CN105222969A - 倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机；海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置；轴向力往复装置设置在拖车上且与海洋立管模型的一端连接，轴向力往复装置中的与电机相连的偏心孔盲板上设有多个不同偏心位置的偏心孔，电机转动，通过连接杆使滑块在滑轨上往复运动，往复运动的振幅是连接杆与偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化。本发明是试验研究倾角阶梯状来流，变轴向力立管振动试验的必要装备，为工程实际提供必要的试验参考和借鉴。

Description

倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置。

背景技术

海洋立管是连接顶部浮式平台与海底井口的重要装备，在深海油气开采、输运过程中应用广泛。对于深海立管系统而言,它所承受的海洋环境荷载主要来自于海流的作用。当海流经过立管结构物时,会在立管两侧产生交替的旋涡脱落,诱使涡激振动现象发生，涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。

海洋立管顶端一般与浮式平台连接。平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生周期性变化，从而导致立管在水平方向上发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏。

目前，学术界对海洋立管涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。研究倾角来流条件海洋立管涡激振动最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流的倾角对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，可以发现，整个深度范围内的来流是倾角的阶梯状来流。

经对现有的技术文献检索发现，国内外对于倾角来流条件海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流单根立管涡激振动试验已有开展。2005年第21期《JournalofFluidsandStructures》杂志中的论文“Laboratorymeasurementsofvortex-inducedvibrationsofaverticaltensionriserinasteppedcurrent”阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现倾角的阶梯状来流条件，更无法实现立管轴向力周期性变化的试验条件，无法完成倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验观测。

海洋立管的涡激振动与参激振动一般同时发生，并且相互之间存在耦合作用。同时来流条件并不是理想状态的完全垂直于立管轴向，存在倾角，并且沿着立管轴向的流速分布也存在阶梯状来流情况。经过对现有技术的检索调研发现：倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动发生机制以及振动特性研究仍未得到学术界和工程界的广泛关注。主要原因是试验测量装置的缺乏，无法实现倾角阶梯来流条件涡激振动与参数振动耦合作用同时观测，并控制涡激振动与参数振动的发生条件。

发明内容

本发明针对倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，能够试验模拟倾角的阶梯状来流，对变轴向力海洋立管开展相关试验研究工作，探究其涡激-参激耦合振动发生机理及来流倾角及变化的轴向力对涡激振动的影响等，为工程实际提供必要的试验参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机；所述海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个长方形豁口，长方形豁口内设有角度卡板，所述角度卡板上设有一个立管安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板，每个角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮，所述滑轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三个滑轮座垫块，每个滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的轴段；所述轴向力往复装置设置在所述拖车上且与所述海洋立管模型的一端连接，所述轴向力往复装置包括支座、电机、连接杆、滑轨、滑块、偏心孔盲板、上部滑轮和下部滑轮，所述电机设置在支座的一端，所述滑轨设置在支座的中部，所述滑块装配在所述滑轨上，所述上部滑轮和下部滑轮均设置在所述支座的另一端，所述偏心孔盲板设置在电机的输出轴上，所述偏心孔盲板上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆的另一端与所述滑块连接；所述海洋立管模型的第二圆柱接头连接钢丝绳，该钢丝绳穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑板外侧的滑轮后依次连接拉力张紧器、拉力弹簧和拉力传感器，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块上；所述钢丝绳和所述海洋立管模型的轴线在同一平面内；所述电机的输出轴中心、所述连接杆的上下对称面、所述滑块的上下对称面均与所述上部滑轮的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮的滑轮槽边缘与所述下部滑轮的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机连接有变频器，所述电机转动，通过所述连接杆使所述滑块在所述滑轨上往复运动，往复运动的振幅是所述连接杆与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化；在所述滑块的往复运动过程中，通过钢丝绳带动所述拉力弹簧作伸缩运动；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动-参数振动试验的装备难题，通过设计可实现简谐变化的轴向力、来流倾角和阶梯状流场，使得试验条件更加符合实际海洋工程的复杂工况。本发明可实现涡激振动-变轴向力参激振动耦合，同时本发明装置的设计简单，安装调试方便，造价低廉，是深海立管涡激振动与参数振动试验研究必不可少的装置设施，弥补了学术界缺乏倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验装备的空白，具有重要的推广应用价值和科学意义。

