CN111089697A - 一种柱体涡激振动试验装置 - Google Patents

Abstract

一种柱体涡激振动试验装置，包括固定架、弹性支撑装置和实验柱体，固定架具有沿水流方向设置的第一组滑动轨道，弹性支撑装置包括可移动支撑杆、滚轮、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，可移动支撑杆垂直于水流方向，可移动支撑杆与滚轮相连并通过滚轮可沿第一组滑动轨道移动，第一组弹性件沿水流方向设置在固定架上，可移动支撑杆连接在第一组弹性件中间，第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与可移动支撑杆相连，第二组弹性件限位在第二组滑动轨道内，实验柱体通过第二组弹性件与可移动支撑杆相连。使用该试验装置，能够使柱体涡激振动试验的工况设置更为灵活，从而降低试验成本；同时可提高试验结果的准确性。

Description

一种柱体涡激振动试验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程中的柱体模型试验及流固耦合试验技术，特别是一种柱体涡激振动试验装置。

背景技术

随着经济的发展，能耗的加大，我国对能源的探索转向了深海。在海洋油气资源的开发中，各种设备都离不开不同类型的柱体，如组成海洋管缆和其他连接部件的圆柱体。当各类非流线型柱体置于海流中，会产生尾涡，尾涡频率在一定范围内时，会引起管件的振动，这种现象叫做涡激振动。振动会导致管件破坏，造成经济损失和环境污染。涡激振动的研究方法通常有数值模拟和模型试验两种。当需要模拟更深水和更实际的海况时，数值模拟需要耗费大量的计算资源，因此模型试验成为一种适用且可靠的研究方法。目前的涡激振动试验装置已由单自由度振动转向双自由度振动，但仍有待改进。中国专利文献CN102331332A公开了一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动装置，其主要缺陷是：1)系统刚度(弹簧型号、个数等)的调节不够灵活；2)整个装置置于水中后架子阻力较大，影响圆柱体的振动。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷中的至少一种，提供一种柱体涡激振动试验装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柱体涡激振动试验装置，包括固定架、弹性支撑装置和实验柱体，所述固定架具有沿水流方向设置的第一组滑动轨道，所述弹性支撑装置包括可移动支撑杆、滚轮、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，所述可移动支撑杆垂直于水流方向，所述可移动支撑杆与所述滚轮相连并通过所述滚轮可沿所述第一组滑动轨道移动，所述第一组弹性件沿水流方向设置在所述固定架上，所述可移动支撑杆连接在所述第一组弹性件中间，所述第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与所述可移动支撑杆相连，所述第二组弹性件限位在所述第二组滑动轨道内，所述实验柱体通过所述第二组弹性件与所述可移动支撑杆相连。

进一步地：

所述固定架包括位于顶部的矩形框架和位于所述矩形框架下的支撑件，所述矩形框架包括沿水流方向设置的两根纵梁和垂直于水流方向设置的两根横梁，所述两根纵梁和所述两根横梁连接成矩形，所述两根纵梁的内侧沿水流方向设置有凹槽，所述滚轮设置在所述凹槽内，由所述凹槽形成所述第一组滑动轨道，所述两根横梁的内侧分别与所述第一组弹性件的两端相连；所述支撑件用于放置于所述水槽或水池上，起支撑作用。

所述两根纵梁在所述凹槽上贯通开设有若干小孔，用于安装限制所述滚轮的移动自由度的限位件，优选为销钉。

所述两根横梁的内侧设置有细长条形体，所述细长条形体上开设若干小孔，用于连接一个或多个弹性件。

所述可移动支撑杆为圆柱体，所述圆柱体的两端分别轴向连接一个所述滚轮。

所述第二组滑动轨道为槽口处带有内拐角的U形断面槽，所述第二组弹性件限位在所述U形断面槽内。

还包括一组牵拉杆件，所述牵拉杆件的一端连接所述第二组弹性件，所述牵拉杆件的另一端连接所述实验柱体，优选地，所述牵拉杆件的外部包有流线型外壳。

所述牵拉杆件的移动范围包括所述第二组滑动轨道的至少一段，所述第二组滑动轨道上贯通开设有若干小孔，用于安装限制所述牵拉杆件在竖直垂直于水流方向的移动自由度的限位件。

