CN111121858A - 悬索管桥模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬索管桥模拟实验装置及实验方法，该悬索管桥模拟实验装置包括：悬索管桥模型，悬索管桥模型包括模拟管道和支撑模拟管道的模拟支撑机构；介质供给系统，介质供给系统的两侧分别与模拟管道的首端和尾端连通，介质供给系统包括介质存储箱，介质存储箱内部具有存储空间，存储空间用于存储介质，以对模拟管道供给介质，介质存储箱由透明材料制成；数据采集系统，数据采集系统包括多个传感器，多个传感器连接在悬索管桥模型上，以采集悬索管桥模型的应变数据、位移数据以及温度数据。整个实验过程无需去实际悬索管桥的现场进行，省去了大量的人工成本，既避免了施工危险，也避免了只通过有限元软件仿真模拟造成的实验数据偏差较大的问题。

Description

悬索管桥模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及悬索管桥实验设备技术领域，具体而言，涉及一种悬索管桥模拟实验装置及实验方法。

背景技术

悬索管桥通常跨越在山谷、河流之上，这类地形较为凶险、环境比较恶劣，是油气管道检验检测中的盲点，容易发生事故，不仅会影响油气正常输送，还会造成环境破坏，后果严重。为了避免悬索管桥失效，需要研究悬索管桥在各种工况下的失效机理，以便提前预防，及时维修。

目前对悬索管桥的研究主要通过有限元软件仿真模拟和在实际管桥上进行数据测试两种技术手段。有限元软件仿真模拟将悬索管桥各部分结构进行简化，将受载情况和边界条件进行假设，在计算机中模拟悬索管桥在不同工况下的响应情况；在实际管桥上进行数据测试，即在真实的悬索管桥上布置数据采集装置，测试管桥自身状况。

有限元软件仿真模拟方法，由于在建模过程中存在大量简化和假设，不能反映悬索管桥的真实情况，因此模拟得到数据并不准确，与实际数据误差较大；在实际管桥上进行数据测试的方法，只能在特定时间做特定工况的测试，无法做到各种工况的测试，而且存在测试现场环境复杂，操作困难，测试成本极高的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种悬索管桥模拟实验装置及实验方法，以解决现有技术中的悬索管桥模拟实验装置测试准确度低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种悬索管桥模拟实验装置，该悬索管桥模拟实验装置包括：悬索管桥模型，悬索管桥模型包括模拟管道和支撑模拟管道的模拟支撑机构；介质供给系统，介质供给系统的两侧分别与模拟管道的首端和尾端连通，介质供给系统包括介质存储箱，介质存储箱内部具有存储空间，存储空间用于存储介质，以对模拟管道供给介质，介质存储箱由透明材料制成；数据采集系统，数据采集系统包括多个传感器，多个传感器连接在悬索管桥模型上，以采集悬索管桥模型的应变数据、位移数据以及温度数据。

进一步地，数据采集系统包括：应变传感器，应变传感器设置在模拟管道和/或模拟支撑机构上，以采集悬索管桥模型的应变数据；位移传感器，位移传感器设置在模拟管道和/或模拟支撑机构上，以采集悬索管桥模型的位移数据；温度传感器，温度传感器设置在模拟管道和/或模拟支撑机构上，以采集悬索管桥模型的温度数据。

进一步地，数据采集系统还包括数据采集仪，应变传感器、位移传感器及温度传感器均与数据采集仪电连接。

进一步地，介质供给系统包括：供给管路，供给管路的第一端与存储空间连通，供给管路的第二端与模拟管道的首端连通；回流管路，回流管路的第一端与模拟管道的尾端连通，回流管路的第二端与存储空间连通；泵送装置，泵送装置设置在供给管路上，以泵送介质流动。

进一步地，介质供给系统还包括：流量计，流量计设置在供给管路上，并位于泵送装置和模拟管道的首端之间；压力计，压力计设置在回流管路上，并位于压力计设置在模拟管道的尾端和介质存储箱之间。

