CN110057559A - 一种多自由度海洋立管试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度海洋立管试验装置，包括加载仪和计算机，加载仪中包括试验箱及支撑架，试验箱内底部设置有泥沙层，所述支撑架水平长度方向设置有第一线性组件，所述第一线性组件包括两组对称分布的丝杆，所述两组丝杆中间滑动连接有第二线性组件，所述第二线性组件上设置有第一滑动部，所述第一滑动部固定连接有垂直于所述第二线性组件的第三线性组件，所述第三线性组件上设置有第二滑动部，所述第二滑动部水平连接有一旋转组件，所述旋转组件中心固定有立管夹持部，立管夹持部中部夹持有模型立管，该试验装置能够实现六个自由度的运动，可以有效的模拟复杂海洋环境对海洋立管的力学作用，以及分析立管与海床接触触地点土体的破坏情况。

Description

一种多自由度海洋立管试验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种多自由度海洋立管试验装置。

背景技术

海洋立管是海洋平台与海底井口间的主要连接件，作为海面与海底的一种联系通道，可用于固定式平台、浮式平台及钻探船舶等。海洋柔性立管长细比很大，柔性立管在使用过程中，其端部需要与刚性元件相连接，随着水深的增加，在海洋环境荷载作用下，立管与海底井口连接处出现的应力集中和曲径过大会使得柔性立管容易发生疲劳失效，失效将会导致严重的后果。而海洋立管大多用于输送石油、天然气等易燃易爆物品，一旦发生破坏，必将引发严重的环境污染和次生灾害。

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。

当海流经过立管时，在立管下游产生尾流和漩涡，周期发放的漩涡促使立管产生垂直于流向的涡激升力，引起立管的涡激振动，涡激振动是立管发生破坏的关键因素之一。

当前海洋立管疲劳寿命的理论和数值分析存在较多不确定性，需要实验室内搭建原型疲劳试验装置，模拟实际工况对柔性管道及其端部附属构件进行试验，检验柔性管道的疲劳寿命。

现有的海洋立管试验装置大多通过三个自由度来模拟海洋立管的运动情况，即横向、纵向、垂直方向的三个自由度，此种自由度耦合试验装置经常用来模拟参激振动对立管带来的疲劳破坏，而涡激振动是则是立管下游产生尾流和漩涡，单纯的线性自由度试验装置则不能有效的模拟立管在海洋底部的破坏情况，而且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，因此三个自由度的海洋立管试验装置无法实现涡激振动与参激振动耦合作用时的同时模拟，因此如果能模拟立管水平、垂直、旋转方向的六个自由度，则能更为准确的模拟立管的真实运动规律，从而得出立管在海床土体上的变形规律及破坏程度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种多自由度海洋立管试验装置，能够实现六个自由度的运动，可以有效的模拟复杂海洋环境对海洋立管的影响。

鉴于上述问题，本发明提出的技术方案是：一种多自由度海洋立管试验装置，包括加载仪以及计算机；

所述加载仪包括试验箱，所述试验箱内底部设置有泥沙层，所述试验箱开头面固定安装有支撑架，所述支撑架上沿试验箱水平长度方向设置有第一线性组件，所述第一线性组件包括两组对称分布的丝杆，所述两组丝杆中间滑动连接有第二线性组件，所述第二线性组件上沿试验箱宽度方向设置有第一滑动部，所述第一滑动部固定连接有垂直于所述第二线性组件的第三线性组件，所述第三线性组件上设置有竖直滑动的第二滑动部，所述第二滑动部水平连接有一旋转组件，所述旋转组件上设置有固定架，所述固定架沿竖直中心轴线处设置有可旋转的第一转动组件，所述第一转动组件中部设置有第二转动组件，所述第二转动组件内部连接有第三转动组件，所述第三转动组件上螺接有立管夹持部，所述立管夹持部中部夹持有模型立管，所述模型立管的末端与所述泥沙层相接触，所述模型立管与泥沙层交接处设置有疲劳检测仪；

