CN102980732B - 模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，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。本发明所公开的试验装置，通过设定质量、阻尼、刚度参数模拟模型结构性能，加快了试验进度，并为立管分段模型的选择提供了很大的自由度；采用大尺度立管分段，减小尺度效应；采用端部假体装置，解决了模型边界效应的问题。

Description

模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置

技术领域

本发明属于海洋工程领域，具体地涉及一种模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置。

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。

目前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）难以模拟来流不垂直于结构物等特殊海况；（4）受试验装置尺寸限制，模型的长细比较小，尺度效应较大。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，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，无法较真实的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，模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，包括第一深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、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：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，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，第二垂直滑动模块分别与第二端部假体和第二水平滑动模块连接，第一水平滑动模块与拖车底部一端固定连接并和第一垂直滑动模块连接，第二水平滑动模块与拖车另一端底部固定连接并和第二垂直滑动模块连接，深海立管模块与水平滑动模块垂直安装，实时控制系统模块设置于拖车上，分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块相连接。

优选地，所述的深海立管模块包括：两个立管固定接头和深海立管模型，其中：深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与两个端部假体模块连接。

优选地，所述第一端部假体模块包括：第一假体外筒、第一三分力仪、第一三分力仪固定板、第一楔块、第一支座、第一调整组件、第一固定板、第一垫板、第一挡流板，其中：第一假体外筒与第一挡流板固定，第一三分力仪分别与深海立管模块中的两个固定接头和第一三分力仪固定板相连，第一三分力仪固定板一端与第一三分力仪连接，另一端与第一楔块固接，第一楔块贯穿第一挡流板，并在第一挡流板内侧用第一支座与第一挡流板固接，第一挡流板另一侧的第一楔块与第一垫板连接，第一固定板通过第一垫板与第一楔块固接，第一调整组件分别与第一固定板和第一垂直滑动模块固接，第一假体外筒轴心线与第一档流板平面的法线重合，第一三分力仪固定板中心线及第一三分力仪中心线均与第一假体外筒轴心线重合，第一三分力仪与第一楔块侧面垂直固定；所述第二端部假体模块与第一端部假体模块是镜像对称结构。

优选地，所述第一水平滑动模块包括：第一齿条、第一水平动力组件、第一水平法兰装置、第一滑架、第一滑架连板、第一水平滑动轨道和第一支撑架组，其中：第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑架相连，其传动轴穿过第一滑架连接至第一齿条，第一滑架滑动支撑在第一水平滑动轨道上，并与第一垂直滑动模块相固接，第一滑架连板滑动支撑在第一水平滑动轨道上，与第一滑架连接，并与第一垂直滑动模块固定；第一支撑架组上端与拖车固接，下端与第一水平滑动轨道固接，第一水平滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块垂直。所述第二水平滑动模块与第一水平滑动模块成镜像对称结构。

优选地，所述第一垂直滑动模块包括：第一垂直动力组件、第一垂直法兰装置、第一滑块、第一导链、第一垂直滑动轨道、第一整流罩、第一固定支架、第一加强杆，其中：第一垂直动力组件通过第一垂直法兰装置与第一垂直滑动轨道相连，其旋转轴通过第一导链连接至第一滑块，第一滑块滑动支撑在第一垂直滑动轨道上，并与第一端部假体模块的第一调整组件相固接；第一垂直滑动轨道垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，其另一侧与第一固定支架连接，下端自由悬空，第一垂直滑动轨道的两侧安装有第一整流罩；第一加强杆两端分别安装在第一固定支架与第一水平滑动模块中的第一滑架连板上；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。

优选地，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与所述第一端部假体模块的第一三分力仪、第二端部假体模块的第二三分力仪、第一垂直滑动模块中的第一垂直动力组件以及第二垂直滑动模块中的第二垂直动力组件相连接，其输出端与RTOS系统相连接；数值模拟运算器与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，输出端与所述第一垂直滑动模块的第一垂直动力组件和第二垂直滑动模块的第二垂直动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接。

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，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，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，从而在正常拖车运动速度范围内，雷诺数达106量级，减小了尺度效应。

