CN112525333A - 一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，属于水下涡激振荡抑制领域；在水下建立驻留系统；包括水下系留体、悬索、卷扬机构、加速度传感器、控制器和锚块；采用卷扬机构调节悬索长度，通过水下系留体加速度信号的傅里叶分析获得其运动的频域特征，通过固有频率计算对水动力导致的振动信号进行解耦，得到水流速度，使用推导得出的涡激振荡抑制区间调节系统固有频率，达到抑制涡激振荡的目的。
Description
技术领域
本发明属于水下涡激振荡抑制领域，涉及一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法。
背景技术
涡激振荡是一种广泛存在的流体振荡现象，会使得结构产生周期性振荡影响其寿命，严重时会使得结构发生破坏。目前针对桥梁或高层建筑的涡激振荡抑制措施已较为完善，但由于对海洋领域重视的升级，提出了针对水下系留体涡激振荡抑制的新需求。由于水下系留体对其水动力外形有较为严苛的要求，以往改变特征结构的方法不适用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，采用悬索收放机构调节悬索长度，改变水下驻留系统固有频率达到抑制涡激振荡的目的。
本发明解决技术的方案是：
一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，包括如下步骤：
步骤一、在水下建立驻留系统；包括水下系留体、悬索、卷扬机构、加速度传感器、控制器和锚块；
步骤二、计算驻留系统的水下固有频率f0；
步骤三、测量获得驻留系统的2个主要振动频率和对应幅值，从2个主要振动频率中去除步骤二计算的驻留系统的水下固有频率f0，剩下的即为驻留系统由水流激励产生的频率f及对应幅值；
步骤四、计算水流速度u；
步骤五、计算驻留系统涡激振荡的抑制条件；
步骤六、将驻留系统的水下固有频率f0与抑制条件进行对比，当固有频率f0满足抑制条件时，结束；当固有频率f0不满足抑制条件时，进入步骤七；
步骤七、判断卷扬机构释放悬索的最长长度是否满足大于等于
式中，m为水下系留体、卷扬机构、加速度传感器、和控制器的总质量；当满足进入步骤八；当不满足，进入步骤九；
步骤八、通过卷扬机构释放悬索，直至悬索释放至最大；筛选出振幅最小值所对应的悬索长度，将悬索调整至该长度，调整结束；
步骤九、判断卷扬机构释放悬索的最长长度是否满足大于等于
当满足，进入步骤十；当不满足进入步骤十一；
步骤十、通过卷扬机构收回悬索，直至悬索收回至最短；筛选出振幅最小值所对应的悬索长度，将悬索调整至该长度，调整结束；
步骤十一、通过卷扬机构收回悬索，直至悬索收回至最短；再通过卷扬机构释放悬索，直至悬索释放至最大；筛选出振幅最小值所对应的悬索长度，将悬索调整至该长度，调整结束。
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤一中，驻留系统的建立方法为：锚块水平放置，水下系留体设置在锚块上方；水下系留体的侧壁设置有卷扬机构；悬索的一端缠绕在卷扬机构上，悬索的另一端与锚块固连；加速度传感器设置在水下系留体内部；实现采集水下系留体的运动信息；控制器设置在水下系留体底部，实现控制卷扬机构释放和收回悬索；锚块与水底部固连。
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤二中，驻留系统的水下固有频率f0计算方法为：
式中，L为悬索的初始长度；L为10-20m；
k为驻留系统干湿比；
g为重力加速度。
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤四中，水流速度u的计算方法为：
建立圆柱绕流公式
其中，f为驻留系统由水流激励产生的频率；D为驻留系统外包络直径；反求水流速度u。
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤五中，驻留系统涡激振荡的抑制条件的计算方法为：
建立涡激振荡发生条件：
则涡激振荡的抑制条件为
或
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤八中，卷扬机构释放悬索的过程为：
卷扬机构逐步释放悬索，每释放1m，重复步骤三1次，计算不同悬索长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤十中，卷扬机构收回悬索的过程为：
