CN110823510B

CN110823510B - 一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置

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Publication number: CN110823510B
Application number: CN201911080992.2A
Authority: CN
Inventors: 康庄; 马传震; 张橙; 李少杰
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: CN110823510A

Abstract

本发明属于自由站立式立管试验技术领域，具体涉及一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置。本发明通过顶部运动模块设定立管顶部激励的幅值和频率，通过预张力调节装置设定立管顶部的张力，通过顶部多管相对位置调节模块和底部多管相对位置调节模块设定立管之间的间距，以此实现模拟真实海洋环境中立管和顶部浮体的连接状态。本发明可根据实验的需要，设定外部条件参数，通过立管周围的电阻应变计和测量分析模块采集到立管各观测点的应变信息，经过进一步的数据处理，即可得到立管的振动位移、频率和模态等相关信息。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。

Description

一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置

技术领域

本发明属于自由站立式立管试验技术领域，具体涉及一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置。

背景技术

随着社会进步，经济的迅猛发展，人类对化石能源的需求与日俱增。为了满足经济发展的需要和解决近年来陆上常规资源枯竭导致的能源危机，人们在开发新能源的同时，将油气勘探开发延伸向深海。

我国70％海洋油气资源藏于深海，其中南海所藏石油和天然气资源占据了相当大的份额。但是截止2016年底，我国在南海开发依然止步于浅水区，千米深的深水区油气资源开发依然很少。

自由站立式混合立管(Free Standing Hybrid Riser,FSHR)适合深水开采，其综合刚性和柔性立管优势，具备快速解脱和再连接能力，对浮式平台运动性能要求低(即对锚泊定位精度要求低)，对铺管要求低，可以通过浮式钻井装置安装，受风、波、流等外环境影响小，这些优点使得自由站立式混合立管适合中国南海海域，并特别适合浮式生产储运系统模式。因此，发展自由站立式混合立管适合中国国情，具有重要理论和应用价值。

自由站立式立管是一个运动形式复杂的刚柔耦合多体系统，对于管线顶部，受浮力筒涡激运动主导的动态边界条件影响，对于其管线系统，其受到洋流的作用会发生涡激振动(vortex-induced vibration，简称VIV)现象。因此，基于模型试验探究动态边界耦合效应对立管涡激振动的影响规律，将是一项兼具理论与实际意义的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供能模拟均匀流作用下立管动态边界条件下的涡激振动，并研究其响应特性的一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：包括实验装置框架模块、顶部运动模块、顶部多管相对位置调节模块、底部多管相对位置调节模块、测量分析模块和立管；所述的实验装置框架模块包括顶部框架和底部框架，顶部框架与底部框架之间通过支撑框架连接；所述的顶部框架上设有横流向滑动轨道；所述的顶部运动模块包括顺流向滑动轨道和牵引机构；所述的顺流向滑动轨道安装于横流向滑动轨道上方；所述的牵引机构包括顺流向牵引机构和横流向牵引机构；所述的顶部多管相对位置调节模块包括顶部顺流向运动滑块和预张力调节装置；所述的顶部顺流向运动滑块安装在顺流向滑动轨道上；所述的顺流向牵引机构与顶部顺流向运动滑块连接；所述的横流向牵引机构与顺流向滑动轨道连接；所述的顶部顺流向运动滑块上开设有滑槽；所述的预张力调节装置安装于顶部顺流向运动滑块上的滑槽中；所述的底部多管相对位置调节模块包括底部安装板和底部顺流向运动滑块；所述的底部安装板设置在底部框架上；所述的底部安装板上开设有滑槽；所述的底部顺流向运动滑块安装在底部安装板上的滑槽中；所述的立管上端通过连接机构与预张力调节装置连接；立管下端通过连接机构与底部顺流向运动滑块连接；所述的立管上端与预张力调节装置连接处设有拉力传感器；所述的立管表面均匀布置有电阻应变计。

