CN110823492B - 悬浮管体激励试验的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮管体激励试验的试验装置及试验方法，试验装置包括悬浮管体模型以及位于模型一侧的敲击装置；模型包括第一结构件和第三结构件，第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，第三结构件套设于第一结构件上，用于提供模型的外形；敲击装置包括支架，支架上设有导轨以及能够沿着导轨滑动的冲击锤，冲击锤与导轨之间还连接有弹性件；还包括有测量装置，测量装置能够对敲击时间、敲击荷载和管体位移姿态参数进行测量；试验方法包括制作悬浮管体模型；安装悬浮管体模型；安装敲击装置；布置各种测量装置；注水至试验水深；利用定位销将冲击锤固定至指定位置；松开定位销，冲击锤敲击模型；采集敲击过程中测量装置的测量值，并进行分析。

Description

悬浮管体激励试验的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及物理模型试验技术领域，特别涉及一种悬浮管体激励试验的试验装置及试验方法。

背景技术

准确测定水中悬浮管体的自振频率和阻尼对研究其运动机理有重要意义，现有的激励试验大多仅局限于数值模拟，少数为物理模型试验，物理模型试验采用的方法包括敲击法、共振法和脉动法，共振法需要较为庞大的起振机设备，运输不方便；而脉动法对仪器的灵敏度有较高的要求，需大量的样本数据，采集时间一般不少于15分钟，跨径较大，所需时间较长，虽对识别自振频率较为有效，但对阻尼比的直接识别效果较差。敲击法与其他方法相比，对环境噪声的包容度较高，试验过程不容易受影响，操作相对简便。

但采用敲击法进行物理模型试验，也存在试验精度不高的问题，主要体现在：

(1)选用的悬浮管体模型不能准确反映原型的弹性，大多仅采用一个较短的模型进行模拟，在模型误差较大的情况下进行激励试验，不能真实反映悬浮管体整体的运动参数；

(2)现有敲击装置在敲击完成后不能和模型快速分离，严重干扰了试验结果；

(3)现有敲击装置不能得到冲击荷载数值大小、冲击时间等关键数据，无法建立冲击荷载和模型运动参数之间的关系。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种悬浮管体激励试验的试验装置及试验方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种悬浮管体激励试验的试验装置，包括悬浮管体模型以及位于所述模型一侧的敲击装置；

所述模型包括第一结构件和第三结构件，所述第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，所述第三结构件套设于所述第一结构件上，所述第三结构件用于提供模型的外形；

所述敲击装置包括支架，所述支架上设有导轨以及能够沿着所述导轨滑动的冲击锤，所述冲击锤与所述导轨之间还连接有弹性件；

还包括有测量装置，所述测量装置能够对敲击时间、敲击荷载和管体位移姿态参数进行测量。

本发明所述的悬浮管体激励试验的试验装置，在悬浮管体模型的制作上，同时考虑了几何相似、质量相似和刚度相似，更加符合悬浮管体的实际情况，从而有助于得到更加准确的试验结果，真实反映悬浮管体整体的运动参数，且通过不同的结构件来满足不同的相似准则，既能够降低对模型材料的要求，又便于对模型的各种相似性进行分别调节，从而有助于降低设计难度；通过设置导轨和冲击锤，可以实现沿着既定路线的多次重复试验，满足试验的定量和可重复性；通过设置弹性件，可以在完成敲击之后，快速将冲击锤和模型分离，减小冲击锤对试验结果的影响；最后通过设置测量装置，可以对冲击荷载、冲击时间进行准确测量，可以建立冲击荷载和模型运动参数之间的关系。

第一结构件用于提供悬浮管体模型的刚度，即：第一结构件的刚度与悬浮管体模型整体刚度之比达到了预设的范围，使得可以认为悬浮管体模型整体刚度基本由第一结构件提供。具体的，可以使第一结构件的刚度与悬浮管体模型整体的刚度之比不低于95％。

第三结构件用于提供悬浮管体模型的外形，即：悬浮管体模型的最大尺寸由第三结构件决定；或，在实验时，会对悬浮管体的变形产生影响的模型受水流载荷部分的最大尺寸由第三结构件决定。

