，对圆柱进行强迫振荡试验或者自激振荡试验，但是带有缩尺比的模型试验并不能准确地预报真实海况下的圆柱的动力响应；数值模拟手段则缺乏试验验证其计算结果的可靠性，且其中对流体粘性等问题的处理目前仍不完善。

另外，在海洋结构物中，存在着多个临近圆柱相互干扰的情况，比如半潜平台的四个立柱，以及张力腿平台的众多张力腿。由于圆柱体之间的相互影响，双圆柱体或者多圆柱体的涡激振动的振动机理及现象相对于单圆柱体而言更加复杂。目前国内外研究者对双圆柱体的涡激振动激励及现象进行了一定的研究，发现用理论进行准确预测几乎是不可能的，试验才是最有效的研究方式。

但是，现有的研究装置普遍存在以下不足：（1）传统自激振荡试验局限于立管分段模型的实际结构性能，只能测得具有既定结构性能参数的立管的涡激振动响应，降低了普适性，而更换立管、弹簧、阻尼器等将消耗大量时间，拖延试验进度；（2）只能依照设定的工况使分段模型以既定的周期强迫振动，无法测得分段模型在来流作用下真实的响应；（3）难以模拟两个圆柱相互干扰等特殊海况；（4）受试验装置尺寸限制，模型的长细比较小，尺度效应较大。（5）由于试验装置的复杂性，双圆柱体的自激振荡试验很少。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，旨在结合模型试验与数值模拟，通过力的测量和高带宽反馈，实时数值模拟具有虚拟结构参数的立管的运动特性，解决现有试验装置局限于模型实际结构性能，只能进行既定周期的强迫振动，尺度效应较大，简而言之无法较真实地模拟立管处于实际海况中的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明提供的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，包括第一深海立管模块、第二深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和实时控制系统模块，其中，所述第一深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接，所述第二深海立管模块两端分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块连接；所述第一垂直滑动模块分别与第一端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第二垂直滑动模块分别与第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，所述第三垂直滑动模块分别与第三端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第四垂直滑动模块分别与第四端部假体模块和第二水平滑动模块连接；所述实时控制系统分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块相连接；

所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括三分力仪，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括动力组件，所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括动力组件，所述实时控制系统模块包括：RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，其中：RTOS系统依次连接数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器；数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块的三分力仪、第二端部假体模块的三分力仪、第三端部假体模块的三分力仪、第四端部假体模块的三分力仪、第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件以及第二水平滑动模块的动力组件相连接，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与所述第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件和第二水平滑动模块的动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接；其中，所述运动控制器用于指挥第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块执行垂直方向上的涡激振动。

优选地，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均包括：两个立管固定接头和深海立管模型，所述两个立管固定接头分别连接在深海立管模型的两端，所述第一深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块相连接，所述第二深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块相连接；所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第一水平滑动模块垂直安装，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第二水平滑动模块垂直安装。

优选地，所述深海立管模型直径为250毫米，其长度为2米。

优选地，所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪与三分力仪固定板相连；三分力仪固定板的一端与三分力仪连接，三分力仪固定板的另一端与楔块固接；楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和固定模块固接，假体外筒轴心线与挡流板平面的法线重合，三分力仪固定板中心线及三分力仪中心线均与假体外筒轴心线重合，三分力仪与楔块侧面垂直固定；第一端部假体模块的三分力仪和第二端部假体模块的三分力仪分别连接在第一深海立管模块的两端，第三端部假体模块的三分力仪和第四端部假体模块的三分力仪分别连接在第二深海立管模块的两端。

优选地，所述第二端部假体模块与第一端部假体模块成镜像对称结构，其中，第一端部假体模块的调整组件与第一垂直滑块模块固接，第二端部假体模块的调整组件与第二垂直滑块模块固接；所述第三端部假体模块与第一端部假体模块为同向结构；所述第四端部假体模块与第三端部假体模块成镜像对称结构；其中，第三端部假体模块的调整组件与第三垂直滑块模块固接，第四端部假体模块的调整组件与第四垂直滑块模块固接。