卷扬机构逐步收回悬索，每收回0.2m，重复步骤三1次，计算不同悬索长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
在上述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，所述步骤十一中，卷扬机构收回悬索至最短后；卷扬机构逐步释放悬索，每释放1m，重复步骤三1次，计算不同悬索长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明用悬索收放机构调节悬索长度，通过系留体加速度信号的傅里叶分析获得其运动的频域特征，通过固有频率计算对水动力导致的振动信号进行解耦，得到水流速度，使用推导得出的涡激振荡抑制区间调节系统固有频率，达到抑制涡激振荡的目的；
(2)本发明可以剥离出驻留系统受水动力激励频率与驻留系统自身频率振动，判断驻留系统处在的振荡频率范围，通过调节悬索长度，改变驻留系统固有频率，使其避开涡激振荡的危险范围；
(3)本发明可以通过记录不同悬索长度对应的振荡频率与幅值，通过对应关系达到最佳的涡激振荡抑制效果，在驻留系统中设悬索收放机构，加释放悬索用于降低驻留系统固有频率，回收悬索用于升高驻留系统固有频率。
(4)通过本发明中的方法调整驻留系统固有频率，与流动涡脱离频率错开，避免涡激振荡，不改变流体介质或驻留系统外形，实现涡激振荡的抑制目的。
附图说明
图1为本发明驻留系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，采用悬索收放机构调节悬索长度，通过系留体加速度信号的傅里叶分析获得其运动的频域特征，通过固有频率计算对水动力导致的振动信号进行解耦，得到水流速度，使用推导得出的涡激振荡抑制区间调节系统固有频率，达到抑制涡激振荡的目的。
改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，具体包括如下步骤：
步骤一、在水下建立驻留系统；如图1所示，包括水下系留体1、悬索2、卷扬机构3、加速度传感器4、控制器5和锚块6；驻留系统的建立方法为：锚块6水平放置，水下系留体1设置在锚块6上方；水下系留体1的侧壁设置有卷扬机构3；悬索2的一端缠绕在卷扬机构3上，悬索2的另一端与锚块6固连；加速度传感器4设置在水下系留体1内部；实现采集水下系留体1的运动信息；控制器5设置在水下系留体1底部，实现控制卷扬机构3释放和收回悬索2；锚块6与水底部固连。
水下系留体1系留在水下，通过悬索2固定在水底。在水流作用下会产生周期性振荡。下部舱内装有3卷扬机构用以对悬索长度进行控制，系留体内部装有加速度传感器4，用以采集其运动信息。控制器5按照预设的步骤对通过卷扬机构进行与顺序执行方法步骤。
步骤二、计算驻留系统的水下固有频率f0；驻留系统的水下固有频率f0计算方法为：
式中，L为悬索2的初始长度；L为10-20m；
k为驻留系统干湿比；
g为重力加速度。
步骤三、测量获得驻留系统的2个主要振动频率和对应幅值，从2个主要振动频率中去除步骤二计算的驻留系统的水下固有频率f0，剩下的即为驻留系统由水流激励产生的频率f及对应幅值。
步骤四、计算水流速度u；水流速度u的计算方法为：
建立圆柱绕流公式
其中，f为驻留系统由水流激励产生的频率；D为驻留系统外包络直径；反求水流速度u。
步骤五、计算驻留系统涡激振荡的抑制条件；驻留系统涡激振荡的抑制条件的计算方法为：
建立涡激振荡发生条件：
则涡激振荡的抑制条件为
或
步骤六、将驻留系统的水下固有频率f0与抑制条件进行对比，当固有频率f0满足抑制条件时，结束；当固有频率f0不满足抑制条件时，进入步骤七；
步骤七、判断卷扬机构3释放悬索2的最长长度是否满足大于等于
式中，m为水下系留体1、卷扬机构3、加速度传感器4、和控制器5的总质量；当满足进入步骤八；当不满足，进入步骤九；
步骤八、通过卷扬机构3释放悬索2，直至悬索2释放至最大；筛选出振幅最小值所对应的悬索2长度，将悬索2调整至该长度，调整结束；卷扬机构3释放悬索2的过程为：
卷扬机构3逐步释放悬索2，每释放1m，重复步骤三1次，计算不同悬索2长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
步骤九、判断卷扬机构3释放悬索2的最长长度是否满足大于等于
当满足，进入步骤十；当不满足进入步骤十一。
步骤十、通过卷扬机构3收回悬索2，直至悬索2收回至最短；筛选出振幅最小值所对应的悬索2长度，将悬索2调整至该长度，调整结束；卷扬机构3收回悬索2的过程为：