本发明还可以包括：

所述的预张力调节装置包括张紧器、调节螺杆及底部连接件；所述的张紧器包括张紧器底板和张紧器顶板，张紧器底板和张紧器顶板之间通过弹簧连接；所述的张紧器底板设置在顶部顺流向运动滑块上的滑槽上方；所述的调节螺杆的下端穿过张紧器顶板，伸入到弹簧内侧；所述的底部连接件上端与调节螺杆下端连接，底部连接件下端穿过张紧器底板与顶部顺流向运动滑块，并通过连接机构与立管上端连接。

所述的连接立管上端与底部连接件下端的连接机构包括连接片、连接管和第一万向节；所述的连接片安装于底部连接件的下端；所述的第一万向节安装在立管的上端；所述的拉力传感器的上端与连接片连接；所述的连接管的上端与拉力传感器的下端连接，连接管的下端与第一万向节连接。

所述的连接立管下端与底部顺流向运动滑块的连接机构包括第二万向节和连接杆；所述的第二万向节安装在立管的下端；所述的连接杆一端与第二万向节连接，另一端安装在底部顺流向运动滑块上。

本发明的有益效果在于：

本发明通过顶部运动模块设定立管顶部激励的幅值和频率，通过预张力调节装置设定立管顶部的张力，通过顶部多管相对位置调节模块和底部多管相对位置调节模块设定立管之间的间距，以此实现模拟真实海洋环境中立管和顶部浮体的连接状态。本发明可根据实验的需要，设定外部条件参数，通过立管周围的电阻应变计和测量分析模块采集到立管各观测点的应变信息，经过进一步的数据处理，即可得到立管的振动位移、频率和模态等相关信息。本发明灵活性高，通过预张力调节模块和拉力传感器的配合，可实现对立管预张力的精准控制和调节，以实现根据实际工况进行调整。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。

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示意图。

图3是本发明实验装置的底部结构示意图。

图4是本发明的顶部运动模块示意图。

图5是本发明的顶部多管相对位置调节模块示意图。

图6是本发明的预张力调节装置示意图。

图7是本发明的立管顶部连接机构示意图。

图8a是本发明的立管的示意图。

图8b是本发明的立管的俯视图。

图9是本发明的立管底部连接机构示意图。

图10是本发明的底部多管相对位置调节模块示意图。

图11是本发明的立管底部与底部多管相对位置调节模块组合示意图。

图12是本发明的实验装置框架模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的目的是提供一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置，其能模拟均匀流作用下立管动态边界条件下的涡激振动，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。本发明用于研究单根或多根深海立管在动态边界条件下的涡激振动响应。

如图1和图2所示，一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置，包括顶部运动模块1、顶部多管相对位置调节模块2、立管顶部调节模块3、深海立管模块4、立管底部调节模块5、底部多管相对位置调节模块6、实验装置框架模块7和测量分析模块8.

实验装置框架模块7如图12所示，包括顶部框架和底部框架32，顶部框架与底部框架32之间通过支撑框架31连接。如图4所示，顶部框架上设有横流向滑动轨道13。顶部运动模块1包括顺流向滑动轨道9和牵引机构14，顺流向滑动轨道9安装于横流向滑动轨道13上方。牵引机构14包括顺流向牵引机构和横流向牵引机构。顶部多管相对位置调节模块2包括顶部顺流向运动滑块12和预张力调节装置17，顶部顺流向运动滑块12安装在顺流向滑动轨道9上，顺流向牵引机构与顶部顺流向运动滑块12连接，横流向牵引机构与顺流向滑动轨道9连接。如图5和图6所示，顶部顺流向运动滑块12上开设有滑槽。预张力调节装置17包括张紧器19、调节螺杆18及底部连接件20，张紧器包括张紧器底板16和张紧器顶板，张紧器底板16和张紧器顶板之间通过弹簧连接。张紧器底板16设置在顶部顺流向运动滑块上12的滑槽上方，调节螺杆18的下端穿过张紧器顶板，伸入到弹簧内侧并与底部连接件20的上端连接。如图7所示，立管顶部调节模块3包括连接片21、连接管23和第一万向节24。底部连接件20下端穿过张紧器底板16与顶部顺流向运动滑块12，底部连接件20下端安装有连接片21。第一万向节24安装在立管25的上端，拉力传感器22的上端与连接片21连接，拉力传感器22的下端与连接管23的上端连接，连接管23的下端与第一万向节24连接。如图9所示，立管底部调节模块5包括第二万向节27和连接杆28。立管25的下端安装有第二万向节27，第二万向节27的下端与连接杆28连接，连接杆28下端插入到底部顺流向运动滑块29中。如图10和图11所示，底部多管相对位置调节模块6包括底部安装板30和底部顺流向运动滑块29。底部安装板30设置在底部框架32上，底部安装板30上开设有滑槽。底部顺流向运动滑块29安装在底部安装板30上的滑槽中。如图8b所示，立管表面均匀布置有电阻应变计26。

