CN107478408A - 一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其包括深海立管组模块，深海立管组模块顶部通过立管端部调节模块与顶部多管相对位置调节模块连接，深海立管组模块底部也通过立管端部调节模块与底部多管相对位置调节模块连接；顶部多管相对位置调节模块、底部多管相对位置调节模块、立管端部调节模块与深海立管模块共同组成立管列阵系统；立管列阵系统顶部与顶部运动模块连接，立管列阵系统底部与底部运动模块连接；测量分析模块设置在顶部运动模块上。本发明结构简单，实验过程中工况改变快速方便，灵活性高，操作简易，测量精准，能够真实模拟立管列阵置于均匀流场环境，进而分析均匀流作用下立管列阵涡激振动响应。

Description

一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域，特别是关于一种模拟均匀流作用下立管 列阵动力响应实验装置。

背景技术

大型海洋平台如石油勘探平台，其工作立管为长细柔性结构，在洋流作用下 会产生涡激振动，振动引起的结构疲劳或可能的共振除了会加速工作器件的老化 外，严重的会对海洋结构物的安全造成极大的威胁。

对于大型海洋平台来说，其工作立管往往不止一根，比如半潜平台的四根立 柱，以及张力腿平台的众多张力腿，因此存在多根工作立管相互干扰的情况。由 于立管间的相互影响，多根管的涡激振动机理及现象相对于单根管的而言更加复 杂。从国内外研究者对此种现象的研究来看，实验研究是对理论预测模型进行验 证的有效形式。

目前，对多管干涉的实验研究相对较少，并且实验装置普遍存在以下不足：1、 由于实验装置的复杂性，多管的实验装置很少，且大多以双管为主。2、工况相对 实际情况而言十分单一，不能较好地对实际情况中的工作立管的涡激振动进行精 准预测。3、立管应变测量误差较大导致后续运算出现较大偏差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响 应实验装置，其能模拟均匀流作用下多立管相互干涉条件下的涡激振动，并研究 其响应特性。具有贴近实际情况，工况涵盖面广，装置拆卸方便等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种模拟均匀流作用下立管列 阵动力响应实验装置，其特征在于：该装置包括顶部运动模块、顶部多管相对位 置调节模块、立管端部调节模块、深海立管组模块、底部多管相对位置调节模块、 底部运动模块和测量分析模块；所述深海立管组模块顶部通过所述立管端部调节 模块与所述顶部多管相对位置调节模块连接，所述深海立管组模块底部也通过所 述立管端部调节模块与所述底部多管相对位置调节模块连接；所述顶部多管相对 位置调节模块、底部多管相对位置调节模块、立管端部调节模块与所述深海立管 模块共同组成立管列阵系统；所述立管列阵系统顶部与所述顶部运动模块连接， 所述立管列阵系统底部与所述底部运动模块连接；所述测量分析模块设置在所述 顶部运动模块上。

进一步，所述顶部运动模块包括顶部水平滑动轨道、顶部水平滑块、支撑架、 导链、竖直滑动轨道、竖直滑块、动力组件和整流罩；所述支撑架设置在所述顶 部水平滑动轨道中部，所述测量分析模块设置在所述支撑架上；所述顶部水平滑 动轨道与所述导链连接，所述导链通过所述动力组件带动所述顶部水平滑块在所 述水平滑动轨道上滑动；所述顶部水平滑块与所述整流罩固定连接，沿所述整流 罩纵向设置有所述竖直滑动轨道，所述竖直滑块设置在所述竖直滑动轨道上。

进一步，所述顶部多管相对位置调节模块包括带孔半圆形折边板、顶部夹具 和预张力调节装置；所述带孔半圆形折边板通过折边中央的螺纹孔与所述竖直滑 块连接，所述带孔半圆形折边板上设置有若干个上圆下方的螺纹孔，其中一所述 上圆下方螺纹孔位于所述带孔半圆形折边板圆心位置，其余所述上圆下方螺纹孔 呈放射状设置；所述预张力调节装置通过所述顶部夹具锁紧在所述上圆下方螺纹 孔处。