优选的，所述测量装置包括安装在所述冲击锤第一端的冲击传感器，所述冲击传感器用于测量敲击时间，以及测量每个敲击时间点对应的敲击荷载大小值，可实现较为精准的测量。

优选的，所述冲击锤第二端与所述弹性件相连接，且所述冲击锤的第二端设有定位销，所述导轨上设有与所述定位销相适配的销孔。定位销的位置可随试验条件变动，通过控制定位销的位置，可定量控制冲击锤的具体位置以及敲击荷载大小，满足试验的定量和可重复性。

优选的，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的一端与所述冲击锤相连接，所述弹簧的另一端连接有挡板，所述挡板固定在所述导轨上。所述弹性件也可以是波纹管。

优选的，所述冲击锤的外形为流线型，可减少对试验精度的影响。

优选的，所述导轨包括水平导轨和竖直导轨，在水平导轨和竖直导轨上分别设置冲击锤，从而可实现水平敲击和竖直敲击。

优选的，所述导轨的位置可调，通过调整支架的高度、位置，或调整轨道在支架上的位置，可实现导轨位置的调整，从而可实现对模型不同位置的敲击。

优选的，所述支架为可移动支架，便于调整支架的位置，且可提高重复利用率。

优选的，所述支架由若干个杆件相互连接形成，相邻两个杆件之间通过球铰进行连接。支架由若干个杆件连接而成，支架为中空透水结构，可以减少对试验结果的干扰，且通过球铰可以对支架中各个杆件的位置进行调整，从而实现对导轨位置的调整。

优选的，所述第一结构件被构造为圆柱或圆管结构。优选的，所述第一结构件包括接头和至少两个管段，所述至少两个管段通过所述接头相连；所述接头的抗拉强度与所述管段的抗拉强度之差与所述管段的抗拉强度的比值小于或等于5％，或所述接头的抗弯刚度与所述管段的抗弯刚度之差与所述管段的抗弯刚度的比值小于或等于5％；两个所述管段通过所述接头连接在一起时，相邻两个所述管段的端面之间存在缝隙；所述第三结构件被构造为空心的圆柱筒结构，所述第三结构件的内表面与所述第一结构件的外表面适配。

悬浮管体的原型往往较长，因此为了更加准确地模拟原型，需要较长的模型。而长管的加工成本非常高，通过上述的管段与接头相连的方案，可以通过相对较短的管段拼接形成满足实验需求的长管，从而有助于降低实验成本。通过上述方案，两个管段通过接头连接在一起时，在管段与接头的螺纹配合段，悬浮管体模型的抗弯刚度将会被加强。但在实验时，往往更加关注相对薄弱部分，因此在相邻两个管段之间设置缝隙，在该缝隙处，第一结构件上只有接头用于提供抗弯刚度或抗拉强度，从而可以通过对接头进行等刚度或等强度设计，使接头连接处的抗拉强度或抗弯刚度也能够较好地模拟原型。所述第三结构件可采用发泡塑料制作而成，第三结构件采用材料的吸水率小于或等于3％，避免在水下实验时吸水过多影响悬浮管体模型的质量。

优选的，所述接头一端设有用于与一个管段相连的正旋螺纹，接头另一端设有用于与另一个管段相连的反旋螺纹；第一结构件还包括锁固件；所述锁固件包括至少两个防松螺母，其中一个防松螺母与其中一个所述管段相连，并与所述接头的一端的端面接触；另一个防松螺母与另一个所述管段相连，并与所述接头另一端的端面接触。通过上述的结构，在组装接头与管段时，将一个管段置于接头一端，另一个管段置于接头的另一端，向一个方向旋转接头，即可以同时连接两端的管段，便于操作。利用接头两端不同的螺纹旋向，设置两个螺母进行防松，能够有效避免接头松动的情况发生。具体的，第一结构件的材料可采用304不锈钢。

优选的，所述模型还包括拉力环，所述拉力环套设于所述第三结构件外侧，所述拉力环上设有系缆耳。在悬浮管体的实验研究中，需要通过锚索将悬浮管体锚固于水池底部或水面的浮筒上，若第三结构件采用密度较轻的材料构成，则第三结构件可能无法直接承受较大的锚固力，因此，本申请中设置拉力环，在拉力环上设置系缆耳，通过拉力环承受拉力，避免损坏第三结构件。

