CN110108569B - 导管土壤系统的试验模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导管土壤系统的试验模拟装置，包含外部挡流模块，导管模拟模块，土壤模拟模块，底部支撑模块和测量分析模块。通过外部挡流模块将该设计内部机械与外部流场隔离，防止试验过程中导管土壤模拟装置对外部流场的扰流作用；通过调节土壤模拟模块中拉伸弹簧的刚度，可以模拟不同性质的土壤作用效果；通过安装在土壤模拟模块一侧的旋钮实现拉伸弹簧预张力的精准调节，并连接单分力仪测量预张力的大小；通过测量分析模块得到导管两端的拉力值数据。本发明结构轻便，易于拆装，试验过程中预张力调节方便，测量数据精准，能够模拟真实海洋环境中的导管土壤系统。

Description

导管土壤系统的试验模拟装置
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，具体的，涉及一种导管土壤系统的试验模拟装置，尤其是涉及一种模拟真实海洋环境下，导管和土壤的模拟系统。
背景技术
随着人类对海洋资源开发的日益深入，海洋工程逐步向深水推进，尤其以隔水管为代表的海洋结构物的动力响应问题重新受到人们的关注。隔水管是海洋钻井平台上用以隔离海水、支撑各种管线的部件，有着复杂的几何结构，同时每一部分都有着不同的物理参数。考虑到顶部平台的运动、背景洋流、涡激振动(VIV)以及立管与泥土的相互作用等因素，隔水管在现实的海洋环境中的动力响应特征将会非常复杂。此外，隔水管受到顶管运动所引起的大幅度凹陷弯曲，将使间歇性的涡激振动更容易被触发。
关于导管和土壤系统，已经有很多试验方面的研究，但是目前的试验装置普遍存在以下不足：(1)通常主要研究平台运动和背景洋流的影响，在试验中直接用土壤作为真实土壤的模型模拟，没有考虑缩尺比的影响；(2)没有进行对导管模型的受力测量与分析，对实际工程中导管的设计参考作用有限。
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导管土壤系统的试验模拟装置。
根据本发明提供的一种导管土壤系统的试验模拟装置，包括外部档流模块、导管模拟模块、土壤模拟模块、底部支撑模块、测量分析模块；
外部档流模块将试验模拟装置的内部与外部的流场隔离，以防止试验过程中外部流场的干扰；
导管模拟模块能够模拟导管作用；
土壤模拟模块通过调节能够模拟不同性质的土壤作用；
底部支撑模块能够支撑试验模拟装置；
测量分析模块能够测量土壤作用和导管作用，将得到的测量信号进行存储。
优选地，所述外部档流模块包括盖板、侧面档流板；
盖板的下表面与侧面档流板紧密连接，盖板与侧面档流板形成容纳空间，所述容纳空间与外部的流场隔离；
盖板上开设有第一孔，所述第一孔为导管模拟模块提供连接通道。
优选地，所述导管模拟模块包括导管、球铰；
导管从外部伸入试验模拟装置的内部，导管伸入试验模拟装置的内部的一端与球铰的一端相连接，球铰的另一端与测量分析模块的三分力仪相连接。
优选地，所述土壤模拟模块包括至少一对拉伸弹簧、竖直支架；
拉伸弹簧的一端连接导管模拟模块，拉伸弹簧的另一端通过测量分析模块的单分力仪与竖直支架连接，竖直支架的一端与外部档流模块的盖板连接，竖直支架的另一端与底部支撑模块相连，且与底部支撑模块的支撑方向平行；
竖直支架上设置有螺纹孔，所述螺纹孔能够调节拉伸弹簧的张力大小。
优选地，所述底部支撑模块包括底部支架；
底部支架上至少设置有一个第二孔，所述第二孔能够固定土壤模拟模块；
底部支架能够固定导管模拟模块。
优选地，所述测量分析模块包括三分力仪、单分力仪；
三分力仪与导管模拟模块连接，能够测量导管作用；
单分力仪与土壤模拟模块连接，能够测量土壤作用。