进一步地，介质供给系统还包括：节流阀，节流阀设置在供给管路上，并位于泵送装置和流量计之间；截止阀，截止阀设置在回流管路上，并位于压力计和介质存储箱之间。

进一步地，悬索管桥模拟实验装置还包括：外部环境模拟装置，外部环境模拟装置架设在悬索管桥模型上，外部环境模拟装置上设置有温度模拟装置及风力模拟装置，以模拟温度及风力。

进一步地，温度模拟装置包括换热机构，换热机构具有制冷端和放热端，制冷端设置在外部环境模拟装置的内部，放热端设置在外部环境模拟装置的外部。

进一步地，风力模拟装置包括风机，风机设置在外部环境模拟装置的内部，风机的风力可调。

根据本发明的另一方面，提供了一种悬索管桥模拟实验方法，悬索管桥模拟实验方法使用上述悬索管桥模拟实验装置，方法包括：布置测点步骤：模拟管道上以预定距离间隔设置有多个测点，多个测点以模拟管道的长度方向的中垂线为对称轴对称，多个传感器一一对应地安装在多个测点处；设定介质流量及内压步骤：根据实际悬索管桥正常运行工况下管道内的原油输量和运行压力，按照动力相似比计算得到模拟管道的介质流量和内压；开启介质供给系统步骤：以介质流量和内压为介质提供动力；采集测试数据步骤：待介质流量和内压稳定后，开启数据采集系统，对多个测点进行数据测点。

应用本发明的技术方案，由于本发明的悬索管桥模拟实验装置包括悬索管桥模型、介质供给系统和数据采集系统，包括模拟管道和支撑模拟管道的模拟支撑机构，介质供给系统的两侧分别与悬索管桥模型的模拟管道的首端和尾端连通，多个传感器连接在悬索管桥上，已采集悬索管桥模型的应变数据、位移数据以及温度数据，整个实验过程无需去实际悬索管桥的现场进行，省去了大量的人工成本，既避免了施工危险，也避免了只通过有限元软件仿真模拟造成的实验数据偏差较大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性示出了本发明的悬索管桥模拟实验装置的实施例的结构简图；

图2示意性示出了本发明的模拟管道不同位置的应变变化曲线。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、悬索管桥模型；20、数据采集仪；30、介质存储箱；31、供给管路；32、回流管路；33、泵送装置；34、流量计；35、压力计；36、节流阀；37、截止阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术中记载的，目前对悬索管桥的研究主要通过有限元软件仿真模拟和在实际管桥上进行数据测试两种技术手段。有限元软件仿真模拟将悬索管桥各部分结构进行简化，将受载情况和边界条件进行假设，在计算中模拟悬索管桥在不同工况下的响应情况；在实际管桥上进行数据测试，即在真实的悬索管桥上布置数据采集装置，测试管桥自身状况。

有限元软件仿真模拟方法，由于在建模过程中存在大量简化和假设，不能反映悬索管桥的真实情况，因此模拟得到数据并不准确，与实际数据误差较大；在实际管桥上进行数据测试的方法，只能在特定时间做特定工况的测试，无法做到各种工况的测试，而且存在测试现场环境复杂，操作困难，测试成本极高的问题。

为了解决上述问题，参加图1所示，本发明提供了一种悬索桥模拟实验平台，该悬索桥模拟试验平台包括悬索管桥模型10、介质供给系统和数据采集系统，其中，悬索管桥模型10包括模拟管道和支撑模拟管道的模拟支撑机构；介质供给系统的两侧分别与模拟管道的首端和尾端连通，介质供给系统包括介质存储箱，介质存储箱30内部具有存储空间，存储空间用于存储介质，以对模拟管道供给介质，介质存储箱30由透明材料制成，以便于工作人员对介质存储箱30内部的介质存量及状态进行观测，一旦介质存量减少，即可判断出介质供给系统的管路出现堵塞，及时停止工作；数据采集系统包括多个传感器，多个传感器连接在悬索管桥模型10上，以采集悬索管桥模型10的应变数据、位移数据以及温度数据。整个实验过程无需去实际悬索管桥的现场进行，省去了大量的人工成本，既避免了施工危险，也避免了只通过有限元软件仿真模拟造成的实验数据偏差较大的问题。其中，模拟支撑结构包括主索、吊索、塔架和水泥基础，主索安装在塔架上，吊索悬挂在主索上，塔架安装在水泥基础上，模拟管道被吊索吊挂，均按照现场实际的悬索管桥等比例缩小、用相似的力学材料仿制而成。

