CN111982461B - 一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置 - Google Patents

一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，该装置主要包括连接支撑系统、采集与控制系统、三自由度驱动系统。连接支撑系统中的油气管柱刚性体受到流体作用力，称重传感器和扭力传感器将流体作用力信息传入采集与控制系统，采集与控制系统根据虚拟设定的质量、阻尼、刚度等参数，开展海洋油气管柱刚性体动力学仿真，并根据动力学仿真结果控制三自由度驱动系统驱动油气管柱刚性体运动。本发明融合数值仿真法与水槽试验法，数值仿真法实现刚性体结构参数的可调可控，水槽试验法可快速测试刚性体的流体载荷，进而快速实现不同参数下的海洋油气管柱刚性体流固耦合试验，为海洋油气管柱流固耦合研究提供重要支撑。

Description

一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置
技术领域
本发明涉及一种管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，尤其是一种用于海洋油气管柱刚性体领域的流固耦合半物理仿真试验装置。
背景技术
海洋油气管柱是连接海面平台海底井口的关键装备，当海流流经海洋油气管柱时，海水会在油气管柱后方产生漩涡释放，释放的漩涡引起油气管柱的振动，反过来油气管柱的振动又影响漩涡脱落，形成复杂的流固耦合现象。海洋油气管柱作为大变形非线性柔性体，其流固耦合问题十分复杂，为了逐步简化开展海洋油气管柱流固耦合研究，一般先取一段海洋油气管柱作为刚性体，开展海洋油气管柱刚性体与海水之间的流固耦合研究，作为海洋油气管柱柔性体流固耦合研究的基础。海洋油气管柱刚性体的流固耦合研究方法主要包括数值仿真法和水槽试验法，采用数值仿真法时可以任意控制刚性体的质量、刚度、阻尼等参数，但流场分析效率低，水槽试验法的优缺点恰好与数值仿真法相反。为了集成数值仿真法和水槽试验法的优点，提出一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，通过数值仿真模拟刚性体在不同质量、刚度和阻尼下的响应，实现了参数可调可控；通过水槽试验直接测试刚性体在海水中的响应，实现了流场分析的快速性；进而可快速实现不同参数下的海洋油气管柱刚性体流固耦合仿真与试验测试，为海洋油气管柱刚性体流固耦合研究提供重要支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种流体与固体耦合作用时能模拟固体运动的半物理仿真试验装置。
一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于：它包含三自由度驱动系统，连接支撑系统，采集与控制系统。
所述三自由度驱动系统包含电机、电机座、夹持件、工字型二轴滑台，可以实现沿X轴、Y轴以及绕Z轴转动的运动，所述X轴、Y轴、Z轴为三维空间坐标轴，所述电机共三个，分别为电机X、电机Y、电机RZ，所述工字型二轴滑台分为滑台X、滑台Y，所述滑台X和所述滑台Y均包含导轨、丝杠、丝杠滑块、支撑座、轴承端板、联轴器、底座，所述电机X与所述滑台X上的所述轴承端板通过螺钉固定，所述电机X的电机轴通过所述滑台X上的所述联轴器与所述丝杠连接，驱动所述连接支撑系统沿所述X轴的直线运动，所述电机Y与所述滑台Y上的所述轴承端板通过螺钉固定，所述电机Y的电机轴通过所述滑台Y上的所述联轴器与所述丝杠连接，驱动所述连接支撑系统沿所述Y轴的直线运动，所述电机RZ与所述电机座通过螺钉固定，所述电机座通过螺钉与所述滑台Y上的所述支撑座通过螺钉固定，所述电机RZ的电机轴与所述锥形防振架上部通过所述夹持件连接，驱动所述连接支撑系统绕所述Z轴的旋转运动。
所述连接支撑系统包含锥形防振架、承载板、夹紧套、环形滚珠运动件、定位架、连接管柱，所述锥形防振架下端与所述承载板一侧通过焊接固定，所述承载板另一侧与所述定位架通过螺钉连接固定，所述承载板中间有一通孔，所述通孔的直径大于所述连接管柱外径，所述连接管柱从所述承载板中间的所述通孔穿过，所述环形滚珠运动件穿过所述连接管柱，在所述承载板两侧各放置一个所述环形滚珠运动件，由所述环形滚珠运动件的滚珠与所述承载板接触，所述夹紧套有两个，穿过所述连接管柱并分别与两个所述环形滚珠运动件焊接在一起，所述夹紧套夹紧所述连接管柱。