附图说明

图1是本发明实施例提供的试验装置在拖车上的安装示意图；

图2是本发明实施例提供的试验装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的试验装置的俯视图；

图4是本发明实施例提供的深海立管模块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的端部假体模块的侧视图；

图6是本发明实施例提供的垂直滑动模块的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的垂直滑动模块的侧视图；

图8是本发明实施例提供的水平滑动模块的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的水平滑动模块的俯视图；

图10是本发明实施例提供的实时控制系统模块的结构示意图。

图中，1为深海立管模块，2为第一端部假体模块，3为第二端部假体模块，4为第一垂直滑动模块，5为第二垂直滑动模块,6为第一水平滑动模块，7为第二水平滑动模块，8为实时控制系统模块，9为拖车，100为深海立管模型，101、102为立管固定接头，200为第一假体外筒，201为第一三分力仪，202为第一三分力仪固定板，203为第一楔块，204为第一支座，206为第一调整组件，207为第一固定板，208为第一垫板，205为第一挡流板，600为第一齿条，601为第一水平动力组件，602为第一水平法兰装置，603为第一滑架，604为第一滑架连板，605为第一水平滑动轨道，606为第一支撑架组，400为第一垂直动力组件，401为第一垂直法兰装置、402为第一滑块、403为第一导链、404为第一垂直滑动轨道、405为第一整流罩、406为第一固定支架、407为第一加强杆，800为RTOS系统、801为数据采集处理器、802为数值模拟运算器、803为运动控制器、804为显示器。

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。

图1、图2和图3所示，本发明提供的所述实验装置包括：深海立管模块1、第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一垂直滑动模块4、第二垂直滑动模块5、第一水平滑动模块6、第二水平滑动模块7和实时控制模块8，其中：深海立管模块1两端分别与第一端部假体模块2和第二端部假体模块3连接，第一垂直滑动模块4分别与第一端部假体模块2和第一水平滑动模块6连接，第二垂直滑动模块5分别与第二端部假体模块3和第二水平滑动模块7连接，第一水平滑动模块6与拖车9一端底部固定连接并和第一垂直滑动模块4连接，第二水平滑动模块7与拖车9另一端底部固定连接并和第二垂直滑动模块5连接，深海立管模块1与第一垂直滑动模块4、第二垂直滑动模块5垂直安装，实时控制模块8设置于拖车9上，分别与第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一水平滑动模块6、第二水平滑动模块7相连接。

如图2、图4所示，所述深海立管模块1包括：两个立管固定接头101、102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、102连接，两个立管固定接头101、102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、102为固定连接，避免立管模型在实验时发生松动。

如图2和图5所示，所述第一端部假体模块2包括：第一假体外筒200、第一三分力仪201、第一三分力仪固定板202、第一楔块203、第一支座204、第一调整组件206、第一固定板207、第一垫板208、第一挡流板205，其中：第一假体外筒200与第一挡流板205固定并且第一假体外筒200的轴线与第一挡流板205的法线控制在0度，第一三分力仪201分别与浮筒分段模块1中的第一固定接头101和第一三分力仪固定板202相连，第一三分力仪固定板202一端与第一三分力仪201连接，另一端与第一楔块203固接，第一楔块203贯穿第一挡流板205，并在第一挡流板205内侧用第一支座204与第一挡流板205固接，第一挡流板205另一侧的第一楔块203与第一垫板208连接，第一固定板207通过第一垫板208与第一楔块203固接，第一调整组件206分别与第一固定板207和第一垂直模块4固接。第二端部假体模块3与第一端部假体模块2是镜像对称结构，具体地，所述第二端部假体模块3包括：第二假体外筒、第二三分力仪301、第二三分力仪固定板、第二楔块、第二支座、第二调整组件、第二固定板、第二垫板、第二挡流板，其中：第二假体外筒与第二挡流板固定并且第二假体外筒的轴线与第二挡流板的法线控制在0度，第二三分力仪分别与浮筒分段模块1中的第二固定接头102和第二三分力仪固定板相连，第二三分力仪固定板一端与第二三分力仪连接，另一端与第二楔块固接，第二楔块贯穿第二挡流板，并在第二挡流板内侧用第二支座与第二挡流板固接，第二挡流板另一侧的第二楔块与第二垫板连接，第二固定板通过第二垫板与第二楔块固接，第二调整组件分别与第二固定板和第二垂直滑动模块5固接。

