CN110031169A - 模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应的实验装置，包含顶部运动模块，预张力调节模块，双管相对位置调节模块，立管端部调节模块，深海立管组模块，测量分析模块、底部运动模块。顶部运动模块固定在水平拖车上，与预张力调节模块在垂直方向上连接。深海立管模块两端依次连接立管端部调节模块、双管相对位置调节模块，底端部双管相对位置调节模块与底部运动模块连接。测量分析模块固定在顶部运动模块的支撑架上，底部运动模块固定于水池的升降假底上。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，能够真实模拟立管置于斜向均匀流环境，进而分析斜向均匀流作用下双管干涉涡激振动响应。

Description

模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体是一种模拟斜向均匀流作用下，两根立管组成的双管干涉在干涉作用影响下的动力响应特性的实验装置。

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，往往与来流呈一定角度，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，因此存在工作立管间相互干扰的情况。由于立管间的相互干涉，两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，对双管干涉的实验研究相对较少，且实验装置普遍存在以下不足：(1)由于实验装置的复杂性，双管干涉相关实验很少；(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

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置。

根据本发明提供的一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，包括顶部运动模块，预张力调节模块、双管干涉系统，测量分析模块，底部运动模块；

测量分析模块设置在顶部运动模块的上部，顶部运动模块与预张力调节模块的一端呈垂直方向连接，且预张力调节模块在顶部运动模块水平方向上的位置能够调节；

预张力调节模块的另一端与双管干涉系统的上端部连接，双管干涉系统的下端部与底部运动模块连接；

测量分析模块包括数据采集处理器、斜向运动控制器，所述斜向运动控制器使得双管干涉系统在水平方向均速运动，所述数据采集处理器能够采集双管干涉系统运动数据。

优选地，双管干涉系统包括双管相对位置调节模块、立管端部调节模块、深海立管组模块；

深海立管组模块由两根立管组成，每根立管的两端分别连接一个立管端部调节模块，与立管上端连接的立管端部调节模块设置在双管相对位置调节模块的下方，与立管下端连接的立管端部调节模块设置在双管相对位置调节模块的上方。

优选地，双管相对位置调节模块包括双管位置调节板、主管连接法兰装置、副管连接法兰装置、中心法兰装置、螺母；

主管连接法兰装置、副管连接法兰装置分别与对应的一个立管相连接；

双管位置调节板通过中心法兰装置与预张力调节模块相连接，双管位置调节板上设置有副管移动槽，副管连接法兰装置通过螺母被固定在所述副管移动槽中，以调整双管间距。

优选地，立管端部调节模块包括三分力仪传感器、立管端部夹具、万向节和螺丝；

万向节的固定端与立管端部夹具连接，万向节的活动端与三分力仪传感器的一端连接，三分力仪传感器的另一端与主管连接法兰装置或副管连接法兰装置相连接，三分力仪传感器的数据由数据采集处理器采集；

立管端部夹具夹持立管，螺丝通过与立管端部夹具的螺纹孔连接，能够调整立管的被夹持程度。

优选地，立管的表面均匀设置有光纤传感器，光纤传感器能够测量立管的运动，光纤传感器的数据由数据采集处理器采集。

优选地，顶部运动模块包括导链、支撑架、顶部水平滑动轨道、顶部水平滑块、竖直滑动轨道、动力组件、竖直滑块、整流罩；

测量分析模块与支撑架连接，支撑架设置在顶部水平滑动轨道的上方；

顶部水平滑动轨道与导链连接；

导链通过动力组件带动顶部水平滑块在顶部水平滑动轨道上移动，顶部水平滑块与整流罩连接；

动力组件受斜向运动控制器驱动；

竖直滑动轨道设置在整流罩上，竖直滑块能够在竖直滑动轨道上滑动。

优选地，预张力调节模块包括端部连接件、张紧器固定板和压簧张紧组件；

端部连接件的一端与竖直滑块连接，端部连接件的另一端与张紧器固定板相连接，压簧张紧组件能够调节双管干涉系统的运动张力。

优选地，底部运动模块包括底部水平滑动轨道、底部水平滑块、底部动力组件、假底；

底部水平滑动轨道设置在假底上，底部水平滑动轨道与顶部水平滑动轨道平行，底部动力组件带动底部水平滑块在底部水平滑动轨道上滑动，底部水平滑块的运动方向、速率与顶部水平滑块相同；

