CN112129478A - 一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置。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。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。本发明灵活性高，通过立管顶部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。本发明能实现在循环水槽中测量均匀流和动态边界条件下柔性立管涡激振动相关参数，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、节约实验成本等优点。

Description

一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置。

背景技术

海洋平台下方的柔性立管是完成平台各项功能的重要组成部分，在洋流和海浪的作用下，柔性立管后方会产生交替泄涡使立管在垂直于流场方向上发生振动，称为涡激振动(vortex-induced vibration，简称VIV)。振动引起的结构疲劳或可能的共振除了会加速工作器件的老化外，严重的会对海洋结构物的安全造成极大的威胁。目前一些学者逐渐开始注意到，浮体运动对立管VIV的影响不可忽视，并进行了一些试验研究，但总的来说，目前相关的研究还处于初级阶段，考虑浮体运动的立管VIV现象和特性还需要进一步地研究和探讨。

从国内外研究者对此种现象的研究来看，实验研究是对理论预测模型进行验证的有效形式。目前实验装置普遍存在以下不足：1.工况相对实际情况而言十分单一，不能较好地对实际情况中的工作立管的涡激振动进行精准预测；2.实验装置的体积较大，需要在大型拖曳水池中进行实验，成本昂贵；3.实验装置安装较为不便。

发明内容

本发明的目的在于提供能够实现在循环水槽中测量均匀流和动态边界条件下柔性立管涡激振动相关参数，并研究其响应特性的一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括顶部张力调节模块、立管、底部激励模块、动力模块、实验装置框架模块和测量分析模块；所述的顶部张力调节模块包括张紧器、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；所述的张紧器底板通过固定支架安装在实验装置框架模块的顶部；所述的张紧器顶板上端设有调节螺母；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；所述的底部激励模块包括横流向滑动轨道、顺流向滑动轨道和激励幅值调节装置；所述的顺流向滑动轨道设置在实验装置框架模块底部两侧；所述的横流向滑动轨道两端分别通过水平托架与实验装置框架模块底部两侧的顺流向滑动轨道连接，在横流向滑动轨道上设有滑块；所述的激励幅值调节装置为圆盘结构，在圆盘的一条半径线上开设有一排限位孔，在圆盘下方设有活动滑道；所述的活动滑道上设有转动滑块，活动滑道两端通过传动杆与横流向滑动轨道连接；所述的活动滑道通过转动滑块与激励幅值调节装置连接，激励幅值调节装置通过改变转动滑块所在限位孔的位置改变激励幅值；所述的立管表面均匀布置有电阻应变计，立管上端通过立管顶部固定模块与底部连接件下端连接，立管下端通过立管底部固定模块与横流向滑动轨道上的滑块连接；所述的动力模块包括电机；所述的电机通过固定支架安装在实验装置框架模块的中部，电机和减速器连接；所述的减速器通过传动轴与激励幅值调节装置连接。

本发明还可以包括：

所述的立管顶部固定模块包括拉力传感器；所述的拉力传感器一端与调节螺杆下端的底部连接件连接，另一端通过连接管与第一万向节依次连接；所述的第一万向节与立管上端连接。

所述立管底部固定模块包括第二万向节；所述的第二万向节一端与立管下端连接，另一端通过连接管与横流向滑动轨道上的滑块连接。

本发明的有益效果在于：

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。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。本发明灵活性高，通过立管顶部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。本发明能实现在循环水槽中测量均匀流和动态边界条件下柔性立管涡激振动相关参数，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、节约实验成本等优点。

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是本发明的顶部张力调节模块示意图。

图5是本发明的立管顶部固定模块示意图。

图6是本发明的立管底部固定模块示意图。

图7(a)是本发明的深海立管模块的总体示意图。

图7(b)是本发明的深海立管模块的截面示意图。

图8是本发明的立管底部激励模块示意图。

图9是本发明的动力模块示意图。

图10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。

本发明涉及一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置，属于海洋工程技术领域。本发明能实现在循环水槽中测量均匀流和动态边界条件下柔性立管涡激振动相关参数，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、节约实验成本等优点。

如图1～图3所示，本发明提供了一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置，其具体是在均匀流场中，立管底部受到不同幅值和频率的激励，观测其动力响应的装置。本发明包括顶部张力调节模块1、立管顶部固定模块2、深海立管模块3、立管底部固定模块4、立管底部激励模块5、动力模块6、实验装置框架模块7、测量分析模块。

所述深海立管模块3顶部通过所述立管顶部固定模块2与顶部张力调节模块1连接；所述深海立管模块3底部通过所述立管底部固定模块4与所述立管底部激励模块5连接；所述顶部张力调节模块1通过螺栓固定在实验装置框架模块7的顶部；所述立管底部激励模块5与所述动力模块6连接，所述动力模块6为所述立管底部激励模块5提供动力；所述立管底部激励模块5的导轨固定在实验装置框架模块7；所述动力模块6固定在实验装置框架模块7。测量分析模块设置在所述实验装置框架模块7外的实验台。

如图4所示，所述顶部张力调节模块1包括张紧器调节螺杆8、调节螺母9、挡环10、张紧器11、张紧器底部连接件13和固定支架12；所述张紧器调节螺杆8一端通过所述调节螺母9和所述挡环10与所述张紧器11一端连接，通过转动调节螺母9可以实现对张力大小的调节，所述张紧器调节螺杆8另一端与所述张紧器底部连接件13连接，所述张紧器底部连接件13穿过所述张紧器11和所述固定支架12中心孔与所述立管顶部固定模块2连接，所述固定支架12固定在所述实验装置框架模块7。