优选的，所述传力柱一端与所述第一结构件外表面接触，所述传力柱另一端与所述拉力环内表面接触。第三结构件包覆于第一结构件外侧，第三结构件又选用刚度较低的材料，外力难以充分施加给第一结构件，因此，在模型上设置传力柱，实验时，撞击或敲击力通过传力柱作用到第一结构件上。传力柱与第一结构件和拉力环仅仅保持接触而不连接，既能够保证外力的传递，又能够避免传力柱影响第一结构件和模型整体的抗弯刚度。

优选的，所述模型还包括第二结构件，所述第二结构件与所述第三结构件相连，所述第二结构件包括多个配重块。所述第二结构件用于调节所述模型的重力，从而满足质量相似。设有多个配置块，便于对各个配置块的位置和重量进行调整，从而能真实还原悬浮管体的原型，同时有利于开展不同浮重比下的碰撞试验。

优选的，所述第三结构件上形成与第二结构件适配的凹槽，所述第二结构件置于所述凹槽中。通过在第三结构件上设置凹槽，既可以为第二结构件的安装留出空间，又能够避免第二结构件的设置影响悬浮管体模型的整体外形尺寸。

优选的，所述配重块被构造为环状结构，所述第三结构件包括大直径环和小直径环，所述大直径环和所述小直径环在所述模型的轴向方向上分布，在所述小直径环处形成凹槽；所述小直径环的外径与所述配重块的内径适配，所述大直径环的外径与所述配重块的外径适配。通过上述的方案，安装时，各个配重块与小直径环适配，且配重环的内径与大直径环的内径相等，使得安装完成后的悬浮管体模型整体的外形呈现出圆柱形，从而较好地模拟原型。

优选的，所述配重块被构造为块状结构，在所述模型的圆周方向上，所述配重块均匀分布。

优选的，所述测量装置包括在所述第一结构件上设有的若干个应变片、加速度传感器和轴力测量装置。通过应变片测量模型的内部动态应变值，通过加速度传感器测量模型的加速度值，通过轴力测量装置测量管体轴力。

优选的，所述模型利用缆绳固定在水池中，所述测量装置包括在所述缆绳上安装有的拉力计，所述拉力计对缆绳的缆力进行测量。

优选的，所述测量装置包括在所述模型上伸出的若干个能够露出水面的测量支架，所述测量支架与所述模型固定连接，所述测量支架上设有若干个测量点，以及用于对所述测量点进行实时拍摄的摄像机。通过分析不同测量点在不同时刻的位置，分析所述模型的位移姿态，可计算出平动位移、转动位移、平动加速度和转动加速度。

本发明还公开了一种悬浮管体激励试验的试验方法，采用所述的悬浮管体激励试验的试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：制作悬浮管体模型，使得所述模型与悬浮管体原型几何相似、质量相似和刚度相似；

步骤二：安装悬浮管体模型，并布置若干个临时支架支撑所述模型，调整所述模型的轴线；

步骤三：在所述模型的一侧安装敲击装置；

步骤四：布置各种测量装置，并进行调试；

步骤五：注水至试验水深，撤去临时支架；

步骤六：给冲击锤施加力，使得冲击锤压缩弹性件，并利用定位销将冲击锤固定至指定位置；

步骤七：松开定位销，冲击锤沿着导轨滑动，并敲击所述模型；

步骤八：采集敲击过程中各个测量装置的测量值，并进行分析。

本发明所述的悬浮管体激励试验的试验方法，试验精度高，试验参数可控，且可实现重复试验。

优选的，所述步骤五和步骤六的顺序能够调换。

优选的，所述冲击锤敲击的位置包括模型长度的1/2处和1/4处，从而可激发模型发生一阶振动和二阶振动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述的悬浮管体激励试验的试验装置，在悬浮管体模型的制作上，同时考虑了几何相似、质量相似和刚度相似，更加符合悬浮管体的实际情况，从而有助于得到更加准确的试验结果，真实反映悬浮管体整体的运动参数；通过设置导轨和冲击锤，可以实现沿着既定路线的多次重复试验，满足试验的定量和可重复性；通过设置弹性件，可以在完成敲击之后，快速将冲击锤和模型分离，减小冲击锤对试验结果的影响；最后通过设置测量装置，可以对冲击荷载、冲击时间进行准确测量，可以建立冲击荷载和模型运动参数之间的关系。