优选地，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括：齿条、第一动力组件、第二动力组件、第一法兰装置、第二法兰装置、第一滑架、第二滑架、第一滑架连板、第二滑架连板、第一滑动轨道和支撑架组，其中：第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑架相连，第一动力组件的传动轴穿过第一滑架连接至齿条，第一滑架滑动支撑在第一滑动轨道上；第一滑架连板滑动支撑在第一滑动轨道上，与第一滑架连接；第二动力组件通过第二法兰装置与第二滑架相连，第二动力组件的传动轴穿过第二滑架连接至齿条，第二滑架滑动支撑在第一滑动轨道上；第二滑架连板滑动支撑在第一滑动轨道上，与第二滑架连接；支撑架组的下端与第一滑动轨道固接；第一水平滑动模块和第二水平滑动模块成镜像对称结构；第一水平滑动模块的第一滑架和第一滑架连板均与第一垂直滑动模块相固接，第一水平滑动模块的第二滑架和第二滑架连板均与第三垂直滑动模块相固接，第二水平滑动模块的第一滑架和第一滑架连板均与第二垂直滑动模块相固接，第二水平滑动模块的第二滑架和第二滑架连板均与第四垂直滑动模块相固接。

优选地，所述第一水平滑动模块的第一滑动轨道分别与第一垂直滑动模块和第三垂直滑动模块垂直；所述第二水平滑动模块的第一滑动轨道与第二垂直滑动模块和第四垂直滑动模块垂直。

优选地，所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括：第三动力组件、第三法兰装置、滑块、导链、第三滑动轨道、整流罩、固定支架、加强杆，其中：第三动力组件通过第三法兰装置与第三滑动轨道相连，第三动力组件的旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在第三滑动轨道上；第三滑动轨道垂直于第一水平滑动模块和第二水平滑动模块构成的平面，第三滑动轨道的后侧与固定支架连接，第三滑动轨道的两侧安装有整流罩；加强杆的一端安装在固定支架上；第一垂直滑动模块的滑块与第一端部假体模块相固接，第二垂直滑动模块的滑块与第二端部假体模块相固接，第三垂直滑动模块的滑块与第三端部假体模块相固接，第四垂直滑动模块的滑块与第四端部假体模块相固接；第一垂直滑动模块和第三垂直滑动模块的加强杆的另一端均安装在第一水平滑动模块上，第二垂直滑动模块和第四垂直滑动模块的加强杆的另一端均安装在第二水平滑动模块上。

优选地，第三滑动轨道与第一水平滑动模块和第二水平滑动模块垂直；所述第二垂直滑动模块与第一垂直滑动模块成镜像对称结构，第三垂直滑动模块与第一垂直滑动模块为同向结构，第四垂直滑动模块与第三垂直滑动模块成镜像对称结构。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明将模型试验和数值模拟相结合，采用实时控制系统，实时测量得到模型受来流的作用力、运动的速度和加速度，在反馈程序中定义圆柱体的质量、弹性系数、阻尼系数，通过求解运动方程，得到模型受力后的真实运动特性，通过控制器驱动动力装置带动模型进行相应运动，实现力反馈循环，模拟了模型的自激振动。本发明采用的数据采集处理器，可高频采集数据并进行实时滤波、降噪、运算等处理，保证结构物模型运动平稳，逼近结构物真实运动；本发明采用的数值模拟运算器，可设定质量、阻尼、刚度系数等结构性能参数，而不涉及到实际的物理模型，因此可以利用同一套试验模型对不同质量、阻尼和弹簧刚度的组合进行更广范围的自激振荡试验，简化了试验操作，加快了试验进度；试验中通过水平滑动模块用于模拟流，垂直滑动模块用于模拟垂直方向上的涡激振动。本发明采用20m精密轨道配合运动控制，有利于提高控制精度。此外，本发明采用特殊的端部假体装置制造模拟流场，而不直接影响测量装置，解决了试验中模型两边出现的边界效应问题；本发明采用的立管分段直径可达250mm，长度可达2m，从而在水平动力组件的运动速度范围内，雷诺数达106量级，减小了尺度效应。另外，本发明的试验装置中包含了两套垂直动力组件，可以模拟双圆柱相互干扰下的自激振荡试验。

