CN104502042B - 一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置 - Google Patents

Abstract

一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，包括深海立管模块、顶部边界模块、底部边界模块、固定模块、顶部滑动模块、底部固定模块、测量分析控制模块，深海立管模块两端分别与顶部边界模块和底部边界模块连接，立管所在平面与底部固定轨道成一定夹角，固定模块与顶部边界模块、顶部滑动模块连接，顶部滑动模块和拖车底部固定端连接，底部固定模块与底部边界模块和水池小假底连接，深海立管模块分别与固定模块、顶部滑动模块和底部固定模块成一定夹角，测量分析控制模块分别与深海立管模块、顶部边界模块、底部边界模块、固定模块、顶部滑动模块、底部固定模块连接。本发明旨在分析细长立管在水平斜向强迫振荡下的整体涡激振动响应特性。

Description

一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，具体地涉及一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应，同时监测涡激振动(VIV)的实验装置。

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”(拖曳水池中的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

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应，同时监测VIV的装置，旨在分析细长柔性立管在斜向水平强迫振荡作用下的整体涡激振动响应特性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，包括深海立管模块，顶部边界模块，底部边界模块，固定模块，顶部滑动模块，底部固定模块，测量分析控制模块，其中：深海立管模块两端分别与顶部边界模块和底部边界模块相连接，且立管所在平面与底部固定模块中的底部固定轨道所在平面成一定夹角，固定模块与顶部边界模块和顶部滑动模块相连接，顶部滑动模块和拖车底部固定端相连接，底部固定模块与底部边界模块和水池小假底相连接，深海立管模块分别与固定模块、顶部滑动模块和底部固定模块成一定夹角，测量分析控制模块分别与深海立管模块、顶部边界模块、底部边界模块、固定模块、顶部滑动模块、底部固定模块相连接。

所述深海立管模块包括：深海立管模型，光纤传感器，其中光纤传感器布置在深海立管上，立管的顶端和顶部边界模块相连接，立管的底部和底部边界模块相连接，且立管所在平面与底部固定轨道所在平面成一定夹角。

所述的顶部边界模块包括：顶部夹具外缘、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，其中，顶部夹具外缘和深海立管模型相连接，两者成一定夹角，顶部夹具底板与顶部夹具外缘固接，并与第一垫板相连接，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，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，第二万向节固定板和第一三分力仪固定板一侧连接，第一三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接，三分力仪的末端与第一调整组件相连接，第一调整组件的另一侧固接在第一楔块上，第一楔块的侧面固定在固定模块上。

所述的底部边界模块包括：底部夹具外缘、，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，其中，底部夹具外缘和深海立管模型相连接，两者成一定夹角，底部夹具底板与底部夹具外缘固接，并与第二垫板固接，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，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，第二三分力仪固定板的另一侧和第二三分力仪连接，第二三分力仪的末端与底部固定板相连接，底部固定板焊接在底部固定模块上。

所述的固定模块包括：整流罩，垂直固定板和垂直固定块；所述的垂直固定板安装在顶部滑动模块上，其上滑动安装有垂直固定块，两侧分别安装有整流罩，所述的垂直固定块与顶部边界模块相固接。

所述的顶部滑动模块包括：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，其旋转轴通过第一导链连接至第一滑块上，第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上，并且与固定模块上相连接。

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、第二支撑架，其中，小假底面板的底端连接在底部边界模块上，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，面板补板焊接在第二连接块上，第二动力组件通过第二法兰装置与底部固定轨道相连接，其旋转轴通过第二导链连接至第二连接块上，第二连接块滑动支撑在底部固定轨道上，且底部固定轨道与小假底面板成一定夹角。

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，其中：数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块、底部边界模块以及深海立管模块相连接，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、底部固定模块相连接，图像显示端口与显示器相连接。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明可以实现立管在斜向水平强迫振荡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在斜向水平强迫振荡作用下的运动，进行更为真实的涡激振动测试。

附图说明

图1是本发明提供的装置结构示意图；

图2是本发明提供的装置顶部结构图；

图3是本发明提供的装置底部结构图；

图4是本发明提供的斜向布置结构示意图；

图5是本发明提供的深海立管模块的结构示意图；

图6是本发明提供的顶部边界模块的结构示意图；

图7是本发明提供的底部边界模块的结构示意图；

图8是本发明提供的固定模块的侧视图；

图9是本发明提供的顶部滑动模块的结构示意图；

图10是本发明提供的顶部滑动模块的侧视图

图11是本发明提供的底部固定模块的结构示意图；

图12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

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1～图4所示，本发明提供的所述实验装置包括：深海立管模块1，顶部边界模块2，底部边界模块3，固定模块4，顶部滑动模块5，底部固定模块6，测量分析控制模块7，其中：深海立管模块1中立管的顶端和顶部边界模块2相连接，立管的底部和底部边界模块3相连接，其中顶部边界模块2中的夹具外缘通过螺丝和深海立管模块1相连接，顶部边界模块2固定在固定模块4上，底部边界模块3中的夹具外缘通过螺丝和深海立管模块1相连接，底部固定板焊接在底部固定模块6上，固定模块4中的一端安装在顶部滑动模块5上，垂直固定块与顶部边界模块中的第一楔块相固接，顶部滑动模块与拖车的一端相连接，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。