本发明所述的悬浮管体激励试验的试验方法，试验精度高，试验参数可控，且可实现重复试验。

附图说明：

图1是本发明所述的一种悬浮管体激励试验的试验装置的结构示意图。

图2是本发明所述的冲击锤的安装示意图。

图3是本发明实施例1所述的模型在去掉防水层之后的结构示意图。

图4是沿图3中A-A截面的剖视图。

图5是沿图3中B-B截面的剖视图。

图6是沿图4中C-C截面的剖视图。

图7是接头与管段连接处的结构示意图。

图8是接头和防松螺母的剖视图。

图9是本发明实施例1所述的模型在包覆防水层之后的结构示意图。

图10是本发明实施例1所述的模型被沿轴线方向的平面剖开后的剖视图。

图11是图10中D部的局部放大图。

图12是本发明实施例1所述的管体位移姿态测量装置的结构示意图。

图13是本发明实施例2所述的模型在去掉防水层之后的结构示意图。

图14是沿图13中E-E截面的剖视图。

图15是本发明实施例2所述的模型被沿轴线方向的平面剖开后的剖视图。

图中标记：1-第一结构件，11-管段，12-接头，13-防松螺母，2-第二结构件， 21-配重块，3-第三结构件，31-大直径环，32-小直径环，4-拉力环，41-系缆耳， 5-传力柱，6-应变片，7-防水层，8-缆绳，9-支架，10-杆件，14-球铰，15-水平导轨，16-竖直导轨，17-挡板，18-弹簧，19-冲击锤，20-定位销，22-冲击传感器，23-垫片，24-测量支架，25-测量点，26-摄像机，27-支撑杆。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-图2所示，一种悬浮管体激励试验的试验装置，包括悬浮管体模型以及位于所述模型一侧的敲击装置，还包括有测量装置，所述测量装置能够对敲击时间、敲击荷载和管体位移姿态参数进行测量。

所述敲击装置包括可移动的支架9，所述支架9由若干个杆件10相互连接形成，相邻两个杆件10之间通过球铰14进行连接，通过球铰14可实现不同杆件10之间相对位置的调整，从而可实现支架9上导轨的位置调整；杆件10之间可交叉设置，从而可实现支架9高度的调整。

所述支架9上设有水平导轨15和竖直导轨16，所述水平导轨15和竖直导轨16上均设有流线型的冲击锤19，所述冲击锤19可沿着所述水平导轨15或竖直导轨16滑动。进一步的，所述水平导轨15和竖直导轨16上均固定有挡板17，所述挡板17上连接有弹簧18，所述弹簧18的另一端与所述冲击锤19相连接。所述冲击锤19与所述弹簧18的连接端为冲击锤的第二端，在所述击锤的第二端还设有定位销20，所述水平导轨15和竖直导轨16均上设有与所述定位销20 相适配的销孔，通过定位销20可在压缩弹簧18后，固定冲击锤19的位置。所述冲击锤19上用于敲击的一端为冲击锤的第一端，在所述冲击锤的第一端安装有冲击传感器22，所述冲击传感器22用于测量敲击时间，以及测量每个敲击时间点对应的敲击荷载大小值。

如图3-图11所示，所述模型与悬浮管体原型几何相似、质量相似和刚度相似。质量相似是指模型的质量分布与原型的质量分布之比符合相似准则，所述刚度相似指模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度之比满足弹性力相似准则。

具体的，所述模型包括第一结构件1、第二结构件2、第三结构件3、传力柱5、拉力环4、应变测量装置和防水层7。

第一结构件1用于使模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度相似。

第一结构件1包括接头12、锁固件和至少两个管段11，至少两个管段11 通过接头12相连。在本实施例中，管段11为实心圆柱结构。具体的，管段11 一端设有正旋螺纹，管段11另一端设有反旋螺纹。接头12一端设有正旋螺纹，接头12另一端设有反旋螺纹。接头12的抗弯刚度与管段11的抗弯刚度相等。在管段11通过接头12连接在一起时，相邻两个管段11之间存在缝隙。本实施例中，该缝隙的宽度为1mm。在本发明的其他实施方式中，本领域技术人员也可以根据实际情况对缝隙的宽度进行合理的选择。锁固件包括两个防松螺母13，其中一个与接头12一端的端面接触，并与该端的管段11相连；另一个置于与接头12另一端的端面接触，并与该端的管段11相连。由上述结构设置可知，两个防松螺母13的螺纹旋向是相反的，在防松螺母13与接头12抵接时，能够起到对接头12的紧固作用。

