CN104406754B - 双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，本发明可以实现立管在均匀来流作用下的涡激振动测试；可以充分利用海洋工程深水池的升降底增加大型关键安装的安全系数；可以充分利用海洋工程深水池的深度模拟大型管件的实雷诺数涡激振动；可以充分利用海洋工程深水池的宽度在大型管件周边布置实时监控设备，根据不同需要对模型的形状进行调整；采用模块化设计，优点在于便于安装，便于升级与更改，并满足不同的功能要求；能够模拟立管顶部海洋平台运动，进行更为真实的涡激振动测试。

Description

双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置

技术领域

本发明属于海洋工程领域，具体地涉及一种双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置。

背景技术

在风浪流的作用下，海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运动，从而在立管运动方向上产生相对振荡来流，这种振荡来流将激励立管悬垂段发生“间歇性”的涡激振动。近几年来，随着深海石油系统的开发，工程上开始大量采用悬链式立管。深水环境中的立管可视为细长柔性结构，此时小变形理论不再适用，这使得立管的涡激振动问题更加突出，因此对于细长柔性立管顶部平台作用下的整体涡激振动响应特性的分析是其能否应用于工程实践的关键所在。

以往预报细长海洋结构物的涡激振动危害最常用的方法是数值计算SHEAR7、VIVA、VIVANA，这种通过理论公式来预测荷载和响应的方法至今仍具有很大的不确定性。目前为止，对柔性管涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。模型试验中观察到的现象更接近于自然界的真实情况。通过对现有技术的检索，立管模型试验一般在拖曳海洋工程深水池中进行，有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动的测试。发表于“Applied Ocean Research(2013)”43刊中的论文“Experiments with asteel catenary riser model in a towing tank”(拖曳水池细长柔性立管模型实验),在拖曳水池中通过运行与立管相连接的车厢来模拟立管周围的稳定流场，在立管上安装微型加速度测量仪监测立管的状态。分析此种测试技术，发现其不足点在于：1、考虑到拖曳水池的深度，一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效地进行实雷诺数下的涡激振动测试2、不易于布置立管周围的水下监控设备，在进行缓波型立管模型测试时不能调节立管的形状3、不能进行一定流速下的强迫振荡实验4、在实验中安装立管过程较复杂5、不能有效模拟海洋平台的运动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种均匀流下测量细长立管动力响应测试装置，旨在分析细长柔性立管顶部平台作用下的整体涡激振动响应特性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，包括深海立管模块，顶部边界模块，底部边界模块，顶部垂向滑动模块，顶部滑动模块，底部固定模块，测量分析控制模块，所述顶部边界模块通过螺丝和深海立管模块相连接，所述顶部边界模块固定在顶部垂向滑动模块上，所述底部边界模块通过螺丝Ⅰ和深海立管模块相连接，所述底部固定模块上焊接有底部固定板，所述底部固定板顶部垂向滑动模块中的一端安装在顶部滑动模块上，底部固定模块的底端连接在底部边界模块上，拖车上放置测量分析控制模块，深海立管模块包括深海立管模型，光纤传感器，所述光纤传感器布置在深海立管模型上，所述深海立管模型的顶端和顶部边界模块相连接，所述深海立管模型的底部和底部边界模块相连接，所述顶部边界模块包括顶部夹具外缘，螺丝，顶部夹具底板，第一垫板，第一万向节固定板，第一万向节转动装置，第二万向节固定板，第一三分力仪固定板，第一三分力仪，第一调整组件，第一楔块，所述顶部夹具外缘通过螺丝11和深海立管模型相连接，两者在同一平面内，所述顶部夹具底板与顶部夹具外缘固接，所述顶部夹具底板与第一垫板用螺丝相连接，所述第一万向节固定板与第一垫板和第一万向节转动装置相连接，所述第一万向节转动装置与第一万向节固定板和第二万向节固定板固接，所述第二万向节固定板和三分力仪固定板一侧连接，所述三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接，所述三分力仪的末端与第一调整组件相连接，所述第一调整组件的另一侧固接在第一楔块上，所述底部边界模块包括底部夹具外缘，螺丝Ⅰ，底部夹具底板，第二垫板，第三万向节固定板，第二万向节转动装置，第四万向节固定板，第二三分力仪固定板，第二三分力仪，底部固定板，所述底部夹具外缘通过螺丝Ⅰ和深海立管模型相连接，两者在同一平面内，所述底部夹具底板与底部夹具外缘固接，所述底部夹具外缘与第二垫板固接，所述第三万向节固定板与第二垫板和第二万向节转动装置相连接，所述第二万向节转动装置与第三万向节固定板和第四万向节固定板固接，第四万向节固定板和第二三分力仪固定板一侧连接，所述三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接，所述三分力仪的末端与底部固定板相连接，所述顶部滑动模块包括第一动力组件，第一法兰装置，第一滑块，第一导链，第一滑动轨道，第一支撑架，其中第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑动轨道相连接，所述第一动力组件的旋转轴通过第一导链连接至第一滑块上，所述第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上，并且与顶部垂向滑动模块上的垂直滑动轨道相连接，所述第一支撑架固接在测量分析控制模块上，使其可以连动，所述的底部固定模块包括小假底面板，面板补板，面板连接块，第二动力组件，第二法兰装置，第二连接块，第二导链，底部固定轨道和第二支撑架，所述小假底面板的底端连接底部固定板上，所述面板连接块焊接在小假底面板的正下方，并与两块面板补板相连接，所述面板补板焊接在第二连接块上，所述第二动力组件通过第二法兰装置与底部固定轨道相连接，所述第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二连接块上，第二连接块固接在底部固定轨道上，第二支撑架支撑在水池假底上，所述顶部垂向滑动模块包括第三动力组件，第三法兰装置，整流罩，顶部垂向滑动轨道和垂直滑动块；所述的垂直滑动轨道安装在顶部固定模块的第一连接块上，其上滑动安装有垂直滑动块，两侧分别安装有整流罩，所述的垂直滑动块与顶部边界模块中的第一楔块相固接，所述第三动力组件通过第三法兰装置与垂直滑动轨道相连接，第三动力组件的旋转轴通过第一导链连接至垂直滑动块上，所述垂直滑动块滑动支撑在顶部垂向滑动轨道上，所述顶部垂向滑动轨道与第一连接块相连接，所述第三动力组件通过第三法兰装置与顶部垂向滑动轨道相连接。