进一步，所述预张力调节装置包括张紧器调节螺杆、张紧器及张紧器底部连 接件；所述张紧器调节螺杆一端穿过所述带孔半圆形折边板的上圆下方螺纹孔， 通过螺母固定在所述带孔半圆形折边板上；所述张紧器调节螺杆另一端与所述张 紧器一端连接，位于所述张紧器与所述带孔半圆形折边板之间设置有所述顶部夹 具；所述张紧器另一端通过所述张紧器底部连接件与所述立管端部调节模块连接。

进一步，所述立管端部调节模块包括三分力仪传感器、立管端部夹具和万向 节；所述万向节两端分别与所述立管端部夹具和三分力仪传感器连接，所述立管 端部夹具将所述深海立管组模块固定在所述万向节上，所述三分力仪传感器与所 述顶部多管相对位置调节模块连接，且所述三分力仪传感器还与所述底部多管相 对位置调节模块连接。

进一步，所述深海立管组模块包括多根立管和若干光纤传感器，与所述带孔 半圆形折边板圆心处的上圆下方螺纹孔连接的所述立管为主管，其余所述立管为 副管；所述光纤传感器均匀布置在各个所述立管表面；所述立管上下端与所述立 管端部调节模块固定连接。

进一步，所述底部多管相对位置调节模块包括底部带桩圆盘、立桩、中心法 兰装置和带凹槽法兰盘；所述底部带桩圆盘中心位置处上部和下部分别设置有所 述中心法兰装置，上部的所述中心法兰装置与所述主管的所述立管端部调节模块 连接，下部的所述中心法兰装置与所述底部运动模块连接；位于所述底部带桩圆 盘上，以上部的所述中心法兰装置为圆心，呈放射状设置有若干所述立桩；所述 副管的所述立管端部调节模块通过带所述凹槽法兰盘固定在所述立桩上。

进一步，所述立桩和带凹槽法兰盘上都开设有通孔，通过插销将所述带凹槽 法兰盘固定在所述立桩上。

进一步，所述底部运动模块包括底部水平滑动轨道、底部水平滑块和假底； 所述底部水平滑动轨道固定在所述假底上，所述假底平稳固定在水池假底上；所 述底部水平滑块滑动设置在所述底部水平滑动轨道，且所述底部多管相对位置调 节模块固定在所述底部水平滑块上；所述底部水平滑动轨道一侧还设置有底部动 力组件。

进一步，所述测量分析模块包括数据采集处理器、运动控制器和显示器；所 述数据采集处理器用于采集立管列阵系统中各传感器的数据，所述运动控制系统 用于控制动力组件的运动，所述显示器用于实时监测实验结果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包含的工况数量 多，极具代表性，且所用立管为实际工作立管缩尺而来，更能够模拟实际工作中 的工作立管的涡激振动响应情况。2、本发明相对于其它同类装置，更加简化，拆 卸方便，工况转化容易，这相比其它测试装置而言是一个巨大的进步。3、本发明 灵活性高，通过预张力调节模块和三分力仪传感器的配合，可实现对立管预张力 的精准控制和调节，以能根据实际工况进行调整。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明实验装置的顶部结构图；

图3是本发明实验装置的底部结构图；

图4是本发明的顶部运动模块结构示意图；

图5是本发明的带孔半圆形折边板结构示意图；

图6是本发明的预张力调节装置结构示意图；

图7是本发明的顶部多管相对位置调节模块局部放大图；

图8是本发明的立管顶部连接局部放大图；

图9是本发明的立管端部调节模块结构示意图；

图10a是本发明的深海立管结构示意图；

图10b是本发明的深海立管截面示意图；

图11a是本发明的底部多管相对位置调节模块结构示意图；

图11b是本发明的底部多管相对位置调节模块中带凹槽法兰盘结构示意图；

图12是本发明的立管列阵系统结构示意图；

图13是本发明的底部多管相对位置调节模块局部放大图；

图14是本发明的底部运动模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图3所示，本发明提供一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验 装置，其具体是一种模拟均匀流作用下，多根立管组成的立管列阵在干涉作用影 响下的动力响应的实验装置。本发明包括顶部运动模块1、顶部多管相对位置调节 模块2、立管端部调节模块3、深海立管组模块4、底部多管相对位置调节模块5、 底部运动模块6和测量分析模块7。

