CN104931285A - 一种自由站立式立管原理样机试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，该试验装置包括：加载装置、原理样机角度调节装置、恒张力装置和边界条件固定装置，加载装置包括六自由度振动平台及其控制装置、伺服电机、减速机、辊筒和第一钢丝绳；原理样机角度装置包括钢架、手摇绞盘、调节架、第一滑轮和第二滑轮；恒张力装置包括立架、第三滑轮、第二钢丝绳和第一配重桶；边界条件固定装置包括两固定框架和两根压缩弹簧，当需要测试原理样机的顶部结构时，还包括鹅颈管张力角度调节装置，鹅颈管张力角度调节装置包括导轨和第四滑轮；当需要测试原理样机的底部结构时，还包括弯矩加载装置，所述弯矩加载装置包括配重桶和连接架，本发明通过六自由度振动平台模拟实际运动，对原理样机的各项性能指标进行检验。

Description

一种自由站立式立管原理样机试验装置

技术领域

本发明涉及一种原理样机试验装置，特别是关于一种自由站立式立管原理样机试验装置。

背景技术

自由站立式立管系统中，顶部和底部结构是关键连接部件和主要受力部件，其结构形式和受力状态均较为复杂。

目前，自由站立式立管系统中的顶部和底部结构设计主要是通过理论分析方法与数值模拟方法进行。由于自由站立式立管系统所受载荷的复杂性和不确定性，理论分析方法只能在一定程度上预测顶部和底部结构的力学行为；数值模拟的计算结果受计算模型的选择影响较大，无法验证数值模拟结果的正确性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够真实模拟自由站立式立管的顶部结构和底部结构原理样机所受载荷和运动，进而实现对原理样机相关功能和性能指标检验的自由站立式立管原理样机试验装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，该试验装置包括：一加载装置，所述加载装置包括一六自由度振动平台及其控制装置、一伺服电机、一减速机、一辊筒和一第一钢丝绳；所述控制装置用于调节与控制所述六自由度振动平台的运动，所述伺服电机固定设置在所述六自由度振动平台顶部，所述辊筒转动设置在所述六自由度振动平台顶部，所述辊筒上缠设所述第一钢丝绳，所述伺服电机通过所述减速机固定连接所述辊筒一端；一原理样机角度调节装置，所述原理样机角度装置包括一钢架、两手摇绞盘、一调节架、一第一滑轮和一第二滑轮；所述钢架的一端固定设置在所述六由度振动平台的顶部，所述钢架的另一端固定设置所述手动绞盘和调节架，每一所述手动绞盘固定连接所述调节架，所述第一钢丝绳的一端穿过固定设置在所述钢架上的第一滑轮、第二滑轮和调节架连接原理样机；一恒张力装置，所述恒张力装置包括一立架、一第三滑轮、一第二钢丝绳和一第一配重桶；所述第三滑轮固定设置在所述立架上，穿过所述第三滑轮的所述第二钢丝绳的一端连接所述第一配重桶，所述第二钢丝绳的另一端连接原理样机；一边界条件固定装置，所述边界条件固定装置包括两固定框架和两根压缩弹簧，两根所述压缩弹簧呈180度水平，每一所述压缩弹簧的外端均连接固定框架，每一所述压缩弹簧的内端部均连接原理样机；若干应变片和一动态应变仪，每一所述应变片贴设在所述原理样机的测试部位，每一所述应变片连接所述动态应变仪；当需要测试原理样机的顶部结构时，该原理样机试验装置还包括一鹅颈管张力角度调节装置，所述鹅颈管张力角度调节装置包括一导轨和一第四滑轮，所述第四滑轮滑动插设在固定在地面的所述导轨上，所述第二钢丝绳的另一端穿过所述第四滑轮固定连接原理样机顶部结构的鹅颈管；当需要测试原理样机的底部结构时，该原理样机试验装置还包括一弯矩加载装置，所述弯矩加载装置包括两配重桶和一连接架；所述连接架固定设置在原理样机底部结构的顶部，所述连接架的一端吊设所述第二配重桶，所述连接架的另一端穿过固定设置在所述钢架上的所述第五滑轮连接所述第三配重桶，所述连接架的顶部与穿过所述调节架的第一钢丝绳连接。