如图5所示，所述立管顶部固定模块2包括拉力传感器14、连接管15、万向节16；所述万向节16分别与所述连接管15和所述深海立管模块3顶部连接；所述拉力传感器14底部与所述连接管15连接；所述拉力传感器14顶部通过螺栓与所述张紧器底部连接件13连接。

如图7(a)和图7(b)所示，所述深海立管模块3包括一根铜管17和若干电阻应变计18；所述电阻应变计18均匀布置在所述铜管17表面；所述铜管17两端分别与所述立管顶部固定模块2和所述立管底部固定模块4连接。

如图6所示，所述立管底部固定模块4包括万向节19、连接管20；所述万向节19分别与所述连接管20和所述深海立管模块3底部连接；所述连接管20与所述立管底部激励模块5中的滑块21连接。

如图8所示，所述立管底部激励模块5包括横流向滑动轨道22、顺流向滑动轨道23、滑块21、水平托架24、传动杆25、活动滑道26、转动滑块27、激励幅值调节装置28；所述顺流向滑动轨道23固定在实验装置框架模块7底部两侧；所述横流向滑动轨道22通过所述滑块21和所述水平托架24与所述顺流向滑动轨道23连接；所述传动杆25一端与所述横流向滑动轨道22连接，另一端与所述活动滑道26连接，所述活动滑道26通过所述转动滑块27与所述激励幅值调节装置28连接，所述激励幅值调节装置28与所述动力模块6中的传动轴29连接。

如图8所示，所述激励幅值调节装置28为一个特别加工的圆盘，在一条半径线上开了7个孔，通过改变转动滑块所在孔的位置，即可改变激励幅值。

如图9所示，所述动力模块6包括传动轴29、固定支架30、减速器31、电机32；所述电机32与所述减速器31连接，通过所述固定支架30固定在实验装置框架模块上，所述减速器31通过所述传动轴29将动力传递给所述立管底部激励模块5。在进行横流向激励时，将所述动力模块6移动到固定支架33即可。

如图10所示，所述实验装置框架模块7包括若干铝合金型材35、型材连接件36、螺栓37；所述若干铝合金型材35、所述型材连接件36和所述螺栓37按照图10结构模型组装成所述实验装置框架模块7。实验时，所述实验装置框架模块7的铝合金型材38固定在循环水槽框架上。

所述测量分析模块包括数据采集处理器、运动控制器和显示器；所述数据采集器用于采集所述立管系统中各传感器的数据；所述运动控制器用于控制所述动力模块；所述显示器用于实时监测实验结果。

具体实验过程，如图1所示，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，将实验装置固定在循环水槽水面上的框架上。通过设置循环水槽控制参数，制造不同水流速度；通过立管顶部张力调节模块设定立管顶部的张力；通过调节立管底部激励模块设定立管顶部激励的幅值；通过调节动力模块设定立管顶部激励的频率；以此实现模拟真实海洋环境中浮体规律运动对立管的影响。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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：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，通过立管顶部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；4.可以在循环水槽中实现模拟柔性立管在均匀流场、动态边界条件下涡激振动响应，极大节约了实验成本。

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 (3)

1.一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置，其特征在于：包括顶部张力调节模块、立管、底部激励模块、动力模块、实验装置框架模块和测量分析模块；所述的顶部张力调节模块包括张紧器、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；所述的张紧器底板通过固定支架安装在实验装置框架模块的顶部；所述的张紧器顶板上端设有调节螺母；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；所述的底部激励模块包括横流向滑动轨道、顺流向滑动轨道和激励幅值调节装置；所述的顺流向滑动轨道设置在实验装置框架模块底部两侧；所述的横流向滑动轨道两端分别通过水平托架与实验装置框架模块底部两侧的顺流向滑动轨道连接，在横流向滑动轨道上设有滑块；所述的激励幅值调节装置为圆盘结构，在圆盘的一条半径线上开设有一排限位孔，在圆盘下方设有活动滑道；所述的活动滑道上设有转动滑块，活动滑道两端通过传动杆与横流向滑动轨道连接；所述的活动滑道通过转动滑块与激励幅值调节装置连接，激励幅值调节装置通过改变转动滑块所在限位孔的位置改变激励幅值；所述的立管表面均匀布置有电阻应变计，立管上端通过立管顶部固定模块与底部连接件下端连接，立管下端通过立管底部固定模块与横流向滑动轨道上的滑块连接；所述的动力模块包括电机；所述的电机通过固定支架安装在实验装置框架模块的中部，电机和减速器连接；所述的减速器通过传动轴与激励幅值调节装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置，其特征在于：所述的立管顶部固定模块包括拉力传感器；所述的拉力传感器一端与调节螺杆下端的底部连接件连接，另一端通过连接管与第一万向节依次连接；所述的第一万向节与立管上端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟动态边界条件下柔性立管动力响应实验装置，其特征在于：所述立管底部固定模块包括第二万向节；所述的第二万向节一端与立管下端连接，另一端通过连接管与横流向滑动轨道上的滑块连接。

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