附图说明

图1是本发明在拖车上的安装示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明深海立管模块的结构示意图；

图5是本发明端部假体模块的侧视图；

图6是本发明固定模块的结构示意图；

图7是本发明固定模块的侧视图；

图8是本发明滑动模块的结构示意图；

图9是本发明滑动模块的俯视图；

图10是本发明实时控制系统模块的结构示意图；

图中，1为第一深海立管模块，2为第二深海立管模块，3为第一端部假体模块，4为第二端部假体模块，5为第三端部假体模块，6为第四端部假体模块，7为第一垂直滑动模块，8为第二垂直滑动模块，9为第三垂直滑动模块，10为第四垂直滑动模块，11为第一水平滑动模块，12为第二水平滑动模块，13为实时控制系统模块，14为拖车，100为深海立管模型，101为立管固定接头，300为假体外筒，301为三分力仪，302为三分力仪固定板，303为楔块，304为支座，306为调整组件，307为固定板，308为垫板，305为挡流板，1100为齿条，1101为第一动力组件，1102为第二动力组件，1103为第一法兰装置，1104为第二法兰装置，1105为第一滑架，1106为第二滑架，1107为第一滑架连板，1108为第二滑架连板，1109为第一滑动轨道，1110为支撑架组，700为第三动力组件，701为第三法兰装置，702为滑块，703为导链，704为第三滑动轨道，705为整流罩，706为固定支架，707为加强杆，1300为RTOS系统，1301为数据采集处理器，1302为数值模拟运算器，1303为运动控制器，1304为显示器，401为第二端部假体模块的三分力仪，501为第三端部假体模块的三分力仪，601为第四端部假体模块的三分力仪。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

根据本发明提供的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，包括第一深海立管模块1、第二深海立管模块2、第一端部假体模块3、第二端部假体模块4、第三端部假体模块5、第四端部假体模块6、第一垂直滑动模块7、第二垂直滑动模块8、第三垂直滑动模块9、第四垂直滑动模块10、第一水平滑动模块11、第二水平滑动模块12和实时控制系统模块13，其中，第一深海立管模块1两端分别与第一端部假体模块3和第二端部假体模块4连接，第二深海立管模块2两端分别与第三端部假体模块5和第四端部假体模块6连接；第一垂直滑动模块7分别与第一端部假体模块3和第一水平滑动模块11连接，第二垂直滑动模块8分别与第二端部假体模块4和第二水平滑动模块12连接，第三垂直滑动模块9分别与第三端部假体模块5和第一水平滑动模块11连接，第四垂直滑动模块10分别与第四端部假体模块6和第二水平滑动模块12连接；实时控制系统13设置于拖车上14，并分别与第一端部假体模块3、第二端部假体模块4、第三端部假体模块5、第四端部假体6模块、第一垂直滑动模块7、第二垂直滑动模块8、第三垂直滑动模块9、第四垂直滑动模块10、第一水平滑动模块11和第二水平滑动模块12相连接。

优选地，任一深海立管模块包括：两个立管固定接头和深海立管模型，两个立管固定接头分别连接在深海立管模型的两端，任一深海立管模块通过两端的立管固定接头与两个端部假体模块相连接；任一深海立管模块与任一水平滑动模块垂直安装。

优选地，深海立管模型直径为250毫米，其长度为2米。

优选地，任一端部假体模块包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与任一深海立管模块的一端和三分力仪固定板相连，三分力仪固定板的一端与三分力仪连接，其另一端与楔块固接，楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和固定模块固接，假体外筒轴心线与挡流板平面的法线重合，三分力仪固定板中心线及三分力仪中心线均与假体外筒轴心线重合，三分力仪与楔块侧面垂直固定。

优选地，第二端部假体模块4与第一端部假体模块3成镜像对称结构，其中，第一端部假体模块3的调整组件与第一垂直滑块模块7固接，第二端部假体模块4的调整组件与第二垂直滑块模块8固接；第三端部假体模块5与第一端部假体模块3为同向结构；第四端部假体模块6与第三端部假体模块5成镜像对称结构；其中，第三端部假体模块5的调整组件与第三垂直滑块模块9固接，第四端部假体模块6的调整组件与第四垂直滑块模块10固接。