作为优选，所述底部固定板焊接在底部固定模块的小假底面板上。

作为优选，所述第一楔块的侧面固定在顶部垂向滑动模块中的垂直滑动块上。

作为优选，所述的测量分析控制模块包括数据采集处理器，运动控制器和显示器，所述数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部边界模块中的单分力仪，以及光纤传感器相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器包括运动控制输出窗口和图像显示端口，运动控制输出窗口与所述顶部滑动模块的第一动力组件，底部固定模块的第二动力组件相连接，图像显示端口与显示器相连接。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明可以实现立管在均匀来流作用下的涡激振动测试；

2、本发明可以充分利用海洋工程深水池的升降底增加大型关键安装的安全系数；

3、本发明可以充分利用海洋工程深水池的深度模拟大型管件的实雷诺数涡激振动；

4、本发明可以充分利用海洋工程深水池的宽度在大型管件周边布置实时监控设备，根据不同需要对模型的形状进行调整；

5、本发明采用模块化设计，优点在于便于安装，便于升级与更改，并满足不同的功能要求；

6、本发明能够模拟立管顶部海洋平台运动，进行更为真实的涡激振动测试。

附图说明

图1是本发明提供的实验装置的结构示意图。

图2是本发明提供的实验装置的顶部结构图。

图3是本发明提供的实验装置的底部结构图。

图4是本发明提供的深海立管模块的结构示意图。

图5是本发明提供的顶部边界模块的结构示意图。

图6是本发明提供的底部边界模块的结构示意图。

图7是本发明提供的顶部垂向滑动模块的侧视图。

图8是本发明提供的顶部滑动模块的结构示意图。

图9是本发明提供的顶部滑动模块的侧视图。

图10是本发明提供的底部固定模块的结构示意图。

图11是本发明提供的底部固定模块的局部示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-11所示，本发明实施例提供了一种双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，包括深海立管模块1，顶部边界模块2，底部边界模块3，顶部垂向滑动模块4，顶部滑动模块5，底部固定模块6，测量分析控制模块7，所述顶部边界模块2通过螺丝11和深海立管模块1相连接，所述顶部边界模块2固定在顶部垂向滑动模块4上，所述底部边界模块3通过螺丝Ⅰ22和深海立管模块1相连接，所述底部固定模块6上焊接有底部固定板，所述底部固定板顶部垂向滑动模块4中的一端安装在顶部滑动模块5上，底部固定模块6的底端连接在底部边界模块3上，拖车上放置测量分析控制模块7，深海立管模块1包括深海立管模型9，光纤传感器8，所述光纤传感器8布置在深海立管模型9上，所述深海立管模型9的顶端和顶部边界模块2相连接，所述深海立管模型9的底部和底部边界模块3相连接，所述顶部边界模块2包括顶部夹具外缘10，螺丝11，顶部夹具底板12，第一垫板13，第一万向节固定板14，第一万向节转动装置15，第二万向节固定板16，第一三分力仪固定板17，第一三分力仪18，第一调整组件19，第一楔块20，所述顶部夹具外缘10通过螺丝11和深海立管模型9相连接，两者在同一平面内，所述顶部夹具底板12与顶部夹具外缘11固接，所述顶部夹具底板12与第一垫板13用螺丝11相连接，所述第一万向节固定板14与第一垫板13和第一万向节转动装置15相连接，所述第一万向节转动装置15与第一万向节固定板14和第二万向节固定板16固接，所述第二万向节固定板16和三分力仪固定板17一侧连接，所述三分力仪固定板17的另一侧和三分力仪18连接，所述三分力仪18的末端与第一调整组件19相连接，所述第一调整组件19的另一侧固接在第一楔块20上，所述底部边界模块3包括底部夹具外缘21，螺丝Ⅰ22，底部夹具底板23，第二垫板24，第三万向节固定板25，第二万向节转动装置26，第四万向节固定板27，第二三分力仪固定板28，第二三分力仪29，底部固定板30，所述底部夹具外缘21通过螺丝Ⅰ22和深海立管模型9相连接，两者在同一平面内，所述底部夹具底