深海立管组模块4顶部通过立管端部调节模块3与顶部多管相对位置调节模 块2连接，深海立管组模块4底部也通过立管端部调节模块3与底部多管相对位 置调节模块5连接。顶部多管相对位置调节模块2、底部多管相对位置调节模块5、 立管端部调节模块3与深海立管组模块4共同组成立管列阵系统；立管列阵系统 顶部与顶部运动模块1连接，立管列阵系统底部与底部运动模块6连接。测量分 析模块7设置在顶部运动模块1上。

在一个优选地实施例中，如图4所示，顶部运动模块1包括导链8、支撑架9、 顶部水平滑动轨道10、顶部水平滑块11、竖直滑动轨道12、动力组件13、竖直 滑块14和整流罩15。支撑架9设置在顶部水平滑动轨道10中部，测量分析模块 7设置在支撑架9上。顶部水平滑动轨道10与导链8连接，导链8通过动力组件 13带动顶部水平滑块11在水平滑动轨道10上滑动；顶部水平滑块11与整流罩 15固定连接。沿整流罩15纵向设置有竖直滑动轨道12，竖直滑块14设置在竖直 滑动轨道12上，竖直滑块14可以在竖直滑动轨道12上滑动。

在一个优选地实施例中，如图5～图8所示，顶部多管相对位置调节模块2 包括带孔半圆形折边板16、预张力调节装置和顶部夹具21。带孔半圆形折边板16 通过折边中央的螺纹孔与顶部运动模块1的竖直滑块14连接，带孔半圆形折边板 16上设置有若干个上圆下方的螺纹孔，其中一该螺纹孔位于带孔半圆形折边板16 圆心位置，其余该螺纹孔呈放射状设置；预张力调节装置根据实验对立管数量、 立管间距、及立管相对位置连线与来流流向的夹角的要求，通过螺母固定在相应 的上圆下方螺纹孔处。其中，预张力调节装置通过顶部夹具21锁紧在上圆下方螺 纹孔处。

上述实施例中，预张力调节装置包括张紧器调节螺杆17、螺母18、张紧器19 及张紧器底部连接件20。张紧器调节螺杆17一端穿过带孔半圆形折边板16的上 圆下方螺纹孔，通过螺母18固定在带孔半圆形折边板16上，进而锁定张紧器19 的水平及垂向位置；张紧器调节螺杆17另一端与张紧器19一端连接，位于张紧 器19与带孔半圆形折边板16之间设置有顶部夹具21，通过上圆下方的螺纹孔和 的顶部夹具21锁定张紧器的旋转运动，进而锁定立管的运动，顶部夹具21起约 束和保护作用。张紧器19另一端通过张紧器底部连接件20与立管端部调节模块3 连接。

在一个优选地实施例中，如图8、图9所示，立管端部调节模块3包括三分力 仪传感器23、立管端部夹具24和万向节25。万向节25两端分别与立管端部夹 具24和三分力仪传感器23连接，立管端部夹具24将深海立管组模块4固定在万 向节25上，且立管端部夹具24通过螺丝22紧固在深海立管组模块4上；三分力 仪传感器23与顶部多管相对位置调节模块2的张紧器底部连接件20连接，且三 分力仪传感器23还与底部多管相对位置调节模块5的中心法兰装置连接，三分力 仪传感器23可测量立管两端部轴向、流向及流向垂向受力值。