底部水平滑块与立管端部调节模块相连接，底部动力组件受斜向运动控制器驱动。

优选地，所述顶部水平滑动轨道与所述底部水平滑动轨道在水平方向上错开设定距离，使所述深海立管组模块与所述底部运动模块的间夹角为锐角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

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

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

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是本发明提供的顶部运动模块的结构示意图；

图5是本发明提供的预张力调节模块的结构示意图；

图6是本发明提供的双管相对位置调节模块的结构示意图；

图7是本发明提供的双管相对位置调节模块的侧视图；

图8是本发明提供的立管端部调节模块的结构示意图；

图9是本发明提供的立管端部的安装示意图；

图10是本发明提供的底部运动模块的结构示意图；

图11是本发明提供的深海立管的结构示意图。

图中示出：

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对上述现有实验装置存在的不足，提供了一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置。能够模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应，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，节约成本等优点。

根据本发明提供的一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，包括顶部运动模块1，预张力调节模块2、双管干涉系统，测量分析模块7，底部运动模块6；

测量分析模块7设置在顶部运动模块1的上部，顶部运动模块1与预张力调节模块2的一端呈垂直方向连接，且预张力调节模块2在顶部运动模块1水平方向上的位置能够调节；

预张力调节模块2的另一端与双管干涉系统的上端部连接，双管干涉系统的下端部与底部运动模块6连接；

测量分析模块7包括数据采集处理器、斜向运动控制器，所述斜向运动控制器使得双管干涉系统在水平方向均速运动，所述数据采集处理器能够采集双管干涉系统运动数据。

具体地，双管干涉系统包括双管相对位置调节模块3、立管端部调节模块4、深海立管组模块5；

深海立管组模块5由两根立管35组成，每根立管的两端分别连接一个立管端部调节模块4，与立管35上端连接的立管端部调节模块4设置在双管相对位置调节模块3的下方，与立管35下端连接的立管端部调节模块4设置在双管相对位置调节模块3的上方。

具体地，双管相对位置调节模块3包括双管位置调节板19、主管连接法兰装置21、副管连接法兰装置22、中心法兰装置23、螺母24；

主管连接法兰装置21、副管连接法兰装置22分别与对应的一个立管35相连接；

双管位置调节板19通过中心法兰装置23与预张力调节模块2相连接，双管位置调节板19上设置有副管移动槽20，副管连接法兰装置22通过螺母24被固定在所述副管移动槽20中，以调整双管间距。可将所述的深海立管组模块和立管端部调节模块根据实验对双管间距的要求，通过所述螺母将副管连接法兰装置固定于移动槽相应的位置。

具体地，立管端部调节模块4包括三分力仪传感器26、立管端部夹具27、万向节28和螺丝25；

万向节28的固定端与立管端部夹具27连接，万向节28的活动端与三分力仪传感器26的一端连接，三分力仪传感器26的另一端与主管连接法兰装置21或副管连接法兰装置22相连接，三分力仪传感器26的数据由数据采集处理器采集；

立管端部夹具27夹持立管35，螺丝25通过与立管端部夹具27的螺纹孔连接，能够调整立管35的被夹持程度。

具体地，立管35的表面均匀设置有光纤传感器36，光纤传感器36能够测量立管35的运动，光纤传感器36的数据由数据采集处理器采集。

具体地，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、整流罩15；

测量分析模块7与支撑架9连接，支撑架9设置在顶部水平滑动轨道10的上方；

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在顶部水平滑动轨道10上移动，顶部水平滑块11与整流罩15连接；

动力组件13受斜向运动控制器驱动；

竖直滑动轨道12设置在整流罩15上，竖直滑块14能够在竖直滑动轨道12上滑动，以调节双管干涉系统在竖直方向的位置。

具体地，预张力调节模块2包括端部连接件16、张紧器固定板17和压簧张紧组件18；

端部连接件16的一端与竖直滑块14连接，端部连接件16的另一端与张紧器固定板17相连接，压簧张紧组件18能够调节双管干涉系统的运动张力，对立管预张力进行细微调节。