进一步，所述钢架包括两个平行间隔设置的垂向支撑架、一支撑杆和一底部框架，两所述垂向支撑架的一端固定设置在所述六自由度振动平台顶部，两所述垂向支撑架之间横向固定设置所述支撑杆，所述支撑杆的顶部和外侧部固定设置所述第一滑轮和第二滑轮，所述底部框架的垂向框架的顶部固定连接支撑杆和垂向支撑架底部，所述底部框架的横向框架上固定设置两所述手摇绞盘和第五滑轮。

进一步，所述调节架采用十字架，所述十字架的中心和四个外端部均设置一通孔，两所述手动绞盘的钢丝绳的端部固定连接所述十字架外端部的相邻两通孔，所述第一钢丝绳穿过所述十字架中心通孔。

进一步，所述第四滑轮下部设置有一对卡孔，与所述第四滑轮的卡孔相对应，所述导轨上间隔设置有若干卡孔，使用时，通过所述卡孔将所述第四滑轮在所述导轨上的位置进行固定。

进一步，所述立架包括一支撑板和两支撑架，每一所述支撑架包括两间隔设置的垂向杆件，其中，两所述垂向杆件的顶部与所述支撑板紧固连接，所述垂向杆件之间设置有若干加强杆，所述第三滑轮固定设置在所述支撑板底部。

进一步，每一所述固定框架均采用三角框架。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有加载装置，加载装置包括六自由度振动平台及其控制装置、伺服电机、减速机、辊筒和第一钢丝绳，控制装置用于调节与控制六自由度振动平台的运动，因此通过采用六自由度振动平台，真实的模拟浮力罐及立管的实际运动情况，无需在水池中进行整个自由站立式立管的复杂机构试验。2、本发明由于设置有原理样机角度调节装置和鹅颈管角度调节装置用以模拟立管及鹅颈管角度变化，进而可以研究不同立管及鹅颈管角度下原理样机的受力及响应。3、本发明还包括应变片和动态应变仪，通过在原理样机的顶部结构和底部结构的测试位置设置若干应变片，每一应变片通过数据线连接动态应变仪，因此可以根据测得的应变信号研究其力学行为，进而实现对样机相关功能和性能指标的检验。本发明结构简单，方便操作，特别是可以在有限室内空间内大比尺模拟立管连接结构在不同海况下响应。

附图说明

图1为本发明的自由站立式立管顶部结构原理样机试验结构示意图；

图2为本发明的自由站立式立管底部结构原理样机试验结构示意图；

图3为本发明的原理样机角度调节装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明提供一种自由站立式立管原理样机试验装置，它包括一加载装置1、一原理样机角度调节装置2、一恒张力装置3和一边界条件固定装置4；加载装置1包括一六自由度振动平台11及其控制装置、一伺服电机(图中未示出)、一减速机(图中未示出)、一辊筒12和一第一钢丝绳13；六自由度振动平台11为现有装置，控制装置用于调节与控制六自由度振动平台的运动，具体结构不再赘述，伺服电机固定设置在六自由度振动平台11顶部，辊筒12转动设置在六自由度振动平台顶部，辊筒12上缠设第一钢丝绳13，伺服电机通过减速机固定连接辊筒12一端，用于控制辊筒12的转速；原理样机角度调节装置2包括一钢架21、两手摇绞盘22、一调节架23、一第一滑轮24和一第二滑轮25；钢架21的一端固定设置在六由度振动平台11的顶部，钢架21的另一端固定设置手动绞盘22和调节架23，每一手动绞盘22固定连接调节架23，第一钢丝绳13的一端穿过固定设置在钢架21上的第一滑轮24、第二换轮25和调节架23连接原理样机；恒张力装置3包括一立架31、一第三滑轮(图中未示出)、一第二钢丝绳32和一第一配重桶33，第三滑轮固定设置在立架31上，穿过第三滑轮的第二钢丝绳32的一端连接第一配重桶33，第二钢丝绳32的另一端连接原理样机；边界条件固定装置4包括两固定框架41和两根压缩弹簧42，两根压缩弹簧42呈180度水平，每一压缩弹簧42的外端均连接固定框架41，每一压缩弹簧42的内端部均连接原理样机；当需要测试原理样机的顶部结构时，该原理样机试验装置还包括一鹅颈管张力角度调节装置5，鹅颈管张力角度调节装置5包括一导轨51和一第四滑轮52，第四滑轮52滑动插设在固定在地面的导轨51上，第二钢丝绳32的另一端穿过第四滑轮52固定连接原理样机顶部结构的鹅颈管；当需要测试原理样机的底部结构时，该原理样机试验装置还包括一弯矩加载装置6，弯矩加载装置6包括一连接架61和两配重桶62；连接架61固定设置在原理样机底部结构的顶部，连接架61的一端吊设第二配重桶62，连接架61的另一端穿过固定设置在钢架21上的第五滑轮63连接第三配重桶62，连接架61的顶部与穿过调节架的第一钢丝绳13连接；试验时，还包括若干应变片和一动态应变仪8，每一应变片贴设在原理样机7的顶部结构或底部结构的测试部位，每一应变片通过数据线连接动态应变仪8。