如图5所示，所述的深海立管模块包括1包括深海立管模型9，光纤传感器8，其中光纤传感器8布置在深海立管模型9上，深海立管模型9的顶端和顶部边界模块2相连接，深海立管模型9的底部和底部边界模块3相连接。

如图6所示，所述的顶部边界模块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，其中顶部夹具外缘10通过螺丝11和深海立管模型9相连接，两者在成一定夹角，顶部夹具底板12与顶部夹具外缘11固接，与第一垫板13用螺丝11相连接，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，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固接16，第二万向节固定板16和三分力仪固定板17一侧连接，三分力仪固定板17的另一侧和三分力仪18连接，三分力仪18的末端与第一调整组件19相连接，第一调整组件19的另一侧固接在第一楔块20上，第一楔块20的侧面固定在固定模块4中的垂直固定块33上。

如图7所示，所述的底部边界模块3包括：底部夹具外缘21，螺丝22，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，其中底部夹具外缘21通过螺丝22和深海立管模型9相连接，两者在成一定夹角，底部夹具底板23与底部夹具外缘21固接，与第二垫板24固接，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，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，三分力仪固定板28的另一侧和三分力仪29连接，三分力仪29的末端与底部固定板30相连接，底部固定板30焊接在底部固定模块6的小假底面板40上。

如图8所示，所述的固定模块4包括：整流罩31，垂直固定板32和垂直固定块33；所述的垂直固定板32安装在顶部滑动模块5的第一滑块36上，其上滑动安装有垂直固定块33，两侧分别安装有整流罩31，所述的垂直固定块33与顶部边界模块2中的第一楔块20相固接。

如图9、图10所示，所述的顶部滑动模块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，其旋转轴通过第一导链37连接至第一滑块36上，第一滑块36滑动支撑在第一滑动轨道38上，并且与固定模块4上的垂直固定板32相连接，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。

如图11、图12所示，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，第二支撑架48，其中小假底面板40的底端连接在底部边界模块3中的底部固定板30上，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，面板补板1焊接在第二连接块45上，其余底部固定模块6形式与顶部滑动模块5形式类似，具体来讲，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，其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滑动支撑在底部固定轨道47上。第二支撑架支撑在水池假底上。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，其特征在于，包括深海立管模块，顶部边界模块，底部边界模块，固定模块，顶部滑动模块，底部固定模块，测量分析控制模块，其中：深海立管模块两端分别与顶部边界模块和底部边界模块相连接，且立管所在平面与底部固定模块中的底部固定轨道所在平面成一定夹角，固定模块与顶部边界模块和顶部滑动模块相连接，顶部滑动模块和拖车底部固定端相连接，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、第二支撑架，其中，小假底面板的底端连接在底部边界模块上，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，面板补板焊接在第二连接块上，第二动力组件通过第二法兰装置与底部固定轨道相连接，其旋转轴通过第二导链连接至第二连接块上，第二连接块滑动支撑在底部固定轨道上，且底部固定轨道与小假底面板成一定夹角，深海立管模块分别与固定模块、顶部滑动模块和底部固定模块成一定夹角，测量分析控制模块分别与深海立管模块、顶部边界模块、底部边界模块、固定模块、顶部滑动模块、底部固定模块相连接。

2.根据权利要求1所述的水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，其特征在于，所述深海立管模块包括：深海立管模型，光纤传感器，其中光纤传感器布置在深海立管上，立管的顶端和顶部边界模块相连接，立管的底部和底部边界模块相连接，且立管所在平面与底部固定轨道所在平面成一定夹角。

3.根据权利要求1所述的水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，其特征在于，所述的顶部边界模块包括：顶部夹具外缘、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，其中，顶部夹具外缘和深海立管模型相连接，两者成一定夹角，顶部夹具底板与顶部夹具外缘固接，并与第一垫板相连接，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，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，第二万向节固定板和第一三分力仪固定板一侧连接，第一三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接，三分力仪的末端与第一调整组件相连接，第一调整组件的另一侧固接在第一楔块上，第一楔块的侧面固定在固定模块上。

4.根据权利要求1所述的水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，其特征在于，所述的底部边界模块包括：底部夹具外缘、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，其中，底部夹具外缘和深海立管模型相连接，两者成一定夹角，底部夹具底板与底部夹具外缘固接，并与第二垫板固接，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，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，第二三分力仪固定板的另一侧和第二三分力仪连接，第二三分力仪的末端与底部固定板相连接，底部固定板焊接在底部固定模块上。

5.根据权利要求1所述的水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，其特征在于，所述的固定模块包括：整流罩，垂直固定板和垂直固定块；所述的垂直固定板安装在顶部滑动模块上，其上滑动安装有垂直固定块，两侧分别安装有整流罩，所述的垂直固定块与顶部边界模块相固接。

6.根据权利要求1所述的水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，其特征在于，所述的顶部滑动模块包括：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，其旋转轴通过第一导链连接至第一滑块上，第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上，并且与固定模块上相连接。

7.根据权利要求1所述的水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，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，其中：数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块、底部边界模块以及深海立管模块相连接，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、底部固定模块相连接，图像显示端口与显示器相连接。