优选地，任一水平滑动模块包括：齿条1100、第一动力组件1101、第二动力组件1102、第一法兰装置1103、第二法兰装置1104、第一滑架1105、第二滑架1106、第一滑架连板1107、第二滑架连板1108、第一滑动轨道1109和支撑架组1110，其中：第一动力组件1101通过第一法兰装置1103与第一滑架1105相连，第一动力组件1101的传动轴穿过第一滑架1105连接至齿条1100；第一滑架1105滑动支撑在第一滑动轨道1109上，并与任一垂直滑动模块相固接；第一滑架连板1107滑动支撑在第一滑动轨道1109上，与第一滑架1105连接，并与任一垂直滑动模块的一端固定；第二动力组件1102通过第二法兰装置1104与第二滑架1106相连，第二动力组件1102的传动轴穿过第二滑架1106连接至齿条1100；第二滑架1106滑动支撑在第一滑动轨道1109上，并与任一垂直滑动模块相固接；第二滑架连板1108滑动支撑在第一滑动轨道1109上，与第二滑架1106连接，并与任一垂直滑动模块的一端固定；支撑架组1110的上端与拖车14固接，支撑架组1110的下端与第一滑动轨道1109固接。

优选地，第一水平滑动模块11的第一滑动轨道1109平行于拖曳水池池底并分别与第一垂直滑动模块7和第三垂直滑动模块9垂直；第二水平滑动模块12与第一水平滑动模块11成镜像对称结构，并分别与第二垂直滑动模块8和第四垂直滑动模块10垂直。

优选地，任一垂直滑块模块包括：第三动力组件700、第三法兰装置701、滑块702、导链703、第三滑动轨道704、整流罩705、固定支架706、加强杆707，其中：第三动力组件700通过第三法兰装置701与第三滑动轨道704相连，其旋转轴通过导链703连接至滑块702，滑块702滑动支撑在第三滑动轨道704上，并与任一端部假体模块相固接；第三滑动轨道704垂直于任一水平滑动模块，其一端与固定支架706连接，其另一端自由悬空，第三滑动轨道704的两侧安装有整流罩705；加强杆707两端分别安装在固定支架706与任一水平滑动模块上。

优选地，第二垂直滑动模块8与第一垂直滑动模块7成镜像对称结构，其中，第一垂直滑块模块7的第三滑动轨道704垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块11垂直，第一垂直滑块模块7的滑块702与第一端部假体模块3相固接，第二垂直滑动模块8的滑块与第二端部假体模块4相固接；第三垂直滑动模块9与第一垂直滑动模块7为同向结构，第三垂直滑动模块9的滑块与第三端部假体模块5固接；第四垂直滑动模块10与第三垂直滑动模块9成镜像对称结构，第四垂直滑动模块10的滑块与第四端部假体模块6固接。

优选地，任一端部假体包括三分力仪，任一水平滑动模块包括动力组件，实时控制系统模块包括：RTOS系统1300、数据采集处理器1301、数值模拟运算器1302、运动控制器1303和显示器1304，其中：RTOS系统1300依次连接数据采集处理器1301、数值模拟运算器1302、运动控制器1303和显示器1304；数据采集处理器1301的输入端分别与第一端部假体模块3的三分力仪、第二端部假体模块4的三分力仪、第三端部假体模块5的三分力仪、第四端部假体模块6的三分力仪、第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块11中的动力组件以及第二水平滑动模块12中的动力组件相连接，其输出端与RTOS系统1300相连接；数值模拟运算器1302与RTOS系统1300相连接；运动控制器1303的输入端与RTOS系统1300相连接，输出端与第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块11的动力组件和第二水平滑动模块12的动力组件相连接；显示器1304与RTOS系统1300相连接。

所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块的动力组件优选地包括第三动力组件；所述第一水平滑动模块、第二水平滑动模块的动力组件优选地包括第一动力组件和第二动力组件。