如图2、图8和图9所示，所述第一水平滑动模块6包括：第一齿条600、第一水平动力组件601、第一水平法兰装置602、第一滑架603、第一滑架连板604、第一水平滑动轨道605和第一支撑架组606，其中：第一水平动力组件601通过第一水平法兰装置602与第一滑架603相连，其传动轴穿过第一滑架604连接至第一齿条600，第一滑架604滑动支撑在第一水平滑动轨道605上，并与第一垂直滑动模块4相固接，第一滑架连板604滑动支撑在第一水平滑动轨道605上，与第一滑架连接，并与第一垂直滑动模块4的第一加强杆404一端固定；第一支撑架组606上端与拖车9固接，下端与第一水平滑动轨道605固接，第一水平滑动轨道605平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块4垂直；所述第二水平滑动模块7与第一滑动模块6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4包括：第一垂直动力组件400、第一垂直法兰装置401、第一滑块402、第一导链403、第一垂直滑动轨道404、第一整流罩405、第一固定支架406、第一加强杆407，其中：第一垂直动力组件400通过第一垂直法兰装置401与第一垂直滑动轨道404相连，其旋转轴通过第一导链403连接至第一滑块402，第一滑块402滑动支撑在第一垂直滑动轨道404上，并与第一端部假体模块2的第一调整组件206相固接；第一垂直滑动轨道404垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，其另一侧与第一固定支架406连接，下端自由悬空，第一垂直滑动轨道404的两侧安装有第一整流罩405；第一加强杆407两端分别安装在第一固定支架406与第一水平滑动模块6中的第一滑架连板607上；所述第二垂直滑动模块5与第一垂直滑动模块4成镜像对称结构，在此不再赘述。

如图10所示，所述实时控制系统模块8包括：RTOS系统800、数据采集处理器801、数值模拟运算器802、运动控制器803和显示器804。其中：RTOS系统800依次连接数据采集处理器801、数值模拟运算器802、运动控制器803和显示器804；数据采集处理器801的输入端与所述第一端部假体模块2的第一三分力仪201、第二端部假体模块3的第二三分力仪301、第一垂直滑动模块4的第一垂直动力组件400中的编码器以及第二垂直滑动模块5的第二垂直动力组件500中的编码器相连接，其输出端与RTOS系统800相连接；数值模拟运算器802与RTOS系统800相连接；运动控制器803的输入端与RTOS系统800相连接，输出端与所述第一垂直滑动模块4的第一垂直动力组件400以及第二垂直滑动模块5的第二垂直动力组件500相连接；显示器804与RTOS系统800相连接。

工作原理：

试验开始前，在实时控制系统模块8的数值模拟运算器802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803向第一水平滑动轨道6的第一水平动力组件601、第二水平滑动轨道7的第二水平动力组件701发出指令，使装置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2及第二端部假体模块3中的三分力仪201、301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4的第一垂直动力组件400和第二垂直滑动模块5的第二垂直动力组件500的编码器测出深海立管模型100实时的竖直与水平运动速度，数据采集处理器801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802，同时将数据传输到显示器804显示成可视数据。数值模拟运算器802依据数据采集处理器801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之后在垂直方向上应该达到的运动速度，并将其输出给运动控制器803生成控制指令。此后，由运动控制器803向第一垂直滑动模块4的第一垂直动力组件400及第二垂直滑动模块5的第二垂直动力组件500发出运动指令，动力组件带动深海立管模块1沿垂直来流方向以计算速度在第一垂直滑动模块4的第一垂直滑动轨道404、第二垂直滑动模块5的第二垂直滑动轨道504上同步运动，以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804上显示。到此，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。