附图说明

图1是本发明中没有抑制结构的立管涡激振动试验装置的结构示意图；

图2是本发明中没有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图3是本发明中带有抑制结构的立管激振动试验装置的结构示意图；

图4是本发明中带有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图5是图1中所示第一、第二支撑板14结构示意图；

图6是图1中所示导流板11及流线型整流罩27的结构示意图；

图7是横向试验支持架结构俯视图；

图8是图7所示横向试验支持架的右视图；

图9是角度盘的结构示意图；

图10是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；

图11是图10所示横向试验支持架与拖车相互位置一的的右视图；

图12-1横向试验支持架与拖车相互位置二的俯视图；

图12-2是横向试验支持架与拖车相互位置三的俯视图；

图12-3是横向试验支持架与拖车相互位置四的俯视图；

图13-1是图12-1所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图13-2是图12-2所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图13-3是图12-3所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图14-1是滑轮垫块的主视图；

图14-2是图14-1所示滑轮垫块的左视图；

图14-3是图14-1所示滑轮垫块的俯视图；

图15-1是本发明中流线型整流罩的端向视图；

图15-2是图15-1所示流线型整流罩的俯视图；

图15-3是图15-1所示流线型整流罩背水一面的视图；

图15-4是图15-1所示流线型整流罩迎水一面的视图；

图16是带有螺旋列板抑制装置的海洋立管模型结构示意图；

图17是轴向力往复装置的主视图；

图18是轴向力往复装置的俯视图。

图中：

1-海洋立管模型2-第一、第二端部支撑装置3-横向试验支持架

4-角度盘5-第一圆柱接头6-第二圆柱接头

7-销钉51-薄壁铜管9-斜撑管

10-万向联轴节11-第一、第二导流板12-加强架

13-第一、第二支撑管14-第一、第二支撑板15-万向联轴节螺丝

16-滑轮17-钢丝绳18-导流板固定螺丝

19-拉力弹簧20-拖车21-角度板

22-角度卡板23-滑轮垫块24-拉力张紧器

25-拉力传感器27-流线型整流罩28-围板

29-外沿板30-螺旋列板31-连接杆

32-滑块33-滑轨34-上部滑轮

35-下部滑轮36-电机37-变轴向力机构支座

38-偏心孔盲板53-应变片55-热缩管

56-硅胶管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明是一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型1的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型1的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部，所述轴向力往复装置安装在拖车边部，通过钢丝绳与海洋立管模型1相连。

所述海洋立管模型1既可以是裸管，如图2所示；也可以是带有抑制结构即螺旋列板30，如图4所示；若所述海洋立管模型1是裸管，如图16所示，其结构是：包括若干条导线和一薄壁铜管51，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管51的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管51的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管55和一层硅胶管56，所述薄壁铜管51与所述热缩管55之间设有多片用于采集应变的应变片53，所述应变片53通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管51的一端或分别与所述薄壁铜管51的两端固定；所述薄壁铜管51的一端通过销钉7连接有第一圆柱接头5，所述薄壁铜管51的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6，如图2所示；若是带有抑制结构的，则在上述裸管结构的基础上，在所述海洋立管模型1的硅胶管56外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带30，所述硅胶带30的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同，如图4所示。

如图7和图8所示，所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘4，角度盘的结构如图9所示，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；如图7和图8所示。

所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管13，所述第一支撑管13的顶部连接有水平布置的第一角度板21，所述第一支撑管13的底部连接有第一支撑板14，所述第一支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板14平行的第一导流板11，所述第一导流板11的下部设有一个通孔，所述通孔内设有一个万向联轴节10，所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在第一支撑板上，所述万向联轴节10的另一端与所述海洋立管模型1中的第一圆柱接头5连接。

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管13，所述第二支撑管13的顶部连接有水平布置的第二角度板21，所述第二支撑管13的底部连接有第二支撑板14，所述第二支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板14平行的第二导流板11，所述第二导流板11的下部设有一个长方形豁口，长方形豁口内设有角度卡板22，所述角度卡板22上设有一个立管安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板22，每个角度卡板22上的立管安装孔的轴线与角度卡板22厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度。