具体为，如图1、图2和图3所示，本发明提供的所述模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置包括：第一深海立管模块1、第二深海立管模块2、第一端部假体模块3、第二端部假体模块4、第三端部假体模块5、第四端部假体模块6、第一垂直滑动模块7、第二垂直滑动模块8、第三垂直滑动模块9、第四垂直滑动模块10、第一水平滑动模块11、第二水平滑动模块12和实时控制系统模块13，其中：第一深海立管模块1两端分别与第一端部假体模块3和第二端部假体模块4连接，第一垂直滑动模块7分别与第一端部假体模块3和第一水平滑动模块11连接，第二垂直滑动模块8分别与第二端部假体模块4和第二水平滑动模块12连接，第三垂直滑动模块9分别与第三端部假体模块5和第一水平滑动模块11连接，第四垂直滑动模块10分别与第四端部假体模块6和第二水平滑动模块12连接，第一水平滑动模块11与拖车14一端底部固定连接并和第一垂直滑动模块7、第三垂直滑动模块9连接，第二水平滑动模块12与拖车14另一端底部固定连接并和第二垂直滑动模块8、第四垂直滑动模块10连接，第一水平滑动模块11与第二水平滑动模块平行安装，第一深海立管模块1、第二深海立管模块2与水平滑动模块垂直安装，实时控制系统模块13设置于拖车14上，分别与第一端部假体模块3、第二端部假体模块4、第三端部假体模块5、第四端部假体模块6、第一垂直滑动模块7、第二垂直滑动模块8、第三垂直滑动模块9、第四垂直滑动模块10、第一水平滑动模块11、第二水平滑动模块12相连接。

如图2、图4所示，所述第一深海立管模块1和第二深海立管模块2均包括：两个立管固定接头101和深海立管模型100，其中：深海立管模型100直径为250毫米，长度为2米，两端分别与两个立管固定接头101连接。第一深海立管模块1的两个立管固定接头分别与第一端部假体模块3和第二端部假体模块4连接。立管固定接头101为固定连接，避免立管模型在实验时发生松动。第二深海立管模块2的两个立管固定接头分别与第一端部假体模块5和第二端部假体模块6连接。

如图2和图5所示，所述第一端部假体模块3包括：假体外筒300、三分力仪301、三分力仪固定板302、楔块303、支座304、调整组件306、固定板307、垫板308、挡流板305，其中：假体外筒300与挡流板305固定并且假体外筒300的轴线与挡流板305的法线控制在0度，三分力仪301分别与浮筒分段模块1中的第一固定接头101和三分力仪固定板302相连，三分力仪固定板302一端与三分力仪301连接，另一端与楔块303固接，楔块303贯穿挡流板305，并在挡流板305内侧用支座304与挡流板305固接，挡流板305另一侧的楔块303与垫板308连接，固定板307通过垫板308与楔块303固接，调整组件306分别与固定板307和第一固定模块7固接。第二端部假体模块4与第一端部假体模块3是镜像对称结构。第三端部假体模块5与第一端部假体模块3结构相同，第三端部假体模块5和第三垂直滑动模块9固接。第四端部假体模块6与第三端部假体模块是镜像对称结构，第四端部假体模块6的结构与第二端部假体模块4结构相同，第四端部假体模块6和第四垂直滑动模块10固接。

如图2、图8和图9所示，所述第一水平滑动模块11包括：齿条1100、第一动力组件1101、第二动力组件1102、第一法兰装置1103、第二法兰装置1104、第一滑架1105、第二滑架1106、第一滑架连板1107、第二滑架连板1108、第一滑动轨道1109和支撑架组1110，其中：第一动力组件1101通过第一法兰装置1103与第一滑架1105相连，第一动力组件1101的传动轴穿过第一滑架1105连接至齿条1100；第一滑架1105滑动支撑在第一滑动轨道1109上，并与第一固定模块7相固接；第一滑架连板1107滑动支撑在第一滑动轨道1109上，与第一滑架连接，并与第一垂直滑动模块7的第三滑动轨道704一端固定；第二动力组件1102通过第二法兰装置1104与第二滑架1106相连，第二动力组件1102的传动轴穿过第二滑架1106连接至齿条1100；第二滑架1106滑动支撑在第一滑动轨道1109上，并与第三固定模块9相固接；第二滑架连板1108滑动支撑在第一滑动轨道1109上，与第二滑架连接，并与第三垂直滑动模块9的第三滑动轨道一端固定；支撑架组1110上端与拖车14固接，下端与第一滑动轨道1109固接，第一滑动轨道1109平行于拖曳水池池底并与第一固定模块7、第三固定模块9垂直；所述第二水平滑动模块12与第一水平滑动模块11成镜像对称结构，在此不再赘述。