所述采集与控制系统包含采集与控制软件、安装块、称重传感器、滚珠导轨、扭力传感器、油气管柱刚性体，所述安装块穿过所述连接管柱并通过过盈配合实现固定，所述称重传感器有两个，所述安装块为正方体，在所述安装块上任意选取两个相邻侧面，在所述安装块侧面的中心位置通过螺纹连接所述安装块和所述称重传感器，所述称重传感器的另一侧通过螺纹连接与所述滚珠导轨上的滑块固定，所述滚珠导轨与所述定位架通过螺钉固定，所述扭力传感器与所述连接管柱下端通过螺钉固定，所述油气管柱刚性体通过螺钉与所述扭力传感器另一侧固定。所述称重传感器和所述扭力传感器测得信号后传入所述采集与控制软件，经过处理后，控制所述三自由度驱动系统运动。
所述锥形防振架为四棱锥结构，具有良好的稳定性。
所述定位架两连接端为三角形结构，增加稳定性。
所述电机为直流伺服电机。
所述称重传感器为S型称重传感器。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用半物理仿真试验方法，通过采集与控制系统，可以实时并任意改变流固耦合仿真试验中油气管柱刚性体的质量、刚度、阻尼等参数。2、本发明的连接支撑系统可以实现将任一垂直于所述油气管柱刚性体轴向的力分解为相互垂直的两个分力，并能比较精确地测得。3、本发明装置有三个自由度，可以模拟固体在流体中三个方向的运动。4、本发明可以实现自动化，在无人操作时可以长时间运行。本发明结构简单，连接快速，可靠性高，装配简便，自适应强，可广泛用于各种流固耦合实验研究中。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2和图3为本发明实现油气管柱刚性体二维自由运动的结构示意图。
图4为本发明中分解任一垂直于油气管柱刚性体轴向的力的结构示意图。
图中，1.导轨，2.丝杠滑块，3.直流伺服电机，4.联轴器，5.丝杠，6.电机座，7.支撑座，8.夹持件，9.底座，10.轴承端板，11.锥形防振架，12.承载板，13.安装块，14.扭力传感器，15.油气管柱刚性体，16.连接管柱，17.定位架，18.S型称重传感器，19.滚珠导轨，20.环形滚珠运动件，21.夹紧套。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，承载板12上有一个比连接管柱16大的通孔，连接管柱16从中间穿过，夹紧套21与起支撑作用的环形滚珠运动件20通过焊接固连，固连后的夹紧套21与环形滚珠运动件20穿过连接管柱16，在承载板12两侧都放置固连后的夹紧套21与环形滚珠运动件20，环形滚珠运动件20的滚珠与承载板12接触，夹紧套21夹紧连接管柱16，从而实现油气管柱刚性体15的二维自由运动。
如图1、图4所示，安装块13为正方体，连接管柱16与安装块13通过过盈配合固连，在安装块13两相邻侧面的中间位置通过螺纹连接与两个S型称重传感器18的一侧对应固定，S型称重传感器18的另一侧与滚珠导轨19通过螺纹连接固定，滚珠导轨19与定位架17通过螺钉固定，定位架17与承载板12通过螺钉固定，起到保持位置的作用。由于滚珠导轨19可以认为只能承受垂直于滑块滑动方向的力，当油气管柱刚性体15受到垂直于轴向的力时，可以分解为两个相互垂直的分力，由S型称重传感器18测得；扭力传感器14与连接管柱16下端、油气管柱刚性体15上端通过螺钉固连，测量引起油气管柱刚性体15周向旋转的力。
如图1所示，导轨1、丝杠滑块2、直流伺服电机3、联轴器4、丝杠5、电机座6、支撑座7、夹持件8、底座9、轴承端板10组成三自由度驱动系统，其中导轨1有六个，丝杠滑块2有两个，联轴器4有两个，丝杠5有两根，支撑座7有三个，底座9有三个，轴承端板10有六个，上述零件组成工字型二轴滑台。工字型二轴滑台分为滑台X、滑台Y。直流伺服电机3有三个，分别为电机X、电机Y、电机RZ，电机X与滑台X上的轴承端板10通过螺钉固定，电机X的电机轴通过联轴器4与丝杠5连接，驱动X方向的直线运动，电机Y与滑台Y上的轴承端板10通过螺钉固定，电机Y的电机轴通过联轴器4与丝杠5连接，驱动Y方向的直线运动，电机RZ与电机座6通过螺钉固定，电机座6通过螺钉与滑台Y上的支撑座7通过螺钉固定，电机RZ的电机轴与锥形防振架11上部通过夹持件8连接，驱动旋转运动。锥形防振架11与承载板12通过焊接固定。三自由度驱动系统可以根据采集控制系统发出的指令驱动测试管柱运动。