所述计算机内设置有PLC控制器、伺服驱动器，处理器，所述PLC控制器两端分别连接所述伺服驱动器和处理器。

为了更好实现本发明，进一步的，所述第一线组件还包括用于驱动所述丝杆转动的第一伺服电机，所述第一伺服电机通过减速器机械连接所述丝杆。

为了更好实现本发明，进一步的，所述第二线性组件还包括用于驱动所述第一滑动部滑动的第二伺服电机，所述第二伺服电机通过减速器机械连接所述第一滑动部。

为了更好实现本发明，进一步的，所述第三线性组件还包括用于驱动所述第二滑动部滑动的第三伺服电机，所述第三伺服电机通过减速器机械连接所述第二滑动部。

为了更好实现本发明，进一步的，所述固定架包括固定圆盘、若干固定杆、转动底座，所述固定圆盘与所述第二滑动部水平固定连接，所述转动底座设置在固定圆盘底部，所述转动底座为圆环形，所述圆环形转动底座的外圈均匀分布若干凸起部，所述转动底座内圈设置有环形滑轨，所述若干固定杆均匀分布在固定圆盘与凸起部之间，并固定连接所述固定圆盘和所述转动底座。

进一步的，所述第一转动组件包括第四伺服电机、转动支架，所述第四伺服电机设置在固定圆盘顶面中心，所述转动支架为半球形壳体，所述转动支架顶部设置有圆形平台，底部设置有环形底座，所述环形底座通过所述环形滑轨与所述转动底座滑动连接，所述第四伺服电机的驱动轴穿过所述固定圆盘，并通过减速器与所述圆形平台相连接。

进一步的，所述第二转动组件包括转动杆、第五伺服电机、第一半圆环、所述环形底座水平轴线处两端内侧分别设置有相对于环形底座圆心点对称的转动杆，所述其中一个转动杆通过减速器连接有第五伺服电机，所述第一半圆环的两个自由端分别与两个转动杆固定连接。

进一步的，所述第三转动组件包括第二半圆环、传动装置，所述第二半圆环嵌套在所述第一半圆环内圈中，所述第二半圆环内圈中设置有圆环形内齿轮条，所述传动装置包括设置在第一半圆环顶部的传动架，所述传动架外侧设置有第六伺服电机，所述伺服电机的转动轴穿过所述传动架并通过减速器连接一外齿轮，所述外齿轮与所述内齿轮条相互啮合。

进一步的，所述泥沙层包括泥沙基层和若干层不同颜色的细沙层，所述泥沙基层设置在试验箱底部，所述若干细沙层层叠的设置在泥沙基层的上表面，所述泥沙基层厚度为20cm，所述每层细沙层的厚度为0.3cm-1cm，所述细沙层层数为5-20层。

进一步的，所述疲劳检测仪包括应力检测环、激光传感器、运动传感器，所述应力检测环、激光传感器、运动传感器分别与处理器通信连接。

进一步的，所述PLC控制器通过伺服驱动器与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机、第六伺服电机电性连接。

进一步的，所述第一线性组件、第二线性组件、第三线性组件、第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件上还分别设置有力传感器和位移传感器，所述力传感器和位移传感器分别通过A/D转换模块与处理器相连接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明的装置通过设置线性组件、转动组件，同时通过计算机中的PLC控制器设定向伺服驱动器发送速度和位移脉冲信号，伺服驱动器在脉冲信号的驱动下，驱动伺服电机对应的线性组件以及转动组件实现线性运动和转动，继而可以带动模型立管在试样箱底部的泥沙层上进行多自由度的运动，并由激光传感器采集模型立管在泥沙土层上运动所产生的轨迹面积以及轨迹深度，并通过计算机处理器处理绘制图像信息，通过模型立管与泥沙层交接处的应力检测环和运动传感器，来采集模型立管在细沙层上运动发生形变，荷载以及位移数据，通过计算机处理后，以图形、折线、散点的形式表示六自由度立管的疲劳受力情况，对立管与海床土体多自由度耦合作用进行试验研究，可以精确的模拟立管在海床土体上运动规律及疲劳破坏情况。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例中所公开的试验装置立体结构图；