具体地，底部运动模块6包括底部水平滑动轨道31、底部水平滑块30、底部动力组件29、假底32；

底部水平滑动轨道31设置在假底32上，底部水平滑动轨道31与顶部水平滑动轨道10平行，底部动力组件29带动底部水平滑块30在底部水平滑动轨道31上滑动，底部水平滑块30的运动方向、速率与顶部水平滑块11相同；

底部水平滑块30与立管端部调节模块4相连接，底部动力组件29受斜向运动控制器驱动。

具体地，所述顶部水平滑动轨道10与所述底部水平滑动轨道31在水平方向上错开设定距离，使所述深海立管组模块5与所述底部运动模块6的间夹角为锐角，能够模拟斜向均匀流作用。

以下结合附图对本发明的优选例做进一步阐述。

如图1-11所示，本发明实施例提供了一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，包含顶部运动模块1，预张力调节模块2、双管相对位置调节模块3，立管端部调节模块4，深海立管组模块5，测量分析模块7，底部运动模块6。

所述测量分析模块7通过支撑架9固定在顶部运动模块1上，所述的顶部水平滑动轨道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固接，竖直滑动轨道12固定在整流罩15上，竖直滑块14可以在竖直滑动轨道12上滑动。

所述预张力调节模块2包括端部连接件16、张紧器固定板17和压簧张紧组件18。端部连接件16与竖直滑块14固定，模块底部通过顶部连接件33与双管相对位置调节模块3固定。预张力调节模块2对立管预张力进行细微调节。

所述双管相对位置调节模块3包括双管位置调节板19、主管连接法兰装置21、副管连接法兰装置22、中心法兰装置23及螺母24。双管干涉系统两端的中心法兰装置23分别与顶部连接件33与底部连接件34固定，并且与双管位置调节板19固定。主管连接法兰装置21与双管位置调节板19中央用螺母24固定，副管连接法兰装置22通过螺母24固定在插板19的副管移动槽20中。

所述立管端部调节模块4包括三分力仪传感器26、立管端部夹具27、万向节28和螺丝25。所述三分力仪传感器26与双管相对位置调节模块3的主管连接法兰装置和副管连接法兰装置固定，所述的立管端部夹具27用于深海立管组模块5中立管35的固定。

所述深海立管组模块5由多根立管35和其表面光纤传感器36组成，光纤传感器36均匀布置在各个深海立管35上。立管上下端与立管端部夹具27通过螺丝25固定。

所述的测量分析模块7包括：数据采集处理器、运动控制器和显示器。其中：所述的数据采集处理器用于采集双管干涉系统各三分力仪传感器26、光纤传感器的数据，所述的运动控制系统用于控制动力组件13和底部动力组件29的运动，所述的显示器用于实时监测实验结果。

所述底部运动模块6包括：底部水平滑动轨道31、底部水平滑块30、底部动力组件29及假底32。所述的底部水平滑动轨道30与顶部水平滑动轨道10平行且错开一定距离，使所述深海立管组模块与所述假底间夹角为锐角，能够模拟斜向均匀流作用，所述底部水平滑块30与底部连接件34固定。

本具体实施工作原理：实验前，将光纤光栅传感器均匀布置在深海立管组模块上，立管的两端依次连接立管端部调节模块、双管相对位置调节模块。双管干涉系统顶部与预张力调节模块、顶部运动模块固接，底部与底部运动模块相连接。，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，通过双管相对位置调节模块调整立管间距，通过测量分析模块中的电脑控制电机，使得立管在水平方向做匀速运动，模拟斜向均匀流作用，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。

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

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，包括顶部运动模块(1)，预张力调节模块(2)、双管干涉系统，测量分析模块(7)，底部运动模块(6)；

测量分析模块(7)设置在顶部运动模块(1)的上部，顶部运动模块(1)与预张力调节模块(2)的一端呈垂直方向连接，且预张力调节模块(2)在顶部运动模块(1)水平方向上的位置能够调节；