本发明结构简单，试验过程中工况改变快速、方便，灵活性高，操作简易，测量精准，能够真实模拟立管在均匀流场、动态边界条件下涡激振动响应。

实施例1：

一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置，该装置包括顶部运动模块、顶部多管相对位置调节模块、深海立管顶部调节模块、深海立管模块、底部多管相对位置调节模块、深海立管顶部调节模块、实验装置框架模块和测量分析模块。顶部运动模块包括顺流向滑动轨道、横流向滑动轨道、传送带10、水平滑块、连接板和动力组件，水平滑块与传送带连接；传送带通过动力组件带动水平滑块在顺流向滑动轨道和横流向滑动轨道上滑动；顺流向滑动轨道通过连接板与横流向滑动轨道连接。

顶部多管相对位置调节模块包括带孔方板、方孔滑块和预张力调节装置，带孔方板上设置有一个长槽和若干螺纹孔，带孔方板通过板两边的螺纹孔与水平滑块连接，长槽设置在带孔方板中心线上，长槽两边的螺纹孔呈线性排列，方孔滑块通过长槽两边的螺纹孔与带孔方板长槽配合连接，预张力调节装置与方孔滑块连接。

预张力调节装置包括张紧器调节螺杆、张紧器和张紧器底部连接件，张紧器调节螺杆一端与张紧器底部连接件连接，张紧器调节螺杆另一端通过螺母与张紧器一端连接；张紧器另一端通过张紧器底部连接件与立管端部调节模块连接。

深海立管顶部调节模块包括拉力传感器、万向节、连接片和连接管；万向节分别与连接管和深海立管模块顶部连接；拉力传感器分别与连接管和连接片连接；连接片通过螺栓与张紧器底部连接件底部连接。

深海立管模块包括一根或多根立管和若干电阻应变计；电阻应变计均匀布置在立管表面；立管两端分别与深海立管顶部调节模块和深海立管顶部调节模块连接。

深海立管顶部调节模块包括万向节、连接杆；万向节分别与立管模块底部和连接杆一端连接；连接杆另一端通过螺母与圆孔滑块连接。

底部多管相对位置调节模块包括带孔矩形板、圆孔滑块，带孔矩形板上设置有一个长槽和若干螺纹孔；带孔矩形板通过板两侧的螺纹孔与实验装置框架模块连接；长槽设置在带孔矩形板中心线上，长槽两边的螺纹孔呈线性排列；圆孔滑块通过长槽两边的螺纹孔与带孔矩形板长槽配合连接。

实验装置框架模块包括主体框架和横撑；实验装置框架模块通过螺栓与横撑连接。

测量分析模块包括数据采集处理器、运动控制器和显示器；数据采集器用于采集立管系统中各传感器的数据；运动控制器用于控制动力组件的运动；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，更能够模拟实际的工作立管涡激振动响应情况；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拉力传感器的配合，可实现对立管预张力的精准控制和调节，以实现根据实际工况进行调整。