图2为本发明实施例中所公开的旋转组件立体结构图-1；

图3为本发明实施例中所公开的旋转组件立体结构图-2；

图4为本发明实施例中所公开的旋转组件局部剖视图；

图5为本发明实施例中所公开的试验装置主视图；

图6为本发明实施例中所公开的计算机结构示意图；

图7为本发明实施例中所公开的模拟立管疲劳折线图；

图8为本发明实施例中所公开的模拟立管在泥沙层周围深度图；

图9为本发明实施例中所公开的模拟立管疲劳散点图

附图标记说明：加载仪100、试验箱1、支撑架2、第一线性组件3、丝杆31、第一伺服电机32、第二线性组件4、第一滑动部41、第二伺服电机42、第三线性组件5、第二滑动部51、第三伺服电机52、旋转组件6、固定架7、第一转动组件8、第二转动组件9、第三转动组件10、固定圆盘71、若干固定杆72、转动底座73、凸起部74、环形滑轨75、第四伺服电机81、转动支架82、圆形平台83、环形底座84、转动杆91、第五伺服电机92、第一半圆环93、弧形滑槽94、第二半圆环101、传动装置102、弧形滑轨103、内齿轮条104、传动架105、第六伺服电机106、外齿轮107、立管夹持部11、模型立管12、泥沙层13、泥沙基层131、细沙层132、疲劳检测仪14、激光传感器141、应力检测环142、运动传感器143、计算机15、PLC控制器16、伺服驱动器17，处理器18。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照附图1、2、3、4、6所示，一种多自由度海洋立管试验装置，包括加载仪100以及计算机15，所述加载仪100中包括试验箱1及固定安装在所述试验箱1开口面的支撑架2，在本发明中，试验箱1用于模拟实际海洋环境，优选为长方体槽体，支撑架2相当于海面平台，用来模拟立管自由端在海洋水平面的运动，为了便于本发明的实施例更好的说明本发明技术方案，优选设定试验箱1长度方向为X轴、试验箱1宽度方向为Y轴、试验箱1深度方向为Z轴。

所述计算机15内设置有PLC控制器16、伺服驱动器17，处理器18，所述PLC控制器16两端分别连接所述伺服驱动器17和处理器18。

所述支撑架2上沿X轴方向设置有第一线性组件3，所述第一线性组件3包括两组对称分布的丝杆31，丝杆31端部设置有第一伺服电机32，通过第一伺服电机32连接减速器来驱动丝杆31沿X轴方向转动，所述两组丝杆31中间滑动连接有第二线性组件4，第二线性组件4可沿丝杆31在X轴方向水平移动，所述第二线性组件4上沿Y轴方向设置有第一滑动部41，所述第二线性组件4端部设置有第二伺服电机42，通过第二伺服电机42连接减速器来驱动第一滑动部41沿Y轴方向水平移动，所述第一滑动部41固定连接有垂直于所述第二线性组件4的第三线性组件5，所述第三线性组件5上设置有竖直滑动的第二滑动部51，所述第三线性组件5顶部设置有第三伺服电机52，通过第三伺服电机52连接减速器来驱动第二滑动部51在第三线性组件上5沿Z轴方向的移动。

所述第二滑动部51水平连接有一旋转组件6，所述旋转组件6上设置有固定架7，所述固定架7沿竖直中心轴线处设置有可旋转的第一转动组件8，所述第一转动组件8中部设置有第二转动组件9，所述第二转动组件9内部连接有第三转动组件10，所述第三转动组件10上螺接有立管夹持部11，所述立管夹持部11中部夹持有模型立管12。

所述固定架7包括固定圆盘71、若干固定杆72、转动底座73，所述固定圆盘71与所述第二滑动部51水平固定连接，所述转动底座73设置在固定圆盘71底部，所述转动底座73为圆环形，所述圆环形转动底座73的外圈均匀分布若干凸起部74，内圈设置有环形滑轨75，所述若干固定杆72均匀分布在固定圆盘71与凸起部74之间，并固定连接所述固定圆盘71和所述转动底座73。