预张力调节模块(2)的另一端与双管干涉系统的上端部连接，双管干涉系统的下端部与底部运动模块(6)连接；

测量分析模块(7)包括数据采集处理器、斜向运动控制器，所述斜向运动控制器使得双管干涉系统在水平方向均速运动，所述数据采集处理器能够采集双管干涉系统运动数据。

2.根据权利要求1所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，双管干涉系统包括双管相对位置调节模块(3)、立管端部调节模块(4)、深海立管组模块(5)；

深海立管组模块(5)由两根立管(35)组成，每根立管的两端分别连接一个立管端部调节模块(4)，与立管(35)上端连接的立管端部调节模块(4)设置在双管相对位置调节模块(3)的下方，与立管(35)下端连接的立管端部调节模块(4)设置在双管相对位置调节模块(3)的上方。

3.根据权利要求2所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，双管相对位置调节模块(3)包括双管位置调节板(19)、主管连接法兰装置(21)、副管连接法兰装置(22)、中心法兰装置(23)、螺母(24)；

主管连接法兰装置(21)、副管连接法兰装置(22)分别与对应的一个立管(35)相连接；

双管位置调节板(19)通过中心法兰装置(23)与预张力调节模块(2)相连接，双管位置调节板(19)上设置有副管移动槽(20)，副管连接法兰装置(22)通过螺母(24)被固定在所述副管移动槽(20)中，以调整双管间距。

4.根据权利要求2所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，立管端部调节模块(4)包括三分力仪传感器(26)、立管端部夹具(27)、万向节(28)和螺丝(25)；

万向节(28)的固定端与立管端部夹具(27)连接，万向节(28)的活动端与三分力仪传感器(26)的一端连接，三分力仪传感器(26)的另一端与主管连接法兰装置(21)或副管连接法兰装置(22)相连接，三分力仪传感器(26)的数据由数据采集处理器采集；

立管端部夹具(27)夹持立管(35)，螺丝(25)通过与立管端部夹具(27)的螺纹孔连接，能够调整立管(35)的被夹持程度。

5.根据权利要求2所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，立管(35)的表面均匀设置有光纤传感器(36)，光纤传感器(36)能够测量立管(35)的运动，光纤传感器(36)的数据由数据采集处理器采集。

6.根据权利要求1所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，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)、整流罩(15)；

测量分析模块(7)与支撑架(9)连接，支撑架(9)设置在顶部水平滑动轨道(10)的上方；

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)在顶部水平滑动轨道(10)上移动，顶部水平滑块(11)与整流罩(15)连接；

动力组件(13)受斜向运动控制器驱动；

竖直滑动轨道(12)设置在整流罩(15)上，竖直滑块(14)能够在竖直滑动轨道(12)上滑动。

7.根据权利要求7所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，预张力调节模块(2)包括端部连接件(16)、张紧器固定板(17)和压簧张紧组件(18)；

端部连接件(16)的一端与竖直滑块(14)连接，端部连接件(16)的另一端与张紧器固定板(17)相连接，压簧张紧组件(18)能够调节双管干涉系统的运动张力。

8.根据权利要求7所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，底部运动模块(6)包括底部水平滑动轨道(31)、底部水平滑块(30)、底部动力组件(29)、假底(32)；

底部水平滑动轨道(31)设置在假底(32)上，底部水平滑动轨道(31)与顶部水平滑动轨道(10)平行，底部动力组件(29)带动底部水平滑块(30)在底部水平滑动轨道(31)上滑动，底部水平滑块(30)的运动方向、速率与顶部水平滑块(11)相同；

底部水平滑块(30)与立管端部调节模块(4)相连接，底部动力组件(29)受斜向运动控制器驱动。

9.根据权利要求2所述的模拟斜向均匀流作用下双管干涉动力响应实验装置，其特征在于，所述顶部水平滑动轨道(10)与所述底部水平滑动轨道(31)在水平方向上错开设定距离，使所述深海立管组模块(5)与所述底部运动模块(6)的间夹角为锐角。