考虑到加工的误差等因素，本实施例中所提到的接头12的抗弯刚度与管段 11的抗弯刚度相等，并不是指绝对的相等，而是允许有一定的偏差。具体的，接头12的抗弯刚度的取值范围为：大于或等于管段11抗弯刚度的0.95倍，小于或等于管段11刚度的1.05倍。

本实施例中，第一结构件1采用304不锈钢制成。基于304不锈钢材料的弹性模量和原型的设计抗弯刚度，能够计算得到在抗弯刚度相似的条件下，第一结构件1应有的截面惯性矩，从而得出第一结构件1的管段11的直径。

应变测量装置包括多个应变片6，多个应变片6设置于第一结构件1上。多个应变片6在第一结构件1的轴向方向和圆周方向上均匀分布。

第二结构件2用于使模型与原型质量相似。具体的，本实施例中，第二结构件2包括多个配重块21。在本实施例中，配重块21被构造为环状结构。

第三结构件3用于使模型与原型几何相似。在本实施例中，由于第一结构件1选用材料为304不锈钢，在第一结构件1的抗弯刚度与原型的抗弯刚度相似的前提下，第一结构件1的直径远远达不到几何相似的要求，故本实施例中，设置第三结构件3用于满足模型与原型的几何相似。第三结构件3套设于第一结构件1的外侧。

由于第一结构件1上具有接头12结构，即：第一结构件1在接头12处的直径存在不均匀性，因此第三结构件3需要具有易于加工成型的特点，以适应接头12处的形状；又为了避免第三结构件3的设置对模型整体的抗弯刚度产生明显影响，第三结构件3的抗弯刚度需要小于或等于第一结构件1的抗弯刚度的5％；再考虑到实验条件为水下，需要避免第三结构件3的材料吸水过多对模型整体的重量产生影响。综上所述，在本实施例中，第三结构件3的材料选择为吸水率不高于3％的发泡塑料。

进一步的，为了满足第二结构件2的安装要求，第三结构件3这样设置：第三结构件3包括大直径环31和小直径环32。大直径环31的外径与原型的直径之比为缩尺比。小直径环32的外径与配重块21的内径适配，配重块21的外径与原型的直径之比为缩尺比。安装时，小直径环32与配重块21拼接形成一个外径与原型直径之比为缩尺比的圆环，且使配重块21在模型的轴向方向上均匀分布。大直径环31和小直径环32的数量可以设置为若干个，以满足实际的装配需要。

本实施例中所阐述的使配重块21在模型的轴向方向上均匀分布，是为了使模型的质量分布在模型的轴向方向上基本均匀。实验时，本领域技术人员可以根据实际情况，对配重块21在模型的轴向方向上的分布位置进行适当的调整或设计，而不是必须保持绝对的均匀分布。

在第三结构件3上还设有用于放置传力柱5的容置槽。该容置槽一端贯通至第三结构件3的内表面，另一端贯通至第三结构件3的外表面。传力柱5置于容置槽中。在模型的轴向方向上，拉力环4的位置与传力柱5的位置对应。传力柱5的一端与第一结构件1的表面接触，传力柱5的另一端与拉力环4的内表面接触。需要说明的是，传力柱5与第一结构件1及拉力环4仅仅保持接触，而不相连。具体的，在本实施例中，传力柱5采用304不锈钢材料制成，拉力环4采用304不锈钢材料制成。设置传力柱5，使得外力能够传递给位于中心处的第一结构件1，避免第二结构件2的设置对外力的径向传递产生的不良影响。通过设置拉力环4，主要由拉力环4承受缆绳8 的拉力，避免损坏第三结构件3。

为了便于实现拉力环4的连接，在第三结构件3的表面还设有用于连接拉力环4的环形槽。具体的，第三结构件3在环形槽处的外径等于拉力环4的内径，拉力环4的外径与原型的直径之比为缩尺比，使得模型整体的直径是均匀的。即：拉力环4的外径与大直径环31的外径相等，拉力环4的外径与本实施例中的配重块21的外径相等。拉力环4包括至少两个环瓣，至少两个环瓣可拆卸地相连，从而拼接形成拉力环4。拉力环4的外表面设有系缆耳41，系缆耳 41用于与缆绳22相连。