如图2、图6和图7所示，所述第一垂直滑动模块7包括：第三动力组件700、第三法兰装置701、滑块702、导链703、第三滑动轨道704、整流罩705、固定支架706、加强杆707，其中：第三动力组件700通过第三法兰装置701与第三滑动轨道704相连，其旋转轴通过导链703连接至滑块702，滑块702滑动支撑在第三滑动轨道704上，并与第一端部假体模块3的调整组件306相固接；第三滑动轨道704垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，第三滑动轨道704的另一侧与固定支架706连接，下端自由悬空，第三滑动轨道704的两侧安装有整流罩705；加强杆707两端分别安装在固定支架706与第一水平滑动模块11中的第一滑架连板1107上；所述第二垂直滑动模块8与第一垂直滑动模块7成镜像对称结构，第三垂直滑动模块9与第一垂直滑动模块7结构相同，共同连接在第一水平滑动模块11上。第四垂直滑动模块10与第二垂直滑动模块8成镜像对称结构，共同连接在第二水平滑动模块12上。

如图10所示，所述实时控制系统模块13包括：RTOS系统1300、数据采集处理器1301、数值模拟运算器1302、运动控制器1303和显示器1304。其中：RTOS系统1300依次连接数据采集处理器1301、数值模拟运算器1302、运动控制器1303和显示器1304；数据采集处理器1301的输入端与所述第一端部假体模块3的三分力仪301、第二端部假体模块4的三分力仪401、第三端部假体模块5的三分力仪501、第四端部假体模块6的三分力仪601、第一垂直滑动模块7的第三动力组件700、第二垂直滑动模块8的第三动力组件、第三垂直滑动模块9的第三动力组件、第四垂直滑动模块10的第四动力组件、第一水平滑动模块11的第一动力组件1101、第二动力组件1102中的编码器以及第二水平滑动模块12的第一动力组件、第二动力组件动力组件中的编码器相连接，其输出端与RTOS系统1300相连接；数值模拟运算器1302与RTOS系统1300相连接；运动控制器1303的输入端与RTOS系统1300相连接，输出端与所述第一垂直滑动模块7的第三动力组件700、第二垂直滑动模块8的第三动力组件、第三垂直滑动模块9的第三动力组件、第四垂直滑动模块10的第四动力组件、第一水平滑动模块11的第一动力组件1101、第二动力组件1102以及第二水平滑动模块12的第一动力组件1201、第二动力组件1202相连接；显示器1304与RTOS系统1300相连接。

本实施例的工作原理为：

试验开始前，在实时控制系统模块13的数值模拟运算器1302中设定模拟结构物模型性能的质量、阻尼、刚度系数等参数。试验时，运动控制器1303向第一水平滑动轨道11的第一动力组件1101、第二水平滑动轨道12的第一动力组件发出指令，使装置第一深海立管模块1、第二深海立管模块2、第一端部假体模块3、第二端部假体模块4、第三端部假体模块5、第四端部假体模块6、第一垂直滑动模块7、第二垂直滑动模块8、第三垂直滑动模块9、第四垂直滑动模块10以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，通过在静水中前进获得相对速度以模拟深海立管模型100静置于均匀来流中的情形。