板23与底部夹具外缘21固接，所述底部夹具外缘21与第二垫板24固接，所述第三万向节固定板25与第二垫板24和第二万向节转动装置26相连接，所述第二万向节转动装置26与第三万向节固定板25和第四万向节固定板27固接，第四万向节固定板27和第二三分力仪固定板28一侧连接，所述三分力仪固定板28的另一侧和三分力仪29连接，所述三分力仪29的末端与底部固定板30相连接，所述顶部滑动模块5包括第一动力组件34，第一法兰装置35，第一滑块36，第一导链37，第一滑动轨道38，第一支撑架39，其中第一动力组件34通过第一法兰装置35与第一滑动轨道38相连接，所述第一动力组件34的旋转轴通过第一导链37连接至第一滑块36上，所述第一滑块36滑动支撑在第一滑动轨道38上，并且与顶部垂向滑动模块4上的垂直滑动轨道32相连接，所述第一支撑架39固接在测量分析控制模块7上，使其可以连动，所述的底部固定模块6包括小假底面板40，面板补板41，面板连接块42，第二动力组件43，第二法兰装置44，第二连接块45，第二导链46，底部固定轨道47和第二支撑架48，所述小假底面板40的底端连接底部固定板30上，所述面板连接块42焊接在小假底面板40的正下方，并与两块面板补板41相连接，所述面板补板1焊接在第二连接块45上，所述第二动力组件43通过第二法兰装置44与底部固定轨道47相连接，所述第二动力组件43的旋转轴通过第二导链46连接至第二连接块45上，第二连接块45固接在底部固定轨道47上，第二支撑架支撑在水池假底上，所述顶部垂向滑动模块4包括第三动力组件49，第三法兰装置50，整流罩31，顶部垂向滑动轨道32和垂直滑动块33；所述的垂直滑动轨道32安装在顶部固定模块5的第一连接块36上，其上滑动安装有垂直滑动块33，两侧分别安装有整流罩31，所述的垂直滑动块33与顶部边界模块2中的第一楔块20相固接，所述第三动力组件49通过第三法兰装置50与垂直滑动轨道32相连接，第三动力组件49的旋转轴通过第一导链37连接至垂直滑动块33上，所述垂直滑动块33滑动支撑在顶部垂向滑动轨道32上，所述顶部垂向滑动轨道32与第一连接块36相连接，所述第三动力组件49通过第三法兰装置50与顶部垂向滑动轨道32相连接。

所述底部固定板30焊接在底部固定模块6的小假底面板40上。

所述第一楔块20的侧面固定在顶部垂向滑动模块4中的垂直滑动块33上。

所述的测量分析控制模块7包括数据采集处理器，运动控制器和显示器，所述数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部边界模块中的单分力仪，以及光纤传感器相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器包括运动控制输出窗口和图像显示端口，运动控制输出窗口与所述顶部滑动模块的第一动力组件，底部固定模块的第二动力组件相连接，图像显示端口与显示器相连接。

本具体实施工作原理：试验时将光纤传感器四向均匀布置在深海立管模块上，并在立管上套上热缩管(必要时可以加浮力块)，立管的两端分别连接在顶部边界模块和底部边界模块上，它们分别与顶部垂向滑动模块，顶部滑动模块和底部固定模块相连接，试验时，依靠假底的升降和拖车的移动，使得立管模型到达指定的位置，呈现指定的形态，通过测量分析模块中的电脑控制电机，使得立管做双向强迫振荡，立管的运动由高速摄像机记录，应变由光纤传感器测量，并将数据传给电脑进行后处理。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，其特征在在于，包括深海立管模块，顶部边界模块，底部边界模块，顶部垂向滑动模块，顶部滑动模块，底部固定模块，测量分析控制模块，所述顶部边界模块通过螺丝和深海立管模块相连接，所述顶部边界模块固定在顶部垂向滑动模块上，所述底部边界模块通过螺丝Ⅰ和深海立管模块相连接，所述底部固定模块上焊接有底部固定板，所述顶部垂向滑动模块中的一端安装在顶部滑动模块上，底部固定模块的底端连接在底部边界模块上，拖车上放置测量分析控制模块，深海立管模块包括深海立管模型，光纤传感器，所述光纤传感器布置在深海立管模型上，所述深海立管模型的顶端和顶部边界模块相连接，所述深海立管模型的底部和底部边界模块相连接；