所述第一支撑板和第二支撑板的结构相同，如图5所示。

第一角度板、第二角度板和角度盘的结构相同，为了使导流板11始终与来流方向平行，需要调节角度板21和角度盘4的位置。通过第一角度板或第二角度板相对其下面的角度盘4之间的相对位置就可以调整横向试验支持架与拖车行走方向的相互位置关系，当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为0度时，横向试验支持架3与拖车20垂直固定，如图10和图11所示；来流的垂直方向与立管的轴向倾角为15度时，横向试验支持架3与拖车20呈15度角固定，如图12-1；来流的垂直方向与立管的轴向倾角为30度时，横向试验支持架3与拖车20呈30度角固定，如图12-2；当来流与立管的倾角为45度时，横向试验支持架3与拖车20呈45度角固定，如图12-3。调整横向试验支持架3与拖车20之间角度的同时也就确定了立管与来流之间的倾角，当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为0度时，角度板21和角度盘4应正好重合；当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为15度时，角度板21和角度盘4之间的角度应为15度；当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为30度时，角度板21和角度盘4之间的角度应为30度；当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为45度时，角度板21和角度盘4之间的角度应为45度。如图13-1、图13-2和图13-3为立管与来流之间倾角示意图，图13-1表示倾角为15度，图13-2表示倾角为30度，图13-3表示倾角为45度。

所述第二支撑板14的外侧设有滑轮16，所述滑轮16的滑轮座与第二支撑板14之间设有滑轮座垫块23，所述滑轮座垫块23为楔形块，所述第二支撑板14上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块23，每套滑轮座垫块23上的斜面与第二支撑板14接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度。

如图14-1、图14-2和图14-3示出了可以改变滑轮座角度的滑轮垫块的楔形块结构，由于当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为15度、30度、45度时，海洋立管模型1轴向与第一、第二导流板11垂直方向之间的夹角变为15度、30度、45度，海洋立管模型1的一端沿其延长线引出钢丝绳需要绕入滑轮16的滑轮槽中，为了使滑轮16的滑轮槽在海洋立管模型1的延长线上，需要在第一、第二支撑板14上安装不同楔形角度的滑轮垫块23，然后再安装滑轮16。当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为15度时，安装楔形面夹角为15度的滑轮垫块，以此类推，当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为30度时，安装30度的滑轮垫块；当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为45度时，安装45度的滑轮垫块。

所述第一支撑管13的内侧与主体横梁之间及所述第二支撑管13的内侧与主体横梁之间均分别连接有斜撑管9；所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板和所述第二导流板上分别设有加强架12，如图6所示。

所述第二导流板11的内侧固定有一流线型整流罩27，如图1和图3所示，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型1一端或两端的轴段；如图15-1、图15-2、图15-3和图15-4所示，所述流线型整流罩27包括流线型围板28和设置在围板28一端的外沿板29，所述外沿板29上设有螺栓过孔，所述流线型整流罩27与第一导流板11或所述流线型整流罩27与第二导流板11之间采用螺栓连接。

与海洋立管模型1第二圆柱接头6连接的钢丝绳，该钢丝绳穿过支撑板14后绕过滑轮依次连接拉力张紧器24、拉力弹簧19、拉力传感器25最终与轴向力往复装置相连；所述钢丝绳17和所述海洋立管模型1的轴线在同一平面内。

如图17和图18所示，所述轴向力往复装置设置在拖车边部且与所述海洋立管模型1的一端连接，所述轴向力往复装置包括支座37、电机36、连接杆31、滑轨33、滑块32、偏心孔盲板38、上部滑轮34和下部滑轮35，所述电机36设置在支座37的一端，所述滑轨33设置在支座37的中部，所述滑块32装配在所述滑轨33上，所述上部滑轮34和下部滑轮35均设置在所述支座37的另一端，下部滑轮需要垫上相应角度的滑轮垫块23即当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为15度时，安装楔形面夹角为15度的滑轮垫块，以此类推，当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为30度时，安装30度的滑轮垫块；当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为45度时，安装45度的滑轮垫块。电机36轴头连接偏心孔盲板38，连接杆31一端连接偏心孔盲板38，所述偏心孔盲板38设置在电机36的输出轴上，所述偏心孔盲板38上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆31的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆31的另一端与所述滑块4连接；所述海洋立管模型1的第二圆柱接头6连接钢丝绳17，该钢丝绳17穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑板外侧的滑轮16后依次连接拉力张紧器24、拉力弹簧19和拉力传感器25，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块32上；所述钢丝绳17和所述海洋立管模型1的轴线在同一平面内；钢丝绳17绕入上部滑轮34槽中，并向下延伸绕入下部滑轮35槽中与拉力传感器25、拉力弹簧19、拉力张紧器24相连，最终与海洋立管模型1相连。上述电机36轴中心、滑块32中心、上部滑轮34槽的上部边缘位于同一水平高度，上部滑轮34槽边缘与下部滑轮35槽内边缘在一条直线上，电机36连接变频器连接电源，通过变频器改变供电电压的频率可以调节电机36至需要的转速，满足轴向力变化的频率，偏心孔盲板38距离电机36轴中心相应位置开螺丝孔，连接杆31一端通过螺丝拧入螺丝孔，电机36转动，通过连接杆31使滑块32在滑轨33上往复运动，滑块32通过钢丝绳17带动拉力弹簧19作伸缩运动，往复运动的振幅是所述连接杆与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化，例如，根据变轴向力的幅值选择合适距离的偏心孔与连接杆端部的径向杆连接，例如：该径向杆是螺丝，偏心孔为螺丝孔，其偏心孔的偏心距就是往复运动的振幅。