试验过程中，第一端部假体模块3及第二端部假体模块4中的三分力仪测出深海立管模型100在均匀流中的受力，第一垂直滑动模块7的第三动力组件700及第二垂直滑动模块8的第三动力组件的编码器测出深海立管模型100实时运动速度，数据采集处理器1301以高频采样获得数据，经过实时滤波、降噪、以及作用力成分分析等，得到力参量和速度参量，并将其输出给数值模拟运算器1302，同时将数据传输到显示器1304显示成可视数据。数值模拟运算器1302依据数据采集处理器1301输入的力参量和速度参量，求解运动方程，计算得到深海立管模型100在2ms之后应该达到的运动速度，并将其输出给运动控制器1303生成控制指令。其中，测量分析模块13中所有数据的传输均通过RTOS系统1300完成。此后，由运动控制器1303向第一垂直滑动模块7的第三动力组件700及第二垂直滑动模块8的第三动力组件发出运动指令，第三动力组件带动第一深海立管模块1沿在垂直来流方向在第一垂直滑动模块7的第三滑动轨道704和第二垂直滑动模块8的第三滑动轨道上运动，并在2ms之后到达计算得到的速度，从而模拟立管的真实运动。同时，运动控制器发出的控制指令被输出到显示器1304上显示。到此，根据本发明提供的所述装置实现一个工作循环。此后，三分力仪等和编码器继续测出深海立管模型100在均匀流中的受力和真实速度，重复上述工作循环，构成力反馈系统。

对于第二深海立管模块2，用同样的方法构成力反馈系统，在此不再赘述，以此来模拟均匀来流下两个深海立管分段模型之间的相互干扰。

本发明将模型试验和数值模拟相结合,采用实时控制系统模块13，实时测量得到模型受来流的作用力、运动的速度和加速度，在反馈程序中定义圆柱体的质量、弹性系数、阻尼系数，通过求解运动方程，得到模型受力后的真实运动特性，通过控制器驱动动力装置带动模型进行相应运动，实现力反馈循环，模拟了模型的自激振动。本发明采用的数据采集处理器1301，可高频采集数据并进行实时滤波、降噪、运算等处理，保证结构物模型运动平稳，逼近结构物真实运动；本发明采用的数值模拟运算器1302，可设定质量、阻尼、刚度系数等结构性能参数，而不涉及到实际的物理模型，因此可以利用同一套试验模型对不同质量、阻尼和弹簧刚度的组合进行更广范围的自激振荡试验，简化了试验操作，加快了试验进度；试验中通过水平滑动模块用于模拟流，垂直滑动模块用于模拟垂直方向上的涡激振动。本发明采用20m精密轨道配合运动控制，有利于提高控制精度。此外，本发明采用特殊的第一端部假体装置3和第二端部假体装置4制造模拟流场，而不直接影响测量装置，解决了试验中模型两边出现的边界效应问题；本发明采用的深海立管分段模型100直径可达250mm，长度可达2m，从而在水平动力组件的运动速度范围内，雷诺数达10⁶量级，减小了尺度效应。。另外，本发明的试验装置中包含了两套垂直动力组件，可以模拟双圆柱相互干扰下的自激振荡试验。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，包括第一深海立管模块、第二深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和实时控制系统模块，其中，所述第一深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接，所述第二深海立管模块两端分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块连接；所述第一垂直滑动模块分别与第一端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第二垂直滑动模块分别与第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，所述第三垂直滑动模块分别与第三端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第四垂直滑动模块分别与第四端部假体模块和第二水平滑动模块连接；所述实时控制系统分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块相连接；

所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括三分力仪，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括动力组件，所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括动力组件，所述实时控制系统模块包括：RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，其中：RTOS系统依次连接数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器；数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块的三分力仪、第二端部假体模块的三分力仪、第三端部假体模块的三分力仪、第四端部假体模块的三分力仪、第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件以及第二水平滑动模块的动力组件相连接，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与所述第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件和第二水平滑动模块的动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接；其中，所述运动控制器用于指挥第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块执行垂直方向上的涡激振动；

采用实时控制系统，实时测量得到模型受来流的作用力、运动的速度和加速度，在反馈程序中定义圆柱体的质量、弹性系数、阻尼系数，通过求解运动方程，得到模型受力后的真实运动特性，通过运动控制器驱动动力装置带动模型进行相应运动，实现力反馈循环，模拟了模型的自激振动；

数据采集处理器，采集数据并进行实时滤波、降噪、运算处理，保证结构物模型运动平稳，逼近结构物真实运动；

数值模拟运算器，用于设定结构性能参数。

2.根据权利要求1所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均包括：两个立管固定接头和深海立管模型，所述两个立管固定接头分别连接在深海立管模型的两端，所述第一深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块相连接，所述第二深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块相连接；所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第一水平滑动模块垂直安装，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第二水平滑动模块垂直安装。