具体来说，本实施例中的数据采集系统包括应变传感器、位移传感器和温度传感器，其中，应变传感器设置在模拟管道和/或模拟支撑机构上，以采集悬索管桥模型10的应变数据；位移传感器设置在模拟管道和/或模拟支撑机构上，以采集悬索管桥模型10的位移数据；温度传感器设置在模拟管道和/或模拟支撑机构上，以采集悬索管桥模型10的温度数据，当然，本实施例中的传感器也可包括其他形式的传感器，如湿度传感器等，只要是能够辅助得出悬索管桥模型的工作状况及结构状况的传感器均可。

为了对上述传感器采集到的数据进行采集及分析处理，本实施例中的数据采集系统还包括：数据采集仪20，应变传感器、位移传感器及温度传感器均与数据采集仪20电连接。

参见图1所示，本实施例中的介质供给系统包括供给管路31、回流管路32以及泵送装置33，其中，供给管路31的第一端与存储空间连通，供给管路31的第二端与模拟管道的首端连通；回流管路32的第一端与模拟管道的尾端连通，回流管路32的第二端与存储空间连通；泵送装置33设置在供给管路31上，以泵送介质流动。进行实验时，工作人员将泵送装置打开，对介质进行泵送，使介质从介质存储箱中流出，经过供给管路到达模拟管道，并经过模拟管道，最终通过回流管路流至介质存储箱中。优选地，本实施例中的供给管路和回流管路采用柔性软管，节流阀和流量计之间采用刚性透明管连接，方便观察介质流动状态。

为了方便工作人员对模拟管道内的介质的流量及压力进行监控，便于对介质的流量及压力进行调节，本实施例中的介质供给系统还包括流量计34、压力计35，流量计34设置在供给管路31上，并位于泵送装置33和模拟管道的首端之间；压力计35设置在回流管路32上，并位于压力计35设置在模拟管道的尾端和介质存储箱30之间。

具体来说，本实施例中的介质供给系统还包括节流阀36和截止阀37，其中，节流阀36设置在供给管路31上，并位于泵送装置33和流量计34之间；截止阀37设置在回流管路32上，并位于压力计35和介质存储箱30之间，节流阀用于调节实验过程中介质流量和介质压力的大小。

为了更加准确地模拟外部环境，使得到的数据更加真实，本实施例中的悬索管桥模拟实验装置还包括外部环境模拟装置，外部环境模拟装置架设在悬索管桥模型10上，外部环境模拟装置上设置有温度模拟装置及风力模拟装置，以模拟温度及风力。本实施例中的温度模拟装置包括换热机构，换热机构具有制冷端和放热端，制冷端设置在外部环境模拟装置的内部，放热端设置在外部环境模拟装置的外部，其工作原理与空调的工作远离相同。本实施例中的风力模拟装置包括风机，风机设置在外部环境模拟装置的内部，风机的风力可调。本实施例中的风机设置在制冷端与外部环境模拟装置的内壁之间，并能够朝向悬索管桥模型10吹风。优选地，本实施例中的外部环境模拟装置为箱体结构，以形成相对密闭的环境，保证换热机构及风力模拟装置的模拟效果。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种悬索管桥模拟实验方法，该方法使用上述悬索管桥模拟实验装置，该方法包括布置测点步骤、设定介质流量及内压步骤、开启介质供给系统步骤和采集测试数据步骤，模拟管道上以预定距离间隔设置有多个测点，多个测点以模拟管道的长度方向的中垂线为对称轴对称，其中，模拟管道的长度方向的中垂线即为模拟管道的中心，多个传感器一一对应地安装在多个测点处；根据实际悬索管桥正常运行工况下管道内的原油输量和运行压力，按照动力相似比计算得到模拟管道的介质流量和内压；以介质流量和内压为介质提供动力；待介质流量和内压稳定后，开启数据采集系统，对多个测点进行数据测点。