所述第一转动组件8包括第四伺服电机81、转动支架82，所述第四伺服电机81设置在固定圆盘71顶面中心，所述转动支架82为半球形壳体，所述转动支架82顶部设置有圆形平台83，底部设置有环形底座84，所述环形底座84通过所述环形滑轨75与所述转动底座73滑动连接，所述第四伺服电机81的驱动轴穿过所述固定圆盘71，并通过减速器与所述圆形平台83相连接。

所述第二转动组件9包括转动杆91、第五伺服电机92、第一半圆环93、所述环形底座84沿X轴水平方向两端内侧分别设置有相对于环形底座84圆心点对称的转动杆91，所述其中一个转动杆91的一端通过减速器连接有第五伺服电机92，所述第一半圆环93的两个自由端分别与两个转动杆91另一端固定连接，所述第一半圆环的圆心点与环形底座的圆心点相重合，所述第一半圆环93的内圈设置有弧形滑槽94。

所述第三转动组件10包括第二半圆环101、传动装置102，所述第二半圆环101嵌套在所述第一半圆环93内圈中，且所述第二半圆环101外圈设置有配合弧形滑槽94滑动的弧形滑轨103，所述第二半圆环101内圈中设置有圆弧形内齿轮条104，所述传动装置102包括设置在第一半圆环93顶部的传动架105，所述传动架105与第一半圆环93垂直固定连接，所述传动架105外侧设置有第六伺服电机106，所述第六伺服电机106的转动轴穿过所述传动架105并通过减速器连接一外齿轮107，所述外齿轮107与所述内齿轮条104相互啮合。

在本发明实施例中，需要说明的是：所述伺服电机为常规伺服电机，一般情况下，伺服电机输出的转速较高，在驱动加载仪上的线性组件和转动组件时，如果单纯利用伺服电机驱动线性组件和转动组件运动时，则会因电机转速过高，而导致运动过载，因此利用伺服电机连接减速器进行降速，同时可以增大扭矩，这样方便控制线性组件和转动组件的运动。

在本发明实施例中，所述PLC控制器16通过伺服驱动器17与所述第一伺服电机32、第二伺服电机42、第三伺服电机52、第四伺服电机81、第五伺服电机92、第六伺服电机104电性连接。通过PLC控制器16设定向伺服驱动器17发送速度和位移脉冲信号，伺服驱动器17在脉冲信号的驱动下，驱动伺服电机对应的线性组件以及转动组件实现线性运动和转动，继而可以带动模型立管12在试样箱底部的泥沙层13上进行多自由度的运动。

所述立管夹持部11设置在环形底座84沿X轴水平方向，且所述立管夹持部11的中心点与环形底座84的圆心点相重合，所述立管夹持部11的两端分别与所述第二半圆环101螺接，所述立管夹持部11中心位置夹持所述模型立管12的自由端。

参照附图5所示，所述模型立管12的末端与所述试验箱1底部的泥沙层相接触，所述模型立管12与泥沙层13交接处设置有疲劳检测仪14，所述疲劳检测仪14包括应力检测环142、激光传感器141、运动传感器143，所述应力检测环142、激光传感器141、运动传感器143分别与处理器18通信连接。

在本发明实施例中，所述泥沙层13包括泥沙基层131和若干层不同颜色的细沙层132，所述泥沙基层131设置在试验箱底部，所述若干细沙层132层叠的设置在泥沙基层132的上表面，所述泥沙基层131厚度为20cm，所述每层细沙层132的厚度为0.3cm-1cm，所述细沙层132层数为5-20层。通过设置不同颜色的细沙层132，用于在模型立管12运动时在细沙层上产生破坏痕迹，可以通过颜色层来进区分，在细沙层132被破坏的区域会形成不规则的凹坑。在试验箱1底部铺设泥沙层13是用于在操作模型立管12自由端运动时，通过泥沙层13被破坏痕迹进行提现，通过激光传感器14可以实时采集模型立管12对细沙层132的破坏带来的痕迹图像数据，便于后续计算机模拟处理。

在本发明实施例中，模型立管12与细沙层132接触的弯曲部位还设置有应力检测环142以及运动传感器143，所述应力检测环142用于采集模型立管12在试验过程中弯曲部位的受力情况；所述运动传感器143中包括压力传感器、速度传感器、位移传感器，用于集模型立管12在泥沙层13上运动荷载以及位移数据。