在一个优选的实施例中，如图2所示，钢架21包括两个平行间隔设置的垂向支撑架211、一支撑杆212和一底部框架213，两垂向支撑架211的一端固定设置在六自由度振动平台11顶部，两垂向支撑架211之间横向固定设置支撑杆212，支撑杆212的顶部和外侧部固定设置第一滑轮24和第二滑轮25，底部框架213的垂向框架的顶部固定连接支撑杆212和垂向支撑架213底部，底部框架213的横向框架上固定设置两手摇绞盘22和第五滑轮63。

在一个优选的实施例中，如图3所示，调节架23采用十字架，十字架的中心和四个外端部均设置一通孔231，两手动绞盘22的钢丝绳的端部固定连接十字架外端部的相邻两通孔231，第一钢丝绳13穿过第一滑轮24和第二滑轮25并穿过十字架中心通孔231。

在一个优选的实施例中，如图1所示，第四滑轮52下部设置有一对卡孔，与第四滑轮52的卡孔相对应，导轨51上间隔设置有若干卡孔511，使用时，可以通过卡孔将第四滑轮52在导轨51上的位置进行固定。

在一个优选的实施例中，如图1所示，立架31包括一支撑板311和两支撑架，每一支撑架312包括两间隔设置的垂向杆件313，其中，两垂向杆件313的顶部与支撑板311紧固连接，垂向杆件313之间设置有若干加强杆314，第三滑轮32固定设置在支撑板311底部。

在一个优选的实施例中，如图1所示，每一固定框架41均可以采用三角框架。

如图1、图2所示，下面通过具体实施例详细说明本发明的自由站立式立管原理样机试验装置分别对原理样机顶部和底部结构的试验过程：

1、采用本发明对原理样机的顶部结构进行试验，具体过程为：

1)如图1所示，将原理样机7的顶部结构固定在地面，并原理样机7的顶部结构的顶部与穿过调节架23中心孔的第一钢丝绳13连接，并将两压缩弹簧42的内端分别与顶部结构的下端管体连接，将第二钢丝绳33连接顶部结构的鹅颈管，另外，将各应变片贴设在需要测试的顶部结构的相应部位；

2)通过调节伺服电机和减速机控制辊筒12的转速，使得第一钢丝绳13的张力等于设定值，并转动手摇绞盘22调节钢架3的位置进而通过第一钢丝绳使得顶部结构7倾斜至预定角度；

3)调节第四滑轮52在导轨51上的位置使得第二钢丝绳33至预定位置，并调节第一配重桶34使得第二钢丝绳33的张力至预定值；

4)动态应变仪8通过数据线读取顶部结构各应变片所反映的数值，测得顶部结构的静态响应；

5)将设定的运动条件输入到六自由度振动平台11的控制装置，开启六自由度振动平台11，通过动态应变仪8读取顶部结构上各应变片的数值，测得顶部结构的动态响应。

2、采用本发明对原理样机的底部结构进行试验，具体过程为：

1)如图2所示，将原理样机7的底部结构固定在地面，将两压缩弹簧42的内端分别固定连接底部结构的下端管体连接，将第一钢丝绳33依次通过第一滑轮24和第二滑轮25并穿过调节架23中心孔固定连接架61顶部，第二钢丝绳33固定连接底部结构的模拟跨接管接头部位，另外，将各应变片贴设在需要测试的底部结构的相应部位；

2)通过调节伺服电机和减速机控制辊筒12的转速，使得第一钢丝绳13的张力等于设定值，并转动手摇绞盘22调节钢架3的位置进而通过第一钢丝绳使得底部结构7倾斜至预定角度；

3)分别调节三个配重桶重量，使三个配重桶的重量分别达到预定值；

4)动态应变仪通过数据线读取底部结构上各应变片所反映的数值，测得底部结构的静态响应；

5)将设定的运动条件输入到六自由度振动平台11的控制装置，开启六自由度振动平台11，通过动态应变仪读取顶部结构上各应变片的数值，测得底部结构的动态响应。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，该试验装置包括：