下面对本发明的实际应用作具体介绍，某悬索管桥跨径270mm，塔高20m，输送原油介质。管道规格为Φ323.9×7.9mm，设计压力6.4MPa，运行压力4.6MPa，材质为X60。塔架为钢结构，立柱为16Mn无缝钢管、水平腹杆采用20号无缝钢管、其余腹杆为Q235A角钢。主索和吊索采用三层Z形钢丝的密封式厚镀锌钢丝绳、面涂Galfan涂料、大气环境下，在30年内不会锈蚀，主索直径Φ66mm，吊索直径Φ16mm。水泥基础采用现浇钢筋砼重力式结构。利用悬索管桥模拟实验装置进行模拟实验测试，按照如下步骤操作：根据实际要测试的悬索管桥尺寸、输送管道的材质和规格、塔架的材质和结构、主索的材质和规格、吊索的材质和规格、水泥基础的体积和强度，按照几何和动力相似比计算出相似模拟实验的悬索管桥尺寸、模拟管道的管径与壁厚、塔架所用材料的规格、主索的直径、吊索的直径、水泥基础的体积和强度；本实施例中实际尺寸和实验尺寸采用的相似比为8:1，因此悬索管桥模型跨度34m、模拟管道直径40mm、塔架高2.5m、主索直径为Φ8mm、吊索直径Φ2mm，如表1所示。

表1实际悬索管桥和悬索管桥模型对比表

根据计算出的数据搭建悬索管桥模型，各部分结构按照实际悬索管桥的连接方式进行连接；由于悬索管桥主要承受拉、压载荷，很少受到扭转载荷的作用，所以选择在模拟管道上方轴向布置应变传感器，测试输送管道的应变情况；由于管桥结构的对称性，从管道的中点开始向流向方向每隔2m选取一个测点，共9个测点；以管道中间点位为原点，沿着介质流向方向为正，逆流向方向为负；连接介质循环系统和数据测试系统；

根据试验所需悬索管桥工况下管道内的原油输量和运行压力，按照动力相似比计算实验平台中的输送管道的介质流量和内压；开启介质供给系统，调试实验工况，待流量和压力稳定后，开启数据采集系统，采集测试数据进行分析。

通过以上实验步骤，得到悬索管桥模型在正常运行工况下输送管道不同位置的应变数据如表2所示，输送管道不同位置的应变变化曲线如图2所示。

表2正常运行工况下输送管道不同位置的应变数据

测点位置	0m位置	2m位置	4m位置	6m位置	8m位置	10m位置	12m位置	14m位置	16m位置
										应变με	49.43	38.43	20.86	-8.67	-31.62	-21.62	-0.76	51.14	144.05

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

由于本发明的悬索管桥模拟实验装置包括悬索管桥模型、介质供给系统和数据采集系统，包括模拟管道和支撑模拟管道的模拟支撑机构，介质供给系统的两侧分别与悬索管桥模型的模拟管道的首端和尾端连通，多个传感器连接在悬索管桥上，已采集悬索管桥模型的应变数据、位移数据以及温度数据，整个实验过程无需去实际悬索管桥的现场进行，省去了大量的人工成本，也避免了施工危险，也避免了只通过有限元软件仿真模拟造成的实验数据偏差较大的问题。

应该指出，上述详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。将容易理解的是，如本文一般所描述的及附图所图示说明的，本公开的方面可以在广泛种类的不同的配置中被编排、代替、组合、分开以及设计，所有这些在本文被明确地考虑。

根据本申请所描述的特定实施方案的本公开将不受限制，其被意图作为各种方面的图示说明。如对本领域技术人员将是清晰的那样，在不脱离本公开的精神和范围下可以作许多修改和变更。在本公开范围内，功能上等同的方法和设备，除了本文所列举的那些之外，从前述说明书来看对本领域技术人员将是清晰的。这样的修改和变更意图落入所附权利要求书的范围内。本公开将仅由所附权利要求书的条款以及这样的权利要求所给予权利的等同物的全部范围限制。将理解的是，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组成或生物系统，其当然可以变化。也将理解的是，本文所使用的术语仅是出于描述特定的实施方案的目的，而并非意图是限制性的。

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 (10)