为了便于本发明的实施例更好的说明本发明技术方案，可设定立管夹持部11中心点为相对坐标原点，以上述实施例中所述的X轴、Y轴、Z轴在相对坐标原点中建议坐标系。在旋转组件6中，所述第一转动组件8在第四伺服电机81的驱动下沿Z轴进行顺时针或逆时针转动，第一转动组件8可转动的角度范围为0°～5°；所述第二转动组件9在第五伺服电机92的驱动下沿X轴进行顺时针或逆时针转动，第二转动组件9可转动的角度为0°～5°；所述第三转动组件10在第六伺服电机106的驱动下沿Y轴进行顺时针或逆时针转动，第三转动组件10可转动的角度为0°～1°。从而使得旋转组件6中第一转动组件8、第二转动组件9、第三转动组件10均可以通过立管夹持部11带动模型立管12做相应方向的旋转运动。

在本发明实施例中，所述第一线性组件3、第二线性组件4、第三线性组件5、第一转动组件8、第二转动组件9和第三转动组件10上还分别设置有力传感器和位移传感器，用于检测第一线性组件3在X轴方向的荷载与位移、第二线性组件4在Y轴方向的荷载与位移、第三线性组件5在Z轴方向的荷载与位移、第一转动组件8绕X轴转动的力矩与角位移、第二转动组件9绕Y轴转动的力矩与角位移、第三转动组件10绕Z轴转动的力矩与角位移，所述线性组件和转动组件上的力传感器和位移传感器分别通过A/D转换模块与处理器18相连接，获得六自由度的数据信号作为反馈信号，传输给处理器，处理器通过处理后反馈给PLC控制器进行脉冲信号的纠正，保证加载仪100按照PLC控制器16设定的速度和位移脉冲信号进行执行。

本发明的工作原理是：在使用该试验装置时，将底部铺设有泥沙层13的试验箱1注入一定体积水，将需要模拟的模型立管12一端通过立管夹持部11进行夹持，另一端放置于试验箱1底部的细沙层132表面，通过计算机15中的PLC控制器16设定向伺服驱动器17发送速度和位移脉冲信号，伺服驱动器17在脉冲信号的驱动下，可独立控制第一伺服电机32、第二伺服电机42、第三伺服电机52进行有方向、有快慢的转动，同时三个伺服电机各自通过减速器驱动对应线性组件在支撑架2上做X/Y/Z轴方向的移动，与此同时，通过第三线性组件5可以带动旋转组件6做同样方向的运动，伺服驱动器17在脉冲信号的驱动下，同步还控制第四伺服电机81、第五伺服电机92、第六伺服电机106进行转动，其中，第四伺服电机81通过减速器驱动第一转动组件8沿Z轴进行转动，能够对模型立管12施加扭矩荷载；第五伺服电机92通过减速器驱动第二转动组件9沿X轴进行转动；第六伺服电机106通过减速器驱动第三转动组件10沿Y轴进行转动，能够对模型立管12在X轴、Y轴对应的平面上施加力矩荷载。具体的，在脉冲信号的驱动下，第一伺服电机32通过减速器驱动第一线性组件3中的丝杆31在X轴方向水平移动，丝杆31带动第二线性组件4在X轴方向水平移动，第二伺服电机42通过减速器驱动第一滑动部41在第二线性组件4上沿Y轴方向移动，第一滑动部41带动垂直与第二线性组件4的第三线性组件5沿Y轴方向移动，第三伺服电机52通过减速器驱动第二滑动部51在第三线性组件5上沿Z轴方向移动，第二滑动部51连接有旋转组件6，通过第一、二、三线性组件的移动可以带动旋转组件6做同步方向运动，在旋转组件6沿X/Y/Z方向移动时，受脉冲信号的同步驱动，第四伺服电机81通过减速器驱动第一转动组件8中的转动支架82在固定架7中的转动底座73上进行旋转，具体是通过转动支架82底部的环形底座84在所述转动底座73上的环形滑轨75上进行滑动；第五伺服电机92通过减速器驱动转动杆91带动第一半圆环93绕X轴方向进行旋转，第六伺服电机106通过减速器驱动传动装置102中的外齿轮107转动，继而通过外齿轮107与第二半圆环101内圈的环形内齿轮条104相互啮合，最终带动第二半圆环101通过其外侧的环形滑轨103在第一半圆环93内侧的环形滑槽94上进行滑动。