所述第一组弹性件和/或所述第二组弹性件为弹簧。

优选地，还包括用于对实验柱体的振动进行数据采集的数据采集装置；更优选地，所述数据采集装置包括：设置在所述第一组弹性件和/或所述第二组弹性件的一端的加速度传感器，用于对振动进行实时测量；和/或，设置在所述实验柱体上的压力传感器，用于测量动水压力。

所述固定架固定于有水流流动的水槽或水池上，或者，所述固定架由驱动机构带动沿水槽或水池移动。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种柱体涡激振动试验装置，通过采用上述技术方案中固定架、弹性支撑装置和实验柱体的设计，能够通过弹性支撑装置的弹性件灵活调节试验系统刚度，降低成本，提高效率；有利于减少在实验柱体振动过程中不必要的干扰阻力，能够提高柱体涡激振动试验结果的准确性。与传统技术相比，本发明实施例的优势具体体现在如下方面：

1)本发明实施例中只有实验柱体和必要的杆件伸入水中，通过杆件和滚轮的滚动摩擦有效减小了系统中不必要的阻力，从而提高试验精度；

2)本发明实施例对实验柱体的振动自由度可控，即柱体可以不振动，或仅顺流向振动，或仅横流向(铅锤方向)振动，或顺流向和横流向(铅锤方向)一起振动。

3)本发明实施例可以方便地调节弹性件(如弹簧)的初始状态，通过调节弹性件的型号、长度和个数等，来调节系统刚度，达到降低成本，提高试验效率的效果。

附图说明

图1表示本发明实施例的柱体涡激振动试验装置基本结构示意图。

图2a表示本发明实施例中的弹性支撑装置的正视图。

图2b表示本发明实施例中的弹性支撑装置的仰视图。

图3a表示本发明实施例中的实验柱体及其配套杆件详图。

图3b表示本发明实施例中的实验柱体及其配套杆件仰视图。

图4表示实施例中的弹簧与固定架杆件的连接详图。

图5表示实施例中的固定架中部分轨道和杆件详图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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发明实施例和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

需要注意的是，本文中所称的组，并不表示组中的单元的个数一定大于1个。

参阅图1至图5，本发明实施例提出一种柱体涡激振动试验装置。图1表示本发明一种实施例的柱体涡激振动试验装置基本结构示意图，该试验装置包括固定架1、弹性支撑装置2和实验柱体3-3，所述固定架1具有沿水流方向设置的第一组滑动轨道，所述弹性支撑装置2包括可移动支撑杆(例如圆柱体2-1)、滚轮2-5、第二组滑动轨道(例如滑动轨道2-2)、第一组弹性件(例如顺流向弹簧2-3)和第二组弹性件(例如垂直流向弹簧2-4)，所述可移动支撑杆垂直于水流方向，所述可移动支撑杆与所述滚轮2-5相连并通过所述滚轮2-5可沿所述第一组滑动轨道移动，所述第一组弹性件沿水流方向设置在所述固定架1上，所述可移动支撑杆连接在所述第一组弹性件中间，所述第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与所述可移动支撑杆相连，所述第二组弹性件限位在所述第二组滑动轨道内，所述实验柱体3-3通过所述第二组弹性件与所述可移动支撑杆相连。

在不同的实施例中，所述实验柱体3-3既可以是如图1至图5所示平行于所述可移动支撑杆，也可以是沿竖直方向设置与所述第二组弹性件连接，后者可实现测量竖直实验柱体在水流中的振动。

参阅图1，在优选的实施例中，所述固定架1包括位于顶部的矩形框架和位于所述矩形框架下的支撑件，所述矩形框架包括沿水流方向设置的两根纵梁(例如梁1-1、1-3)和垂直于水流方向设置的两根横梁(例如梁1-2、1-4)，所述两根纵梁和所述两根横梁连接成矩形，所述两根纵梁的内侧沿水流方向设置有凹槽，所述滚轮2-5设置在所述凹槽内，由所述凹槽形成所述第一组滑动轨道，所述两根横梁的内侧分别与所述第一组弹性件的两端相连。所述支撑件用于放置于所述水槽或水池上，起支撑作用。

在更优选的实施例中，所述固定架1由所述矩形框架和所述支撑件构成一个长方体框架。所述长方体框架除了顶部的矩形框架之外的杆件用于将整套装置放置于水槽或水池上，起支撑作用，杆件优选为但不限定于方形截面杆件。