1.一种悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，包括：

悬索管桥模型(10)，所述悬索管桥模型(10)包括模拟管道和支撑所述模拟管道的模拟支撑机构；

介质供给系统，所述介质供给系统的两侧分别与所述模拟管道的首端和尾端连通，所述介质供给系统包括介质存储箱，所述介质存储箱(30)内部具有存储空间，所述存储空间用于存储介质，以对所述模拟管道供给介质，所述介质存储箱(30)由透明材料制成；

数据采集系统，所述数据采集系统包括多个传感器，多个所述传感器连接在所述悬索管桥模型(10)上，以采集所述悬索管桥模型(10)的应变数据、位移数据以及温度数据。

2.根据权利要求1所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括：

应变传感器，所述应变传感器设置在所述模拟管道和/或所述模拟支撑机构上，以采集所述悬索管桥模型(10)的应变数据；

位移传感器，所述位移传感器设置在所述模拟管道和/或所述模拟支撑机构上，以采集所述悬索管桥模型(10)的位移数据；

温度传感器，所述温度传感器设置在所述模拟管道和/或所述模拟支撑机构上，以采集所述悬索管桥模型(10)的温度数据。

3.根据权利要求2所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集系统还包括：

数据采集仪(20)，所述应变传感器、所述位移传感器及所述温度传感器均与所述数据采集仪(20)电连接。

4.根据权利要求1所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述介质供给系统包括：

供给管路(31)，所述供给管路(31)的第一端与所述存储空间连通，所述供给管路(31)的第二端与所述模拟管道的首端连通；

回流管路(32)，所述回流管路(32)的第一端与所述模拟管道的尾端连通，所述回流管路(32)的第二端与所述存储空间连通；

泵送装置(33)，所述泵送装置(33)设置在所述供给管路(31)上，以泵送所述介质流动。

5.根据权利要求4所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述介质供给系统还包括：

流量计(34)，所述流量计(34)设置在所述供给管路(31)上，并位于所述泵送装置(33)和所述模拟管道的首端之间；

压力计(35)，所述压力计(35)设置在所述回流管路(32)上，并位于所述压力计(35)设置在所述模拟管道的尾端和所述介质存储箱(30)之间。

6.根据权利要求5所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述介质供给系统还包括：

节流阀(36)，所述节流阀(36)设置在所述供给管路(31)上，并位于所述泵送装置(33)和所述流量计(34)之间；

截止阀(37)，所述截止阀(37)设置在所述回流管路(32)上，并位于所述压力计(35)和所述介质存储箱(30)之间。

7.根据权利要求1所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述悬索管桥模拟实验装置还包括：

外部环境模拟装置，所述外部环境模拟装置扣设在所述悬索管桥模型(10)上，所述外部环境模拟装置上设置有温度模拟装置及风力模拟装置，以模拟温度及风力。

8.根据权利要求7所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述温度模拟装置包括换热机构，所述换热机构具有制冷端和放热端，所述制冷端设置在所述外部环境模拟装置的内部，所述放热端设置在所述外部环境模拟装置的外部。

9.根据权利要求7所述的悬索管桥模拟实验装置，其特征在于，所述风力模拟装置包括风机，所述风机设置在所述外部环境模拟装置的内部，所述风机的风力可调。

10.一种悬索管桥模拟实验方法，其特征在于，所述悬索管桥模拟实验方法使用悬索管桥模拟实验装置，所述悬索管桥模拟实验装置为权利要求1至9中任一项所述的悬索管桥模拟实验装置，所述方法包括：

布置测点步骤：所述模拟管道上以预定距离间隔设置有多个测点，多个所述测点以所述模拟管道的长度方向的中垂线为对称轴对称，多个所述传感器一一对应地安装在多个所述测点处；

设定介质流量及内压步骤：根据试验所需悬索管桥工况下管道内的原油输量和运行压力，按照动力相似比计算得到所述模拟管道的介质流量和内压；

开启介质供给系统步骤：以所述介质流量和所述内压为所述介质提供动力；

采集测试数据步骤：待所述介质流量和所述内压稳定后，开启所述数据采集系统，对多个所述测点进行数据测点。

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