值得注意的是，通过第二线性组件4在X轴方向移动，以及第二滑动部51在Z轴方向的上下滑动，可以使带动旋转组件6移动，使模型立管12末端在试验箱1底部的附着长度发生变化；通过第三线性组件5在Y轴方向的移动，可以使模型立管12末端在试验箱底部发生Y轴方向的运动；通过旋转组件6沿立管夹持部中心点绕X/Y/Z轴的旋转，可以使模型立管12末端在试验箱底部发生扭曲变化。

值得注意的是，线性组件在支撑架2上运动时，可以通过力传感器和位移传感器获取模型立管12不同方向的荷载与位移，转动组件在支撑架上运动时，可以通过力传感器和位移传感器获取模型立管12绕不同轴向转动的力矩与角位移，这些数据会通过A/D转化模块传输给处理器18，处理器通过处理后反馈给PLC控制器16进行脉冲信号的纠正，保证加载仪100按照PLC控制器16设定的速度和位移脉冲信号进行执行。

通过线性组件、转动组件的多自由度运动可以使模型立管12在支撑架2上发生位移和旋转，继而带动模型立管12整体运动，并在模型立管12的底部发生形变，模型立管12在试验箱1底部的运动情况可以通过试验箱1底部的细沙层132被破坏程度进行反映，即细沙层132呈现出的不规则凹坑面积及其深度，通过激光传感器14可以清楚的采集出这些数据及图像信息，通过应力检测环142来采集模型立管在试验过程中弯曲部位的受力情况；通过运动传感器143来集模型立管在泥沙层13上运动荷载以及位移数据。这些数据会通过处理器18实时传输至计算机15，再通过计算机15的处理器18对获取的荷载(力矩)、位移(角位移)、泥沙层凹坑面积、凹坑深度数据、弯曲部位受力进行综合分析，通过计算机处理后，以图形、折线、散点的形式表示六自由度立管的疲劳受力情况，对立管与海床土体多自由度耦合作用进行试验研究，可以精确的模拟立管在海床土体上运动规律及疲劳破坏情况。

参照附图7所示：横坐标表示试验过程中立管与土体(泥沙层)接触范围内立管的最大贯入土层深度，立管贯入土层的深度通过布设的激光传感器141测量；纵坐标表示立管贯入土层过程中土体对立管的阻力，通过设置在立管底部泥沙层中压力传感器获得。图1中的三组折线数据表明立管试验加载仪对立管自由端施加了三次循环作用。

参照附图8所示：横坐标表示立管试验加载仪仪100对立管自由端通过立管夹持部11施加的循环次数；纵坐标表示立管与土体(泥沙层)13接触处土坑深度变化规律。其中，土坑变化深度通过激光传感器141测量，循环次数通过plc控制器16给伺服驱动器17发送的脉冲数获取。由图2散点图可以发现，随着立管循环次数的增加，立管在海床土层上形成的深度轨迹逐渐增大，最后趋于稳定，跟实际海洋工程中立管周围土体坑度发展规律一致。

参照附图9所示：水平坐标表示立管夹持部11施加在立管自由端处的竖向位移，通过位移传感器获取；纵坐标为立管连续触碰土体(泥沙层)过程中，土体施加在立管上的反作用力，通过第三线性组件上的力传感器获取。图中每个椭圆形的闭合曲线，表示一个完整的竖向加载过程，图3表示了1000个竖向循环加载过程。图3表明随着循环次数的逐渐增大，土体对立管的疲劳强度逐渐衰减，由最初的5.7逐渐衰减到稳定的1.5左右。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多自由度海洋立管试验装置，包括加载仪以及计算机；其特征在于：