优选地，所述土壤模拟模块从四个方向上设置有拉伸弹簧，每个方向上并联两个拉伸弹簧，拉伸弹簧通过挂钩分别与导管模拟模块和竖直支架相连接，拉伸弹簧与竖直支架相连接的一端能够通过螺丝调节挂钩的位置。
优选地，所述螺丝是细调螺丝，所述拉伸弹簧的末端与测量分析模块的单分力仪相连。
优选地，所述导管是实心金属管。
优选地，所述底部支架采用十字形支架，底部支架的支架臂上设置有至少两个螺丝孔，所述螺丝孔能够调节土壤模拟模块的竖直支架的位置。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1、本发明结构轻便简化，拆装方便，能够模拟真实的海底环境对工作立管所具有的约束作用；
2、本发明灵活性高，通过拉伸弹簧和单分力仪传感器的配合，可实现对弹簧预张力的精准控制和调节，以能根据实际工况进行调整；
3、本发明的导管和弹簧的刚度均为实际情况缩尺而来，更能够模拟实际工作中的工作立管和土壤之间的作用。
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为本发明结构示意图；
图2为导管模拟模块和土壤模拟模块示意图；
图3为底部十字支架示意图；
图4为三分力仪示意图；
图5为外部挡流板和弹簧约束模块示意图。
图中示出：
Figure BDA0002018863670000031
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。
根据本发明提供的一种导管土壤系统的试验模拟装置，包括外部档流模块、导管模拟模块、土壤模拟模块、底部支撑模块、测量分析模块；
外部档流模块将试验模拟装置的内部与外部的流场隔离，以防止试验过程中外部流场的干扰；
导管模拟模块能够模拟导管作用；
土壤模拟模块通过调节能够模拟不同性质的土壤作用，所述调节是通过拉伸弹簧3的刚度调节；通过安装在土壤模拟模块一侧的旋钮实现拉伸弹簧预张力的精准调节，并连接单分力仪测量预张力的大小；通过测量分析模块得到导管的两端拉力数据。
底部支撑模块能够支撑试验模拟装置；
测量分析模块能够测量土壤作用和导管作用，将得到的测量信号进行存储。
具体地，所述外部档流模块包括盖板1、侧面档流板2；
盖板1的下表面与侧面档流板2紧密连接，盖板1与侧面档流板2形成容纳空间，所述容纳空间与外部的流场隔离；
盖板1上开设有第一孔，所述第一孔为导管模拟模块提供连接通道。优选地，所述第一孔为圆孔。所述外部挡流板2通过螺丝与顶部的盖板1和底部支架4相连，无水密性要求。
具体地，所述导管模拟模块包括导管8、球铰6；
导管8从外部伸入试验模拟装置的内部，导管8伸入试验模拟装置的内部的一端与球铰6的一端相连接，球铰6的另一端与测量分析模块的三分力仪5相连接。
具体地，所述土壤模拟模块包括至少一对拉伸弹簧3、竖直支架7；
拉伸弹簧3的一端连接导管模拟模块，拉伸弹簧3的另一端通过测量分析模块的单分力仪9与竖直支架7连接，竖直支架7的一端与外部档流模块的盖板1连接，竖直支架7的另一端与底部支撑模块相连，且与底部支撑模块的支撑方向平行；
竖直支架7上设置有螺纹孔，所述螺纹孔能够调节拉伸弹簧3的张力大小。
具体地，所述底部支撑模块包括底部支架4；
底部支架4上至少设置有一个第二孔，所述第二孔能够固定土壤模拟模块；
底部支架4能够固定导管模拟模块。
具体地，所述测量分析模块包括三分力仪5、单分力仪9；三分力仪5与导管模拟模块连接，能够测量导管作用；单分力仪9与土壤模拟模块连接，能够测量土壤作用。所述三分力仪用以测量导管两端的受力，三分力仪两端各通过四个螺丝固定在导管和底部十字形支架上。单分力仪测量张紧弹簧的受力，通过挂钩与弹簧和竖直支架相连，所述分析系统用于实时地对接收到的测量信号进行存储和处理。