本实施例中，拉力环4包括两个环瓣，两个环瓣通过螺钉相连。且所述拉力环4上还设有若干个垫片23，所述垫片23所在位置即为冲击锤19的敲击位置，通过设置垫片23，可以减小局部应力集中现象。

防水层7包覆于模型的表面，从而实现模型整体的防水。具体的，防水层7 的材料可选择为具有防水能力的纺织材料，通过粘结的方式包覆于模型的表面。在系缆耳41处，通过将两张防水层7叠加粘接，以使防水层7可以绕过系缆耳 41，将系缆耳41暴露于防水层7表面，同时避免水从系缆耳41处渗入模型内部。

为了便于实验中对模型的两端施加不同的约束条件，在本实施例中，在第一结构件1的两端还可以添加额外的管段11，便于施加端部约束条件。安装时，所述模型利用缆绳8固定在水池中，且在所述缆绳8上安装有的拉力计。

所述测量装置包括在所述第一结构件1上设有的若干个应变片6、加速度传感器和轴力测量装置，以及在冲击锤的第一端安装有的冲击传感器22。

如图12所示，所述测量装置还包括管体位移姿态测量装置，所述管体位移姿态测量装置包括在所述模型上伸出的若干个能够露出水面的测量支架24，所述测量支架24与所述模型通过支撑杆27固定连接，所述测量支架24上设有若干个测量点25，以及用于对所述测量点25进行实时拍摄的摄像机26。可采用多种不同形式布置测量支架24和测量点25，具体的结构形式和原理，可参考公开号为CN110108469A的发明专利。

实施例2

如图13-15所示，本实施例与实施例的区别在于，在本实施例中，配重块 21采用块状结构。为了与配重块21的结构适配，第三结构件3不再分为大直径块和小直径块，而是直接在第三结构件3上设置凹槽，凹槽的尺寸与配重块21 的尺寸适配。进一步的，凹槽在模型的轴向方向上均匀分布，凹槽在模型的圆周方向上也均匀分布。

本实施例中，由于配重块21的结构发生了变化，第三结构件3无需再采用大直径环31和小直径环32拼接的结构，降低了组装模型的难度。

实施例3

一种悬浮管体激励试验的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：制作悬浮管体模型，使得所述模型与悬浮管体原型几何相似、质量相似和刚度相似。

本实施例提供的悬浮管体模型的组装流程为：

通过接头12连接多个管段11，组装形成第一结构件1；

在第一结构件1上粘贴应变片6；

安装第二结构件2和第三结构件3。具体的，可以根据装配的需要，在轴向上将第二结构件2分隔成多段，依次套设到第一结构件1上。在套设小直径环 32的同时，安装对应位置的配重块21；

安装传力柱5；

安装拉力环4；

包覆防水层7。

在确定第一结构件1的材料和尺寸后，需要对第一结构件1进行挠度测试，验证第一结构件1的抗弯刚度是否满足要求，对第一结构件1挠度测试包括：

将第一结构件1的一端固定，对另一端施加沿第一结构件1径向的载荷，通过挠度测试仪测量挠度，也可通过加速度测量第一结构件1的自由端上某一点的加速度，则可以得到第一结构件1的抗弯刚度。

在模型组装完成后，需要对悬浮管体模型整体进行挠度测试，验证模型整体管道的抗弯刚度是否满足要求，对悬浮管体模型整体的挠度测试包括：

将悬浮管体模型的一端固定，对另一端施加沿悬浮管体模型径向的载荷，通过挠度测试仪测量挠度，也可通过加速度测量悬浮管体模型的自由端上某一点的加速度，则可以得到悬浮管体模型的抗弯刚度。

步骤二：安装悬浮管体模型，并布置若干个临时支架支撑所述模型，调整所述模型的轴线至试验要求；

步骤三：在所述模型的一侧安装敲击装置；

步骤四：布置各种测量装置，并进行调试；

步骤五：注水至试验水深，撤去临时支架；

步骤六：手动将冲击锤19拉动至指定位置，使得冲击锤19压缩弹簧18，并利用定位销20将冲击锤19固定至指定位置；

步骤七：松开定位销20，冲击锤19沿着导轨(水平导轨15或竖直导轨16) 滑动，并敲击所述模型，所述冲击锤19敲击的位置包括模型长度的1/2处和1/4 处，所述冲击锤19的敲击位置可通过管体的轴线，也可偏离管体的轴线。冲击锤19完成敲击后，由于弹簧18的弹性变形原理，弹簧18会迅速回到初始位置，也就带动冲击锤19迅速脱离所述模型，减少对模型后续运动的影响；