所述加载仪包括试验箱，所述试验箱内底部设置有泥沙层，所述试验箱开头面固定安装有支撑架，所述支撑架上沿试验箱水平长度方向设置有第一线性组件，所述第一线性组件包括两组对称分布的丝杆，所述两组丝杆中间滑动连接有第二线性组件，所述第二线性组件上沿试验箱宽度方向设置有第一滑动部，所述第一滑动部固定连接有垂直于所述第二线性组件的第三线性组件，所述第三线性组件上设置有竖直滑动的第二滑动部，所述第二滑动部水平连接有一旋转组件，所述旋转组件上设置有固定架，所述固定架沿竖直中心轴线处设置有可旋转的第一转动组件，所述第一转动组件中部设置有第二转动组件，所述第二转动组件内部连接有第三转动组件，所述第三转动组件上螺接有立管夹持部，所述立管夹持部中部夹持有模型立管，所述模型立管的末端与所述泥沙层相接触，所述模型立管与泥沙层交接处设置有疲劳检测仪；

所述计算机内设置有PLC控制器、伺服驱动器，处理器，所述PLC控制器两端分别连接所述伺服驱动器和处理器。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：第一线组件还包括用于驱动所述丝杆转动的第一伺服电机，所述第一伺服电机通过减速器机械连接所述丝杆；所述第二线性组件还包括用于驱动所述第一滑动部滑动的第二伺服电机，所述第二伺服电机通过减速器机械连接所述第一滑动部；所述第三线性组件还包括用于驱动所述第二滑动部滑动的第三伺服电机，所述第三伺服电机通过减速器机械连接所述第二滑动部。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述固定架包括固定圆盘、若干固定杆、转动底座，所述固定圆盘与所述第二滑动部水平固定连接，所述转动底座设置在固定圆盘底部，所述转动底座为圆环形，所述圆环形转动底座的外圈均匀分布若干凸起部，所述转动底座内圈设置有环形滑轨，所述若干固定杆均匀分布在固定圆盘与凸起部之间，并固定连接所述固定圆盘和所述转动底座。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述第一转动组件包括第四伺服电机、转动支架，所述第四伺服电机设置在固定圆盘顶面中心，所述转动支架为半球形壳体，所述转动支架顶部设置有圆形平台，底部设置有环形底座，所述环形底座通过所述环形滑轨与所述转动底座滑动连接，所述第四伺服电机的驱动轴穿过所述固定圆盘，并通过减速器与所述圆形平台相连接。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述第二转动组件包括转动杆、第五伺服电机、第一半圆环、所述环形底座水平轴线处两端内侧分别设置有相对于环形底座圆心点对称的转动杆，所述其中一个转动杆通过减速器连接有第五伺服电机，所述第一半圆环的两个自由端分别与两个转动杆固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述第三转动组件包括第二半圆环、传动装置，所述第二半圆环嵌套在所述第一半圆环内圈中，所述第二半圆环内圈中设置有圆环形内齿轮条，所述传动装置包括设置在第一半圆环顶部的传动架，所述传动架外侧设置有第六伺服电机，所述伺服电机的转动轴穿过所述传动架并通过减速器连接一外齿轮，所述外齿轮与所述内齿轮条相互啮合。

7.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述泥沙层包括泥沙基层和若干层不同颜色的细沙层，所述泥沙基层设置在试验箱底部，所述若干细沙层层叠的设置在泥沙基层的上表面，所述泥沙基层厚度为20cm，所述每层细沙层的厚度为0.3cm-1cm，所述细沙层层数为5-20层。

8.根据权利要求1所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述疲劳检测仪包括应力检测环、激光传感器、运动传感器，所述应力检测环、激光传感器、运动传感器分别与处理器通信连接。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述PLC控制器通过伺服驱动器与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机、第六伺服电机电性连接。

10.根据权利要求1或2中任意一项所述的一种多自由度海洋立管试验装置，其特征在于：所述第一线性组件、第二线性组件、第三线性组件、第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件上还分别设置有力传感器和位移传感器，所述力传感器和位移传感器分别通过A/D转换模块与处理器相连接。