本发明采用实时控制系统8，实时测量得到模型受来流的作用力、运动的速度和加速度，以此进行数值模拟求解运动方程，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EtherCAT总线控制，可以扩展各种模块，如编码器、模拟量等。其中数据采集处理器801，可高频采集数据并进行实时滤波、降噪、运算等处理，实现实时的数据记录和存储，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802，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精密轨道等配合运动控制，有利于提高了控制精度，整个控制周期可达到1-2ms。并且整个控制程序基于PC开发，可满足后续各种运动控制任务要求。此外，本发明采用特殊的第一端部假体装置2和第二端部假体装置3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在水平滑块运动速度范围内，雷诺数达10⁶量级，减小了尺度效应。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，其特征在于，所述装置将力反馈控制技术应用于传统的海洋立管振荡装置中，通过实时测量立管的受力和高带宽反馈，求解立管运动方程，从而模拟立管在真实海况中的自激振动，所述装置主要由深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、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：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，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，第二垂直滑动模块分别与第二端部假体和第二水平滑动模块连接，第一水平滑动模块与拖车底部一端固定连接并和第一垂直滑动模块连接，第二水平滑动模块与拖车底部另一端固定连接并和第二垂直滑动模块连接，深海立管模块与水平滑动模块垂直安装，实时控制系统模块设置于拖车上，分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块相连接；

所述第一端部假体模块包括：第一假体外筒、第一三分力仪、第一三分力仪固定板、第一楔块、第一支座、第一调整组件、第一固定板、第一垫板、第一挡流板，其中：第一假体外筒与第一挡流板固定，第一三分力仪分别与深海立管模块中的两个固定接头和第一三分力仪固定板相连，第一三分力仪固定板一端与第一三分力仪连接，另一端与第一楔块固接，第一楔块贯穿第一挡流板，并在第一挡流板内侧用第一支座与第一挡流板固接，第一挡流板另一侧的第一楔块与第一垫板连接，第一固定板通过第一垫板与第一楔块固接，第一调整组件分别与第一固定板和第一垂直滑动模块固接，第一假体外筒轴心线与第一档流板平面的法线重合，第一三分力仪固定板中心线及第一三分力仪中心线均与第一假体外筒轴心线重合，第一三分力仪与第一楔块斜侧面垂直固定；所述第二端部假体模块与第一端部假体模块是镜像对称结构；

所述第一水平滑动模块包括：第一齿条、第一水平动力组件、第一水平法兰装置、第一滑架、第一滑架连板、第一水平滑动轨道和第一支撑架组，其中：第一水平动力组件通过第一水平法兰装置与第一滑架相连，其传动轴穿过第一滑架连接至第一齿条，第一滑架滑动支撑在第一水平滑动轨道上，并与第一垂直滑动模块相固接，第一滑架连板滑动支撑在第一水平滑动轨道上，与第一滑架连接，并与第一垂直滑动模块固定；第一支撑架组上端与拖车固接，下端与第一水平滑动轨道固接，第一水平滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块垂直；所述第二水平滑动模块与第一水平滑动模块成镜像对称结构；

所述第一垂直滑动模块包括：第一垂直动力组件、第一垂直法兰装置、第一滑块、第一导链、第一垂直滑动轨道、第一整流罩、第一固定支架、第一加强杆，其中：第一垂直动力组件通过第一垂直法兰装置与第一垂直滑动轨道相连，其旋转轴通过第一导链连接至第一滑块，第一滑块滑动支撑在第一垂直滑动轨道上，并与第一端部假体模块的第一调整组件相固接；第一垂直滑动轨道垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，其一侧与第一固定支架连接，下端自由悬空，第一垂直滑动轨道的两侧安装有第一整流罩；第一加强杆两端分别安装在第一固定支架与第一水平滑动模块中的第一滑架连板上；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；

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与所述第一端部假体模块的第一三分力仪、第二端部假体模块的第二三分力仪、第一垂直滑动模块中的第一垂直动力组件以及第二垂直滑动模块中的第二垂直动力组件的编码器相连接，其输出端与RTOS系统相连接；数值模拟运算器与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，输出端与所述第一垂直滑动模块的第一动力组件和第二垂直滑动模块的第二动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接，所述数值模拟运算器，能够设定不同的结构性能参数，不涉及到实际的物理模型，从而能够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。

2.如权利要求1所述的模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，其特征在于，所述的深海立管模块包括：两个立管固定接头和深海立管模型，其中：深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个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连接。