步骤八：采集敲击过程中各个测量装置的测量值，并进行分析；

所述步骤五和步骤六的顺序能够调换。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，包括悬浮管体模型以及位于所述模型一侧的敲击装置；

所述模型包括第一结构件和第三结构件，所述第一结构件用于提供模型的抗弯刚度，所述第三结构件套设于所述第一结构件上，所述第三结构件用于提供模型的外形；

所述敲击装置包括支架，所述支架上设有导轨以及能够沿着所述导轨滑动的冲击锤，所述冲击锤与所述导轨之间还连接有弹性件；

还包括有测量装置，所述测量装置能够对敲击时间、敲击荷载和管体位移姿态参数进行测量；

所述第一结构件包括接头和至少两个管段，所述至少两个管段通过所述接头相连；

所述接头的抗拉强度与所述管段的抗拉强度之差与所述管段的抗拉强度的比值小于或等于5%，或所述接头的抗弯刚度与所述管段的抗弯刚度之差与所述管段的抗弯刚度的比值小于或等于5%；

两个所述管段通过所述接头连接在一起时，相邻两个所述管段的端面之间存在缝隙；

所述第三结构件被构造为空心的圆柱筒结构，所述第三结构件的内表面与所述第一结构件的外表面适配；

还包括第二结构件，所述第二结构件与所述第三结构件相连，所述第二结构件包括多个配重块；

所述测量装置包括安装在所述冲击锤第一端的冲击传感器，所述冲击传感器用于测量敲击时间，以及测量每个敲击时间点对应的敲击荷载大小值；

所述冲击锤第二端与所述弹性件相连接，且所述冲击锤的第二端设有定位销，所述导轨上设有与所述定位销相适配的销孔。

2.根据权利要求1所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的一端与所述冲击锤相连接，所述弹簧的另一端连接有挡板，所述挡板固定在所述导轨上。

3.根据权利要求1-2任一所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述冲击锤的外形为流线型。

4.根据权利要求1-2任一所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述导轨包括水平导轨和竖直导轨。

5.根据权利要求1-2任一所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述导轨的位置可调。

6.根据权利要求1-2任一所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述支架为可移动支架。

7.根据权利要求1-2任一所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述支架由若干个杆件相互连接形成，相邻两个杆件之间通过球铰进行连接。

8.根据权利要求1所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述第一结构件被构造为圆柱或圆管结构。

9.根据权利要求8所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述测量装置包括在所述第一结构件上设有的若干个应变片、加速度传感器和轴力测量装置。

10.根据权利要求1所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述模型利用缆绳固定在水池中，所述测量装置包括在所述缆绳上安装有的拉力计。

11.根据权利要求1所述的悬浮管体激励试验的试验装置，其特征在于，所述测量装置包括在所述模型上伸出的若干个能够露出水面的测量支架，所述测量支架与所述模型固定连接，所述测量支架上设有若干个测量点，以及用于对所述测量点进行实时拍摄的摄像机。

12.一种悬浮管体激励试验的试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-11任一所述的悬浮管体激励试验的试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：制作悬浮管体模型；

步骤二：安装悬浮管体模型，并布置若干个临时支架支撑所述模型，调整所述模型的轴线；

步骤三：在所述模型的一侧安装敲击装置；

步骤四：布置各种测量装置，并进行调试；

步骤五：注水至试验水深，撤去临时支架；

步骤六：给冲击锤施加力，使得冲击锤压缩弹性件，并利用定位销将冲击锤固定至指定位置；

步骤七：松开定位销，冲击锤沿着导轨滑动，并敲击所述模型；

步骤八：采集敲击过程中各个测量装置的测量值，并进行分析。

13.根据权利要求12所述的悬浮管体激励试验的试验方法，其特征在于，所述步骤五和步骤六的顺序能够调换。

14.根据权利要求12所述的悬浮管体激励试验的试验方法，其特征在于，所述冲击锤敲击的位置包括模型长度的1/2处和1/4处。

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