所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

以下介绍本实施例装置的制作和安装过程：在试验前，先根据拖曳水池的尺度，拖车20的速度，试验工况的具体情况和试验的经济性，得到海洋立管模型1的具体尺度。根据海洋立管模型1的尺度、拖车20的尺度以及试验工况的具体情况和经济性，确定横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2，流线型整流罩27的材料和尺度。

制作海洋立管模型1，横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2，流线型整流罩27，测量分析系统的各仪器设备外购。

以带有抑制结构的海洋立管模型为例，其制造过程如下：首先在平台平面上沿铜管轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，确定应变片粘贴位置。将铜管两端分别装上粗圆柱接头和细圆柱接头。去除应变片粘贴位置铜管表面的氧化层，粘贴应变片，前后应变片互成一对，上下应变片互成一对，均采用半桥接法，并通过接线端子连接导线，其中用薄胶带将应变片同接线端子连接的金属细丝与铜管表面隔开，以实现绝缘，在应变片粘贴处涂适量硅橡胶，以达到保护和防水的目的，引出各位置的导线至铜管两端并用薄胶带将导线沿铜管轴线方向固定，然后在铜管外侧套上若干层热缩管使其外表面与硅胶管内表面紧密接触，在热缩管外侧套上一层硅胶管若是裸管结构，至此已形成了该海洋立管模型，从管的左侧开始，将一个螺距等分为若干份，在每个位置使用螺旋线标记定位环确定出螺旋线位置，使用螺旋线粘接定位环粘接三条硅胶条，处理硅胶管未粘接硅胶条位置的硅胶，使硅胶条表面干净光滑整洁，粘接的硅胶条代表涡激振动抑制中的螺旋列板，最后在模型两端涂适量硅橡胶防止模型进水。

将横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2安装好，将流线型整流罩27安装在其中一个导流板或两个导流板11上均可，图1和图3示出的是在两个导流板上均分别安装流线型整流罩27，转动第一和第二端部支撑装置2使其顶部的角度板21与角度盘4中相应的角度对应，即使第一和第二导流板11与来流方向保持平行。确定海洋立管模型1之间的间距，将相应的角度卡板22安装在流线型套筒侧板29的长方形豁口中，并将相应角度的滑轮垫块23安装在有钢丝绳17通过那侧的第二支撑板14上，然后把滑轮16安装在滑轮垫块23上。将海洋立管模型1两端固定在第一、第二端部支撑装置2上。把海洋立管模型1一端或两端引出的导线沿第一或第二端部支撑装置2或分别沿第一、第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的一端或两端。将整个试验装置至拖车20底部，用拖车20上部的吊机将试验装置吊起，并使其与拖车呈相应角度15度、30度、45度安装在拖车20上。根据变轴向力的幅值选择合适距离的偏心板盲板螺丝孔，螺丝孔的偏心距即为轴向力变化的幅值，将连接杆通过螺丝安装在此螺丝孔中，将轴向力往复装置的偏心孔盲板转至平衡位置，即螺丝孔位于最高点或最低点，此时滑块位于往复运动的中间位置，通过调节拉力张紧器使拉力达到平均拉力值，通过变频器调节电机供电电压的频率，使电机达到工况所需的转速，满足轴向力变化的频率要求。拉力传感器和导线与应变仪连接，应变仪连接计算机，计算机内部安装有相应的数据采集分析软件。拖车开动时，流线型套筒围板28内流体相对于立管模型静止，模型中部流体流动，即实现阶梯来流。