本发明方法的有益效果是：提出了一种管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，通过采集控制系统测量流体与油气管柱刚性体的相互作用力，并按照一定的算法进行处理，控制三自由度驱动系统驱动测试管柱运动，装置具有三个自由度，可以模拟测试管柱在流场中的三个运动的状态。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于：它包含三自由度驱动系统，连接支撑系统，采集与控制系统；
所述三自由度驱动系统包含电机、电机座、夹持件、工字型二轴滑台，可以实现沿X轴、Y轴以及绕Z轴转动的运动，所述X轴、Y轴、Z轴为三维空间坐标轴，所述电机共三个，分别为电机X、电机Y、电机RZ，所述工字型二轴滑台分为滑台X、滑台Y，所述滑台X和所述滑台Y均包含导轨、丝杠、丝杠滑块、支撑座、轴承端板、联轴器、底座，所述电机X与所述滑台X上的所述轴承端板通过螺钉固定，所述电机X的电机轴通过所述滑台X上的所述联轴器与所述丝杠连接，驱动所述连接支撑系统沿所述X轴的直线运动，所述电机Y与所述滑台Y上的所述轴承端板通过螺钉固定，所述电机Y的电机轴通过所述滑台Y上的所述联轴器与所述丝杠连接，驱动所述连接支撑系统沿所述Y轴的直线运动，所述电机RZ与所述电机座通过螺钉固定，所述电机座通过螺钉与所述滑台Y上的所述支撑座通过螺钉固定，所述电机RZ的电机轴与锥形防振架上部通过所述夹持件连接，驱动所述连接支撑系统绕所述Z轴的旋转运动；
所述连接支撑系统包含锥形防振架、承载板、夹紧套、环形滚珠运动件、定位架、连接管柱，所述锥形防振架下端与所述承载板一侧通过焊接固定，所述承载板另一侧与所述定位架通过螺钉连接固定，所述承载板中间有一通孔，所述通孔的直径大于所述连接管柱外径，所述连接管柱从所述承载板中间的所述通孔穿过，所述环形滚珠运动件穿过所述连接管柱，在所述承载板两侧各放置一个所述环形滚珠运动件，由所述环形滚珠运动件的滚珠与所述承载板接触，所述夹紧套有两个，穿过所述连接管柱并分别与两个所述环形滚珠运动件焊接在一起，所述夹紧套夹紧所述连接管柱；
所述采集与控制系统包含采集与控制软件、安装块、称重传感器、滚珠导轨、扭力传感器、油气管柱刚性体，所述安装块穿过所述连接管柱并通过过盈配合实现固定，所述称重传感器有两个，所述安装块为正方体，在所述安装块上任意选取两个相邻侧面，在所述安装块侧面的中心位置通过螺纹连接所述安装块和所述称重传感器，所述称重传感器的另一侧通过螺纹连接与所述滚珠导轨上的滑块固定，所述滚珠导轨与所述定位架通过螺钉固定，所述扭力传感器与所述连接管柱下端通过螺钉固定，所述油气管柱刚性体通过螺钉与所述扭力传感器另一侧固定，所述称重传感器和所述扭力传感器测得信号后传入所述采集与控制软件，经过处理后，控制所述三自由度驱动系统运动。
2.根据权利要求1所述一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于，所述锥形防振架为四棱锥结构，具有良好的稳定性。
3.根据权利要求1所述一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于，所述定位架的两连接端为三角形结构，增加稳定性。
4.根据权利要求1所述一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于，所述电机为直流伺服电机。
5.根据权利要求1所述一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于，所述称重传感器为S型称重传感器。
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