3.根据权利要求2所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述深海立管模型直径为250毫米，其长度为2米。

4.根据权利要求1所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪与三分力仪固定板相连；三分力仪固定板的一端与三分力仪连接，三分力仪固定板的另一端与楔块固接；楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和固定模块固接，假体外筒轴心线与挡流板平面的法线重合，三分力仪固定板中心线及三分力仪中心线均与假体外筒轴心线重合，三分力仪与楔块侧面垂直固定；第一端部假体模块的三分力仪和第二端部假体模块的三分力仪分别连接在第一深海立管模块的两端，第三端部假体模块的三分力仪和第四端部假体模块的三分力仪分别连接在第二深海立管模块的两端。

5.根据权利要求4所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述第二端部假体模块与第一端部假体模块成镜像对称结构，其中，第一端部假体模块的调整组件与第一垂直滑块模块固接，第二端部假体模块的调整组件与第二垂直滑块模块固接；所述第三端部假体模块与第一端部假体模块为同向结构；所述第四端部假体模块与第三端部假体模块成镜像对称结构；其中，第三端部假体模块的调整组件与第三垂直滑块模块固接，第四端部假体模块的调整组件与第四垂直滑块模块固接。

6.根据权利要求1所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括：齿条、第一动力组件、第二动力组件、第一法兰装置、第二法兰装置、第一滑架、第二滑架、第一滑架连板、第二滑架连板、第一滑动轨道和支撑架组，其中：第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑架相连，第一动力组件的传动轴穿过第一滑架连接至齿条，第一滑架滑动支撑在第一滑动轨道上；第一滑架连板滑动支撑在第一滑动轨道上，与第一滑架连接；第二动力组件通过第二法兰装置与第二滑架相连，第二动力组件的传动轴穿过第二滑架连接至齿条，第二滑架滑动支撑在第一滑动轨道上；第二滑架连板滑动支撑在第一滑动轨道上，与第二滑架连接；支撑架组的下端与第一滑动轨道固接；第一水平滑动模块和第二水平滑动模块成镜像对称结构；第一水平滑动模块的第一滑架和第一滑架连板均与第一垂直滑动模块相固接，第一水平滑动模块的第二滑架和第二滑架连板均与第三垂直滑动模块相固接，第二水平滑动模块的第一滑架和第一滑架连板均与第二垂直滑动模块相固接，第二水平滑动模块的第二滑架和第二滑架连板均与第四垂直滑动模块相固接。

7.根据权利要求6所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述第一水平滑动模块的第一滑动轨道分别与第一垂直滑动模块和第三垂直滑动模块垂直；所述第二水平滑动模块的第一滑动轨道与第二垂直滑动模块和第四垂直滑动模块垂直。

8.根据权利要求1所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括：第三动力组件、第三法兰装置、滑块、导链、第三滑动轨道、整流罩、固定支架、加强杆，其中：第三动力组件通过第三法兰装置与第三滑动轨道相连，第三动力组件的旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在第三滑动轨道上；第三滑动轨道垂直于第一水平滑动模块和第二水平滑动模块构成的平面，第三滑动轨道的后侧与固定支架连接，第三滑动轨道的两侧安装有整流罩；加强杆的一端安装在固定支架上；第一垂直滑动模块的滑块与第一端部假体模块相固接，第二垂直滑动模块的滑块与第二端部假体模块相固接，第三垂直滑动模块的滑块与第三端部假体模块相固接，第四垂直滑动模块的滑块与第四端部假体模块相固接；第一垂直滑动模块和第三垂直滑动模块的加强杆的另一端均安装在第一水平滑动模块上，第二垂直滑动模块和第四垂直滑动模块的加强杆的另一端均安装在第二水平滑动模块上。

9.根据权利要求8所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，第三滑动轨道与第一水平滑动模块和第二水平滑动模块垂直；所述第二垂直滑动模块与第一垂直滑动模块成镜像对称结构，第三垂直滑动模块与第一垂直滑动模块为同向结构，第四垂直滑动模块与第三垂直滑动模块成镜像对称结构。