所有仪器装置安装完毕后，需要进行调试。调试完毕后，可按工况及试验技术要求进行试验。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (5)

1.一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，其特征在于，包括海洋立管模型1、横向试验支持架(3)、拖车(20)、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机；所述海洋立管模型(1)的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型(1)的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架(3)的两端连接，所述横向试验支持架(3)固定于所述拖车的底部；

所述海洋立管模型(1)包括若干条导线和一薄壁铜管(51)，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为(7)芯导线，所述薄壁铜管(51)的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管(51)的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管(55)和一层硅胶管(56)，所述薄壁铜管(51)与所述热缩管(55)之间设有多片用于采集应变的应变片(53)，所述应变片(53)通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管(51)的一端或分别与所述薄壁铜管(51)的两端固定；所述薄壁铜管(51的一端通过销钉(7)连接有第一圆柱接头(5)，所述薄壁铜管(51)的另一端通过销钉(7)连接有第二圆柱接头(6)；

所述横向试验支持架(3)包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘(4)；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车(20)支撑在槽钢上；

所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节(10)，所述万向联轴节(10)的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节(10)的另一端与所述海洋立管模型(1)中的第一圆柱接头(5)连接；

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个长方形豁口，长方形豁口内设有角度卡板(22)，所述角度卡板(22)上设有一个立管安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板(22)，每个角度卡板(22)上的立管安装孔的轴线与角度卡板22厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；

所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮(16)，所述滑轮(16)的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块(23)，所述滑轮座垫块(23)为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三个滑轮座垫块(23)，每个滑轮座垫块(23)上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；

所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩(27)，所述流线型整流罩(27)罩住所述海洋立管模型(1)一端的轴段；

所述轴向力往复装置设置在所述拖车上且与所述海洋立管模型(1)的一端连接，所述轴向力往复装置包括支座(37)、电机(36)、连接杆(31)、滑轨(33)、滑块(32)、偏心孔盲板(38)、上部滑轮(34)和下部滑轮(35)，所述电机(36)设置在支座(37)的一端，所述滑轨(33)设置在支座(37)的中部，所述滑块(32)装配在所述滑轨(33)上，所述上部滑轮(34)和下部滑轮(35)均设置在所述支座(37)的另一端，所述偏心孔盲板(38)设置在电机(36)的输出轴上，所述偏心孔盲板(38)上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆(31)的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆(31)的另一端与所述滑块(4)连接；所述海洋立管模型(1)的第二圆柱接头(6)连接钢丝绳(17)，该钢丝绳(17)穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑板外侧的滑轮(16)后依次连接拉力张紧器(24)、拉力弹簧(19)和拉力传感器(25)，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块(32)上；所述钢丝绳(17)和所述海洋立管模型(1)的轴线在同一平面内；

所述电机(36)的输出轴中心、所述连接杆(31)的上下对称面、所述滑块(32)的上下对称面均与所述上部滑轮(34)的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮(34)的滑轮槽边缘与所述下部滑轮(35)的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机(36)连接有变频器，所述电机(36)转动，通过所述连接杆(31)使所述滑块(32)在所述滑轨(33)上往复运动，往复运动的振幅是所述连接杆(31)与所述偏心孔盲板(38)上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化；在所述滑块(32)的往复运动过程中，通过钢丝绳(17)带动所述拉力弹簧(19)作伸缩运动；

所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

2.根据权利要求1所述倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，其特征在于，所述海洋立管模型(1)的硅胶管(56)外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带(30)，所述硅胶带(30)的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同。

3.根据权利要求1所述倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，其特征在于，所述第一支撑管的内侧与主体横梁上之间及所述第二支撑管的内侧与主体横梁上之间均分别连接有斜撑管。

4.根据权利要求1所述倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，其特征在于，所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板和所述第二导流板上分别设有加强架(12)。

5.根据权利要求1所述倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，其特征在于，所述流线型整流罩(27)包括流线型围板(28)和设置在围板(28)一端的外沿板(29)，所述外沿板(29)上设有螺栓过孔，所述流线型整流罩(27)与第二导流板(11)之间采用螺栓连接。