在一个优选地实施例中，如图9～图10b所示，深海立管组模块4包括多根立 管26和若干光纤传感器27，与带孔半圆形折边板16圆心处的上圆下方螺纹孔连 接的立管26为主管，其余立管26为副管。光纤传感器27均匀布置在各个立管26 表面上。立管26上下端与立管端部夹具24通过螺丝22固定。深海立管组模块4 与顶部多管相对位置调节模块2、底部多管相对位置调节模块5和立管端部调节模 块3共同组成立管列阵系统。

在一个优选地实施例中，如图11a～图12所示，底部多管相对位置调节模块 5包括底部带桩圆盘28、立桩29、中心法兰装置30和带凹槽法兰盘31。底部带 桩圆盘28中心位置处上部和下部分别设置有中心法兰装置30，上部的中心法兰装 置30与主管的立管端部调节模块3中的三分力仪传感器23连接，下部的中心法 兰装置30与底部运动模块6的底部水平滑块连接。位于底部带桩圆盘28上，以 上部的中心法兰装置30为圆心，呈放射状设置有若干立桩29；副管的立管端部调 节模块3中的三分力仪传感器23通过带凹槽法兰盘31固定在立桩29上。其中， 立桩29和带凹槽法兰盘31上都开设有通孔，可以通过插销将带凹槽法兰盘31固 定在立桩29上，从而约束立管的底部运动。

在一个优选地实施例中，如图13、图14所示，底部运动模块6包括底部水平 滑块33、底部水平滑动轨道34和假底35。底部水平滑动轨道34固定在假底35 上，假底35平稳固定在水池假底上，假底35具有大质量及稳定的特点，以保证 实验装置的整体稳定性。底部水平滑块33滑动设置在底部水平滑动轨道34，且底 部多管相对位置调节模块5中下部的中心法兰装置30固定在底部水平滑块33上。 底部水平滑动轨道34与顶部水平滑动轨道10平行，底部水平滑块33的运动方向、 速率均与顶部水平滑块11相同。

上述实施例中，底部水平滑动轨道34采用滚珠丝杠，并在滚珠丝杠一侧设置 有底部动力组件32，用于驱动滚珠丝杠动作。

在一个优选地实施例中，测量分析模块7包括数据采集处理器、运动控制器 和显示器。数据采集处理器用于采集立管列阵系统中各个三分力仪传感器23、光 纤传感器的数据，运动控制系统用于控制动力组件13和底部动力组件32的运动， 显示器用于实时监测实验结果。

综上所述，本发明在实验前，将光纤传感器27均匀布置在深海立管组模块4 中的各个立管26上，立管26的两端依次连接立管端部调节模块3、顶部多管相对 位置调节模块2和底部多管相对位置调节模块5。立管列阵系统顶部与顶部运动模 块1固接，底部与底部运动模块6连接。试验时，依靠假底35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，通过顶部多管相对位置调 节模块2和底部多管相对位置调节模块5调整立管数量、立管间距和立管相对位 置连线与来流流向的夹角，通过测量分析模块7中的运动控制器控制动力组件13 和底部动力组件32，使得立管26在水平方向做匀速运动，立管26的运动由高速 摄像机记录，应变由光纤传感器27测量，并将数据传给运动控制器进行处理。

实验中，由于整流罩15等装置的作用，削弱了除立管26以外的实验装置对 水流的影响，保证了实验的精度和准确性。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都 是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件 进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：该装置包括顶部运动模块、顶部多管相对位置调节模块、立管端部调节模块、深海立管组模块、底部多管相对位置调节模块、底部运动模块和测量分析模块；所述深海立管组模块顶部通过所述立管端部调节模块与所述顶部多管相对位置调节模块连接，所述深海立管组模块底部也通过所述立管端部调节模块与所述底部多管相对位置调节模块连接；所述顶部多管相对位置调节模块、底部多管相对位置调节模块、立管端部调节模块与所述深海立管模块共同组成立管列阵系统；所述立管列阵系统顶部与所述顶部运动模块连接，所述立管列阵系统底部与所述底部运动模块连接；所述测量分析模块设置在所述顶部运动模块上。