具体实验过程，在水池外将实验装置的各模块按照要求装配完成，在实验室的吊车配合工作下，将实验装置固定在水池水面上的航车底部，使其随航车一起运动。通过改变航车速度，制造相对来流速度；通过顶部运动模块设定立管顶部激励的幅值和频率；通过预张力调节装置设定立管顶部的张力；通过顶部多管相对位置调节模块和底部多管相对位置调节模块设定立管之间的间距，以此实现模拟真实海洋环境中立管和顶部浮体的连接状态。根据实验的需要，设定外部条件参数，通过立管周围的电阻应变计和测量分析模块可以采集到立管各观测点的应变信息，经过进一步的数据处理，即可得到立管的振动位移、频率和模态等相关信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置，其特征在于：包括实验装置框架模块（7）、顶部运动模块（1）、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（6）、测量分析模块（8）和立管（25）；所述的实验装置框架模块（7）包括顶部框架和底部框架（32），顶部框架与底部框架（32）之间通过支撑框架（31）连接；所述的顶部框架上设有横流向滑动轨道（13）；所述的顶部运动模块（1）包括顺流向滑动轨道（9）和牵引机构（14）；所述的顺流向滑动轨道（9）安装于横流向滑动轨道（13）上方；所述的牵引机构（14）包括顺流向牵引机构和横流向牵引机构；所述的顶部多管相对位置调节模块（2）包括顶部顺流向运动滑块（12）和预张力调节装置（17）；所述的顶部顺流向运动滑块（12）安装在顺流向滑动轨道（9）上；所述的顺流向牵引机构与顶部顺流向运动滑块（12）连接；所述的横流向牵引机构与顺流向滑动轨道（9）连接；所述的顶部顺流向运动滑块（12）上开设有滑槽；所述的预张力调节装置（17）安装于顶部顺流向运动滑块（12）上的滑槽中；所述的底部多管相对位置调节模块（6）包括底部安装板（30）和底部顺流向运动滑块（29）；所述的底部安装板（30）设置在底部框架（32）上；所述的底部安装板（30）上开设有滑槽；所述的底部顺流向运动滑块（29）安装在底部安装板（30）上的滑槽中；所述的立管（25）上端通过连接机构与预张力调节装置（17）连接；立管（25）下端通过连接机构与底部顺流向运动滑块（29）连接；所述的立管（25）上端与预张力调节装置（17）连接处设有拉力传感器（22）；所述的立管（25）表面均匀布置有电阻应变计（26）；所述的预张力调节装置（17）包括张紧器（19）、调节螺杆（18）及底部连接件（20）；所述的张紧器（19）包括张紧器底板（16）和张紧器顶板，张紧器底板（16）和张紧器顶板之间通过弹簧连接；所述的张紧器底板（16）设置在顶部顺流向运动滑块（12）上的滑槽上方；所述的调节螺杆（18）的下端穿过张紧器顶板，伸入到弹簧内侧；所述的底部连接件（20）上端与调节螺杆（18）下端连接，底部连接件（20）下端穿过张紧器底板（16）与顶部顺流向运动滑块（12），并通过连接机构与立管（25）上端连接；

实验装置整体固定在位于水池水面上的航车底部，随航车一起运动；通过改变航车速度，制造相对来流速度；通过顶部运动模块（1）设定立管（25）顶部激励的幅值和频率，通过预张力调节装置（17）设定立管（25）顶部的张力，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（6）设定立管（25）之间的间距，实现模拟真实海洋环境中立管（25）和顶部浮体的连接状态；根据实验的需要，设定外部条件参数，通过立管（25）周围的电阻应变计（26）和测量分析模块（8）采集到立管（25）各观测点的应变信息，经过进一步的数据处理，得到立管（25）的振动位移、频率和模态信息。

2.根据权利要求1所述的一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置，其特征在于：所述的连接立管（25）上端与底部连接件（20）下端的连接机构包括连接片（21）、连接管（23）和第一万向节（24）；所述的连接片（21）安装于底部连接件（20）的下端；所述的第一万向节（24）安装在立管（25）的上端；所述的拉力传感器（22）的上端与连接片（21）连接；所述的连接管（23）的上端与拉力传感器（22）的下端连接，连接管（23）的下端与第一万向节（24）连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置，其特征在于：所述的连接立管（25）下端与底部顺流向运动滑块（29）的连接机构包括第二万向节（27）和连接杆（28）；所述的第二万向节（27）安装在立管（25）的下端；所述的连接杆（28）一端与第二万向节（27）连接，另一端安装在底部顺流向运动滑块（29）上。