具体地，所述土壤模拟模块从四个方向上设置有拉伸弹簧3，每个方向上并联两个拉伸弹簧3，拉伸弹簧3通过挂钩分别与导管模拟模块和竖直支架7相连接，拉伸弹簧3与竖直支架7相连接的一端能够通过螺丝调节挂钩的位置，从而实现拉伸弹簧预张力的调节。
具体地，所述螺丝是细调螺丝10，所述拉伸弹簧3的末端与测量分析模块的单分力仪9相连。
具体地，所述导管8是实心金属管，导管8的下部连球铰6，然后固定在底部十字形支座上，导管8的上部连接方式可根据试验具体情况做出调整。
具体地，所述底部支架4采用十字形支架，底部支架4的支架臂上设置有至少两个螺丝孔，所述螺丝孔能够调节土壤模拟模块的竖直支架7的位置，底部十字支架用以固定导管和四个竖直支架。竖直支架上开有螺纹孔，通过穿过其中的螺丝来调节拉伸弹簧张力的大小。
下面结合附图对本发明的优选例做进一步阐述。
如图1所示，本发明包括外部挡流模块，导管模拟模块，土壤模拟模块，底部支撑模块和测量分析五个模块。其中，外部挡流模块包括顶部的盖板1和侧面挡流板2，其作用是将该设计内部机械与外部流场隔离，防止试验过程中导管土壤模拟装置对外部流场的扰流作用；导管模拟模块包括球铰6和金属导管8，球铰6的存在允许金属导管8有三个旋转自由度；土壤模拟模块包括拉伸弹簧3和螺丝，螺丝采用细调螺丝10，该模块共有四组，每一组包含并联的一对弹簧和相应的螺丝，分别布置在金属导管8的四周，用以模拟土壤的弹性作用；底部支撑模块包括底部十字形支架4和竖直支架7，该模块用来支撑整个装置；测量分析包括三分力仪5和单分力仪9，分别用以测量导管的端部受力和弹簧的弹力。本发明结构轻便，易于拆装，试验过程中预张力调节方便，测量数据精准，能够模拟真实海洋环境中的导管土壤系统。所述外部挡流模块包括顶部的盖板1和侧面挡流板2，其中顶部的盖板1采用铝合金材料制成，中部开一个圆孔提供导管与上部试验装置的连接通道。侧面挡流板2是一个筒形板，围绕在导管土壤模拟装置的外围，试验中起到隔离外部流场的作用。
如图2所示，所述导管模拟模块包括球铰6和金属导管8，其中金属导管8是一个实心的金属管，下部连球铰6，然后固定在底部十字形支架4上。导管中部与拉伸弹簧3连接的部分开小孔，通过螺丝连接挂钩，作为拉伸弹簧3的固定装置。所述土壤模拟模块由四个方向上的四对拉伸弹簧3和相应的四对细调螺丝10组成。每个方向上并联两个弹簧，弹簧两端通过挂钩分别与金属导管8和竖直支架7相连，其中，与竖直支架相连的一端可以通过细调螺丝10调节挂钩的位置，从而实现拉伸弹簧3预张力的调节。
如图3所示，所述底部支撑模块包括一个底部十字形支架4和四个竖直支架7。其中底部十字支架4用以固定金属导管8和四个竖直支架7，四个臂上布置有可供竖直支架7调节位置的螺丝孔。所述竖直支架7通过螺丝上部固定顶部盖板1，下部固定底部十字支架4，竖直支架7上开有螺纹孔，通过穿过其中的细调螺丝10来调节拉伸弹簧3张力的大小。
所述测量分析模块由三分力仪5，单分力仪9和分析系统组成。所述三分力仪5用以测量导管8两端的受力，三分力仪5两端各通过四个螺丝固定在金属导管8和底部十字形支架4上。单分力仪9测量拉伸弹簧3的受力，通过挂钩与拉伸弹簧3和竖直支架7相连，所述分析系统用于实时地对接收到的测量信号进行存储和处理。
本发明用以模拟真实海况下导管和土壤相互作用的试验模型，根据本发明提供的试验模型，可以开展导管-土壤系统的模型试验，其结果可为工程应用提供参考。与现有技术相比，本发明结构轻便，易于拆装，能够较好地模拟真实海洋环境中的导管土壤系统。同时，试验过程中预张力调节方便，导管受力测量精准，保证了试验工况调整的便捷性和测量结果的准确性。本发明结构轻便，易于拆装，试验过程中预张力调节方便，测量数据精准，能够模拟真实海洋环境中的导管土壤系统。