一加载装置，所述加载装置包括一六自由度振动平台及其控制装置、一伺服电机、一减速机、一辊筒和一第一钢丝绳；所述控制装置用于调节与控制所述六自由度振动平台的运动，所述伺服电机固定设置在所述六自由度振动平台顶部，所述辊筒转动设置在所述六自由度振动平台顶部，所述辊筒上缠设所述第一钢丝绳，所述伺服电机通过所述减速机固定连接所述辊筒一端；

一原理样机角度调节装置，所述原理样机角度装置包括一钢架、两手摇绞盘、一调节架、一第一滑轮和一第二滑轮；所述钢架的一端固定设置在所述六由度振动平台的顶部，所述钢架的另一端固定设置所述手动绞盘和调节架，每一所述手动绞盘固定连接所述调节架，所述第一钢丝绳的一端穿过固定设置在所述钢架上的第一滑轮、第二滑轮和调节架连接原理样机；

一恒张力装置，所述恒张力装置包括一立架、一第三滑轮、一第二钢丝绳和一第一配重桶；所述第三滑轮固定设置在所述立架上，穿过所述第三滑轮的所述第二钢丝绳的一端连接所述第一配重桶，所述第二钢丝绳的另一端连接原理样机；

一边界条件固定装置，所述边界条件固定装置包括两固定框架和两根压缩弹簧，两根所述压缩弹簧呈180度水平，每一所述压缩弹簧的外端均连接固定框架，每一所述压缩弹簧的内端部均连接原理样机；

若干应变片和一动态应变仪，每一所述应变片贴设在所述原理样机的测试部位，每一所述应变片连接所述动态应变仪；

当需要测试原理样机的顶部结构时，该原理样机试验装置还包括一鹅颈管张力角度调节装置，所述鹅颈管张力角度调节装置包括一导轨和一第四滑轮，所述第四滑轮滑动插设在固定在地面的所述导轨上，所述第二钢丝绳的另一端穿过所述第四滑轮固定连接原理样机顶部结构的鹅颈管；

当需要测试原理样机的底部结构时，该原理样机试验装置还包括一弯矩加载装置，所述弯矩加载装置包括两配重桶和一连接架；所述连接架固定设置在原理样机底部结构的顶部，所述连接架的一端吊设所述第二配重桶，所述连接架的另一端穿过固定设置在所述钢架上的所述第五滑轮连接所述第三配重桶，所述连接架的顶部与穿过所述调节架的第一钢丝绳连接。

2.如权利要求1所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，所述钢架包括两个平行间隔设置的垂向支撑架、一支撑杆和一底部框架，两所述垂向支撑架的一端固定设置在所述六自由度振动平台顶部，两所述垂向支撑架之间横向固定设置所述支撑杆，所述支撑杆的顶部和外侧部固定设置所述第一滑轮和第二滑轮，所述底部框架的垂向框架的顶部固定连接支撑杆和垂向支撑架底部，所述底部框架的横向框架上固定设置两所述手摇绞盘和第五滑轮。

3.如权利要求1所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，所述调节架采用十字架，所述十字架的中心和四个外端部均设置一通孔，两所述手动绞盘的钢丝绳的端部固定连接所述十字架外端部的相邻两通孔，所述第一钢丝绳穿过所述十字架中心通孔。

4.如权利要求2所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，所述调节架采用十字架，所述十字架的中心和四个外端部均设置一通孔，两所述手动绞盘的钢丝绳的端部固定连接所述十字架外端部的相邻两通孔，所述第一钢丝绳穿过所述十字架中心通孔。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，所述第四滑轮下部设置有一对卡孔，与所述第四滑轮的卡孔相对应，所述导轨上间隔设置有若干卡孔，使用时，通过所述卡孔将所述第四滑轮在所述导轨上的位置进行固定。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，所述立架包括一支撑板和两支撑架，每一所述支撑架包括两间隔设置的垂向杆件，其中，两所述垂向杆件的顶部与所述支撑板紧固连接，所述垂向杆件之间设置有若干加强杆，所述第三滑轮固定设置在所述支撑板底部。

7.如权利要求5所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，所述立架包括一支撑板和两支撑架，每一所述支撑架包括两间隔设置的垂向杆件，其中，两所述垂向杆件的顶部与所述支撑板紧固连接，所述垂向杆件之间设置有若干加强杆，所述第三滑轮固定设置在所述支撑板底部。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种自由站立式立管原理样机试验装置，其特征在于，每一所述固定框架均采用三角框架。