参阅图1和图5，在进一步优选的实施例中，所述两根纵梁在所述凹槽上贯通开设有若干小孔，用于安装限制所述滚轮2-5的移动自由度的限位件。在一些实施例中，所述限位件可以为销钉。

参阅图1和图4，在进一步优选的实施例中，所述两根横梁的内侧设置有细长条形体，所述细长条形体上开设若干小孔，用于连接一个或多个弹性件。

参阅图1至图2b，在优选的实施例中，所述可移动支撑杆为圆柱体2-1，所述圆柱体2-1的两端分别轴向连接一个所述滚轮2-5。

参阅图2b，在进一步优选的实施例中，滑动轨道2-2为槽口处带有内拐角的U形断面槽，所述第二组弹性件限位在所述U形断面槽内。

参阅图1、图3a和图3b，在优选的实施例中，所述柱体涡激振动试验装置还包括一组牵拉杆件3-1，所述牵拉杆件3-1的一端连接所述第二组弹性件，所述牵拉杆件3-1的另一端连接所述实验柱体3-3。

在更优选的实施例中，所述牵拉杆件3-1的外部包有流线型外壳，通过流线型外壳可以减小结构在水中的阻力。

在优选的实施例中，所述牵拉杆件3-1的移动范围包括所述第二组滑动轨道的至少一段，所述第二组滑动轨道上贯通开设有若干小孔，用于安装限制所述牵拉杆件3-1在竖直垂直于水流方向的移动自由度的限位件。

在优选的实施例中，所述第一组弹性件和所述第二组弹性件分别为顺流向弹簧2-3和垂直流向弹簧2-4。

在一些实施例中，所述柱体涡激振动试验装置还包括用于对实验柱体的振动进行数据采集的数据采集装置。应理解，本申请要求保护的柱体涡激振动试验装置是一种试验装置，而并不限定为是包含了数据采集装置的试验装置。

在一些实施例中，所述数据采集装置包括设置在所述第一组弹性件和/或所述第二组弹性件的一端的加速度传感器，用于对振动进行实时测量。

在一些实施例中，所述数据采集装置包括设置在所述实验柱体3-3上的压力传感器，用于测量动水压力。

在一些实施例中，所述固定架1固定于有水流流动的水槽或水池上。在另一些实施例中，所述固定架1可由驱动机构(未图示)带动沿水槽或水池移动，此时水槽或水池内的水可以是静止的。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。

该涡激振动试验装置包括：固定架1、弹性支撑装置2(包括滑动轨道、弹簧)、实验柱体3-3及其他配套装置和数据采集装置4。

所述固定架为由12根横梁1-1、1-2、1-3、1-4、1-9、1-10、1-11、1-12和竖杆1-5、1-6、1-7、1-8组成的对称矩形框架。固定架水平放置于玻璃水槽或水池边壁上方，使下方待实验柱体3-3水平置于来流中(水流方向垂直于柱体轴线)。其中最上端四根梁中，沿着水流方向(顺流向)的两根梁1-1、1-3为对称的槽型断面，供滚轮在其中滚动；且梁的外侧面开若干小孔，通过销钉固定滚轮，从而限制实验柱体3-3在顺流向的自由度；另外垂直于水流方向(横流向)的两根梁1-2、1-4上焊接有细长条形体，其上打若干孔，供弹簧挂钩挂不同型号和数量的弹簧，从而调节系统刚度。

所述弹性支撑装置2包括圆柱体2-1、两端对称分布的滚轮2-5、滑动轨道2-2、顺流向弹簧2-3和垂直流向弹簧2-4。其中圆柱体2-1与滚轮2-5的轴轴向连接，圆柱2-1被弹簧2-3拉向不同位置时会带动滚轮2-5滚动，实现振动柱体在顺流向的振动；所述滑动轨道2-2的断面类似U形槽，如图2b所示，槽口带有拐角，以防止弹簧2-4在振动过程中弹出；两根滑动轨道2-2的外侧面分布若干小孔，通过销钉限制实验柱体3-3在横流向的振动；所述的弹簧包括水平面的顺流向若干弹簧2-3以及铅锤方向的两根垂直流向弹簧2-4，顺流向弹簧2-3一端连接弹性支撑圆柱2-1，另一端连接固定架1-2，垂直流向弹簧2-4一端连接弹性支撑架2-1，另一端连接实验柱体3-3的牵拉杆件3-1。