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)

1.一种导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，包括外部档流模块、导管模拟模块、土壤模拟模块、底部支撑模块、测量分析模块；
外部档流模块将试验模拟装置的内部与外部的流场隔离，以防止试验过程中外部流场的干扰；
导管模拟模块能够模拟导管作用；
土壤模拟模块通过调节能够模拟不同性质的土壤作用；
底部支撑模块能够支撑试验模拟装置；
测量分析模块能够测量土壤作用和导管作用，将得到的测量信号进行存储；
所述土壤模拟模块包括至少一对拉伸弹簧(3)、竖直支架(7)；
拉伸弹簧(3)的一端连接导管模拟模块，拉伸弹簧(3)的另一端通过测量分析模块的单分力仪(9)与竖直支架(7)连接，竖直支架(7)的一端与外部档流模块的盖板(1)连接，竖直支架(7)的另一端与底部支撑模块相连，且与底部支撑模块的支撑方向平行；
竖直支架(7)上设置有螺纹孔，所述螺纹孔能够调节拉伸弹簧(3)的张力大小。
2.根据权利要求1所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述外部档流模块包括盖板(1)、侧面档流板(2)；
盖板(1)的下表面与侧面档流板(2)紧密连接，盖板(1)与侧面档流板(2)形成容纳空间，所述容纳空间与外部的流场隔离；
盖板(1)上开设有第一孔，所述第一孔为导管模拟模块提供连接通道。
3.根据权利要求1所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述导管模拟模块包括导管(8)、球铰(6)；
导管(8)从外部伸入试验模拟装置的内部，导管(8)伸入试验模拟装置的内部的一端与球铰(6)的一端相连接，球铰(6)的另一端与测量分析模块的三分力仪(5)相连接。
4.根据权利要求1所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述底部支撑模块包括底部支架(4)；
底部支架(4)上至少设置有一个第二孔，所述第二孔能够固定土壤模拟模块；
底部支架(4)能够固定导管模拟模块。
5.根据权利要求1所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述测量分析模块包括三分力仪(5)、单分力仪(9)；
三分力仪(5)与导管模拟模块连接，能够测量导管作用；
单分力仪(9)与土壤模拟模块连接，能够测量土壤作用。
6.根据权利要求1所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述土壤模拟模块从四个方向上设置有拉伸弹簧(3)，每个方向上并联两个拉伸弹簧(3)，拉伸弹簧(3)通过挂钩分别与导管模拟模块和竖直支架(7)相连接，拉伸弹簧(3)与竖直支架(7)相连接的一端能够通过螺丝调节挂钩的位置。
7.根据权利要求6所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述螺丝是细调螺丝(10)，所述拉伸弹簧(3)的末端与测量分析模块的单分力仪(9)相连。
8.根据权利要求3所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述导管(8)是实心金属管。
9.根据权利要求4所述的导管土壤系统的试验模拟装置，其特征在于，所述底部支架(4)采用十字形支架，底部支架(4)的支架臂上设置有至少两个螺丝孔，所述螺丝孔能够调节土壤模拟模块的竖直支架(7)的位置。
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