2.如权利要求1所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述顶部运动模块包括顶部水平滑动轨道、顶部水平滑块、支撑架、导链、竖直滑动轨道、竖直滑块、动力组件和整流罩；所述支撑架设置在所述顶部水平滑动轨道中部，所述测量分析模块设置在所述支撑架上；所述顶部水平滑动轨道与所述导链连接，所述导链通过所述动力组件带动所述顶部水平滑块在所述水平滑动轨道上滑动；所述顶部水平滑块与所述整流罩固定连接，沿所述整流罩纵向设置有所述竖直滑动轨道，所述竖直滑块设置在所述竖直滑动轨道上。

3.如权利要求2所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述顶部多管相对位置调节模块包括带孔半圆形折边板、顶部夹具和预张力调节装置；所述带孔半圆形折边板通过折边中央的螺纹孔与所述竖直滑块连接，所述带孔半圆形折边板上设置有若干个上圆下方的螺纹孔，其中一所述上圆下方螺纹孔位于所述带孔半圆形折边板圆心位置，其余所述上圆下方螺纹孔呈放射状设置；所述预张力调节装置通过所述顶部夹具锁紧在所述上圆下方螺纹孔处。

4.如权利要求3所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述预张力调节装置包括张紧器调节螺杆、张紧器及张紧器底部连接件；所述张紧器调节螺杆一端穿过所述带孔半圆形折边板的上圆下方螺纹孔，通过螺母固定在所述带孔半圆形折边板上；所述张紧器调节螺杆另一端与所述张紧器一端连接，位于所述张紧器与所述带孔半圆形折边板之间设置有所述顶部夹具；所述张紧器另一端通过所述张紧器底部连接件与所述立管端部调节模块连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述立管端部调节模块包括三分力仪传感器、立管端部夹具和万向节；所述万向节两端分别与所述立管端部夹具和三分力仪传感器连接，所述立管端部夹具将所述深海立管组模块固定在所述万向节上，所述三分力仪传感器与所述顶部多管相对位置调节模块连接，且所述三分力仪传感器还与所述底部多管相对位置调节模块连接。

6.如权利要求3所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述深海立管组模块包括多根立管和若干光纤传感器，与所述带孔半圆形折边板圆心处的上圆下方螺纹孔连接的所述立管为主管，其余所述立管为副管；所述光纤传感器均匀布置在各个所述立管表面；所述立管上下端与所述立管端部调节模块固定连接。

7.如权利要求6所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述底部多管相对位置调节模块包括底部带桩圆盘、立桩、中心法兰装置和带凹槽法兰盘；所述底部带桩圆盘中心位置处上部和下部分别设置有所述中心法兰装置，上部的所述中心法兰装置与所述主管的所述立管端部调节模块连接，下部的所述中心法兰装置与所述底部运动模块连接；位于所述底部带桩圆盘上，以上部的所述中心法兰装置为圆心，呈放射状设置有若干所述立桩；所述副管的所述立管端部调节模块通过带所述凹槽法兰盘固定在所述立桩上。

8.如权利要求7所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述立桩和带凹槽法兰盘上都开设有通孔，通过插销将所述带凹槽法兰盘固定在所述立桩上。

9.如权利要求1所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述底部运动模块包括底部水平滑动轨道、底部水平滑块和假底；所述底部水平滑动轨道固定在所述假底上，所述假底平稳固定在水池假底上；所述底部水平滑块滑动设置在所述底部水平滑动轨道，且所述底部多管相对位置调节模块固定在所述底部水平滑块上；所述底部水平滑动轨道一侧还设置有底部动力组件。

10.如权利要求1所述的一种模拟均匀流作用下立管列阵动力响应实验装置，其特征在于：所述测量分析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用于采集立管列阵系统中各传感器的数据，所述运动控制系统用于控制动力组件的运动，所述显示器用于实时监测实验结果。