所述实验柱体及其配套装置3包括待实验柱体3-3及其牵拉杆件3-1。牵拉杆件3-1一端连接滑动轨道2-2中的弹簧2-4，另一端连接实验柱体3-3，从而实现在横流向的振动。牵拉杆件3-1为实心杆件外包对称的流线型铁皮3-2，通过铁皮包裹浸在水中的杆件，以达到减小结构在水中阻力的目的。

当在滑动轨道上1-1、1-3、2-2使用销钉时，可以限制顺流向或横流向或两个方向的振动自由度；不使用销钉时，柱体3-3在两个方向振动。

所述装置可以在弹簧2-3、2-4一端布置加速度传感器，对振动进行实时测量；可以在待测柱体3-3上安装针式微型压力传感器，用于测量动水压力。

在另一些实施例中，滑动轨道2-2可以只有一个，放置于弹性支撑圆柱2-1正中间，下方连接竖直实验柱体，从而可以测量竖直实验柱体的振动。

所述试验装置可以置于有水流流动的水槽或水池中，水动而固定架不动，也可以用拖车带动固定架移动，固定架动而水不动，两种方式均实现圆柱和水流的相对运动。

实施例的柱体涡激振动试验装置可以灵活地调节系统刚度，即弹簧的型号、个数，从而降低试验成本，提高试验效率；而且这种新型的装置置于水中后，除了试验柱体之外的部分，阻力较小，得到的结果更为准确。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种柱体涡激振动试验装置，其特征在于，包括固定架、弹性支撑装置和实验柱体，所述固定架具有沿水流方向设置的第一组滑动轨道，所述弹性支撑装置包括可移动支撑杆、滚轮、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，所述可移动支撑杆垂直于水流方向，所述可移动支撑杆与所述滚轮相连并通过所述滚轮可沿所述第一组滑动轨道移动，所述第一组弹性件沿水流方向设置在所述固定架上，所述可移动支撑杆连接在所述第一组弹性件中间，所述第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与所述可移动支撑杆相连，所述第二组弹性件限位在所述第二组滑动轨道内，所述实验柱体通过所述第二组弹性件与所述可移动支撑杆相连。

2.如权利要求1所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述固定架包括位于顶部的矩形框架和位于所述矩形框架下的支撑件，所述矩形框架包括沿水流方向设置的两根纵梁和垂直于水流方向设置的两根横梁，所述两根纵梁和所述两根横梁连接成矩形，所述两根纵梁的内侧沿水流方向设置有凹槽，所述滚轮设置在所述凹槽内，由所述凹槽形成所述第一组滑动轨道，所述两根横梁的内侧分别与所述第一组弹性件的两端相连，所述支撑件用于放置于所述水槽或水池上，起支撑作用。

3.如权利要求2所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述两根纵梁在所述凹槽上贯通开设有若干小孔，用于安装限制所述滚轮的移动自由度的限位件，优选为销钉。

4.如权利要求2或3所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述两根横梁的内侧设置有细长条形体，所述细长条形体上开设若干小孔，用于连接一个或多个弹性件。

5.如权利要求1至4任一项所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述可移动支撑杆为圆柱体，所述圆柱体的两端分别轴向连接一个所述滚轮。

6.如权利要求1至5任一项所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述第二组滑动轨道为槽口处带有内拐角的U形断面槽，所述第二组弹性件限位在所述U形断面槽内。

7.如权利要求1至6任一项所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，还包括一组牵拉杆件，所述牵拉杆件的一端连接所述第二组弹性件，所述牵拉杆件的另一端连接所述实验柱体，优选地，所述牵拉杆件的外部包有流线型外壳。

8.如权利要求7所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述牵拉杆件的移动范围包括所述第二组滑动轨道的至少一段，所述第二组滑动轨道上贯通开设有若干小孔，用于安装限制所述牵拉杆件在竖直垂直于水流方向的移动自由度的限位件。

9.如权利要求1至8任一项所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，优选地，还包括用于对实验柱体的振动进行数据采集的数据采集装置；更优选地，所述数据采集装置包括：设置在所述第一组弹性件和/或所述第二组弹性件的一端的加速度传感器，用于对振动进行实时测量；和/或，设置在所述实验柱体上的压力传感器，用于测量动水压力。

10.如权利要求1至9任一项所述的柱体涡激振动试验装置，其特征在于，所述固定架固定于有水流流动的水槽或水池上，或者，所述固定架由驱动机构带动沿水槽或水池移动。

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