所述顶部边界模块包括顶部夹具外缘，螺丝，顶部夹具底板，第一垫板，第一万向节固定板，第一万向节转动装置，第二万向节固定板，第一三分力仪固定板，第一三分力仪，第一调整组件，第一楔块，所述顶部夹具外缘通过螺丝和深海立管模型相连接，两者在同一平面内，所述顶部夹具底板与顶部夹具外缘固接，所述顶部夹具底板与第一垫板用螺丝相连接，所述第一万向节固定板与第一垫板和第一万向节转动装置相连接，所述第一万向节转动装置与第一万向节固定板和第二万向节固定板固接，所述第二万向节固定板和第一三分力仪固定板一侧连接，所述第一三分力仪固定板的另一侧和第一三分力仪连接，所述三分力仪的末端与第一调整组件相连接，所述第一调整组件的另一侧固接在第一楔块上；

所述底部边界模块包括底部夹具外缘，螺丝Ⅰ，底部夹具底板，第二垫板，第三万向节固定板，第二万向节转动装置，第四万向节固定板，第二三分力仪固定板，第二三分力仪，底部固定板，所述底部夹具外缘通过螺丝Ⅰ和深海立管模型相连接，两者在同一平面内，所述底部夹具底板与底部夹具外缘固接，所述底部夹具外缘与第二垫板固接，所述第三万向节固定板与第二垫板和第二万向节转动装置相连接，所述第二万向节转动装置与第三万向节固定板和第四万向节固定板固接，第四万向节固定板和第二三分力仪固定板一侧连接，所述第二三分力仪固定板的另一侧和第二三分力仪连接，所述第二三分力仪的末端与底部固定板相连接；

所述顶部滑动模块包括第一动力组件，第一法兰装置，第一滑块，第一导链，第一滑动轨道，第一支撑架，其中第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑动轨道相连接，所述第一动力组件的旋转轴通过第一导链连接至第一滑块上，所述第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上，并且与顶部垂向滑动模块上的垂直滑动轨道相连接，所述第一支撑架固接在测量分析控制模块上，使其可以连动，所述的底部固定模块包括小假底面板，面板补板，面板连接块，第二动力组件，第二法兰装置，第二连接块，第二导链，底部固定轨道和第二支撑架，所述小假底面板的底端连接底部固定板上，所述面板连接块焊接在小假底面板的正下方，并与两块面板补板相连接，所述面板补板焊接在第二连接块上，所述第二动力组件通过第二法兰装置与底部固定轨道相连接，所述第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二连接块上，第二连接块固接在底部固定轨道上；

所述顶部垂向滑动模块包括第三动力组件，第三法兰装置，整流罩，垂向滑动轨道和垂直滑动块；所述的垂直滑动轨道安装在顶部固定模块的第一连接块上，其上滑动安装有垂直滑动块，两侧分别安装有整流罩，所述的垂直滑动块与顶部边界模块中的第一楔块相固接，所述第三动力组件通过第三法兰装置与垂直滑动轨道相连接，第三动力组件的旋转轴通过第一导链连接至垂直滑动块上，所述垂直滑动块滑动支撑在顶部垂向滑动轨道上，所述顶部垂向滑动轨道与第一连接块相连接，所述第三动力组件通过第三法兰装置与顶部垂向滑动轨道相连接。

2.根据权利要求1所述的双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，其特征在于，所述底部固定板焊接在底部固定模块的小假底面板上。

3.根据权利要求1所述的双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，其特征在于，所述第一楔块的侧面固定在顶部垂向滑动模块中的垂直滑动块上。

4.根据权利要求1所述的双向强迫振荡状态下的深海细长立管的动力响应测试装置，其特征在于，所述的测量分析控制模块包括数据采集处理器，运动控制器和显示器，所述数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的第一三分力仪和底部边界模块中的单分力仪，以及光纤传感器相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器包括运动控制输出窗口和图像显示端口，运动控制输出窗口与所述顶部滑动模块的第一动力组件，底部固定模块的第二动力组件相连接，所述图像显示端口与所述显示器相连接。