卷扬机构3逐步收回悬索2，每收回0.2m，重复步骤三1次，计算不同悬索2长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
步骤十一、通过卷扬机构3收回悬索2，直至悬索2收回至最短；再通过卷扬机构3释放悬索2，直至悬索2释放至最大；卷扬机构3收回悬索2至最短后；卷扬机构3逐步释放悬索2，每释放1m，重复步骤三1次，计算不同悬索2长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。筛选出振幅最小值所对应的悬索2长度，将悬索2调整至该长度，调整结束。
本发明根据驻留系统悬索长度L、驻留系统干湿比k，以及重力加速度g，通过重力摆模型计算，获得驻留系统水下固有频率。检测水下驻留体姿态随时间变化，经过FFT分析得到六自由度运动的频域特征，获得平台的主要振动频率及幅值。将所得数据进行频率信号比对，获得驻留系统的水流激励频率，进而得到水流速度。通过水流速度与控制系统中写入的涡激振荡抑制条件，判断卷扬机构回收或释放的悬索长度，最终达到抑制涡激振荡的目的。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在水下建立驻留系统；包括水下系留体(1)、悬索(2)、卷扬机构(3)、加速度传感器(4)、控制器(5)和锚块(6)；
步骤二、计算驻留系统的水下固有频率f0；
步骤三、测量获得驻留系统的2个主要振动频率和对应幅值，从2个主要振动频率中去除步骤二计算的驻留系统的水下固有频率f0，剩下的即为驻留系统由水流激励产生的频率f及对应幅值；
步骤四、计算水流速度u；
步骤五、计算驻留系统涡激振荡的抑制条件；
步骤六、将驻留系统的水下固有频率f0与抑制条件进行对比，当固有频率f0满足抑制条件时，结束；当固有频率f0不满足抑制条件时，进入步骤七；
步骤七、判断卷扬机构(3)释放悬索(2)的最长长度是否满足大于等于
式中，m为水下系留体(1)、卷扬机构(3)、加速度传感器(4)、和控制器(5)的总质量；当满足进入步骤八；当不满足，进入步骤九；
步骤八、通过卷扬机构(3)释放悬索(2)，直至悬索(2)释放至最大；筛选出振幅最小值所对应的悬索(2)长度，将悬索(2)调整至该长度，调整结束；
步骤九、判断卷扬机构(3)释放悬索(2)的最长长度是否满足大于等于
当满足，进入步骤十；当不满足进入步骤十一；
步骤十、通过卷扬机构(3)收回悬索(2)，直至悬索(2)收回至最短；筛选出振幅最小值所对应的悬索(2)长度，将悬索(2)调整至该长度，调整结束；
步骤十一、通过卷扬机构(3)收回悬索(2)，直至悬索(2)收回至最短；再通过卷扬机构(3)释放悬索(2)，直至悬索(2)释放至最大；筛选出振幅最小值所对应的悬索(2)长度，将悬索(2)调整至该长度，调整结束。
2.根据权利要求1所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤一中，驻留系统的建立方法为：锚块(6)水平放置，水下系留体(1)设置在锚块(6)上方；水下系留体(1)的侧壁设置有卷扬机构(3)；悬索(2)的一端缠绕在卷扬机构(3)上，悬索(2)的另一端与锚块(6)固连；加速度传感器(4)设置在水下系留体(1)内部；实现采集水下系留体(1)的运动信息；控制器(5)设置在水下系留体(1)底部，实现控制卷扬机构(3)释放和收回悬索(2)；锚块(6)与水底部固连。
3.根据权利要求2所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤二中，驻留系统的水下固有频率f0计算方法为：
式中，L为悬索(2)的初始长度；L为10-20m；
k为驻留系统干湿比；
g为重力加速度。
4.根据权利要求3所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤四中，水流速度u的计算方法为：
建立圆柱绕流公式
其中，f为驻留系统由水流激励产生的频率；D为驻留系统外包络直径；反求水流速度u。
5.根据权利要求4所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤五中，驻留系统涡激振荡的抑制条件的计算方法为：
建立涡激振荡发生条件：
则涡激振荡的抑制条件为
或
6.根据权利要求5所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤八中，卷扬机构(3)释放悬索(2)的过程为：
卷扬机构(3)逐步释放悬索(2)，每释放1m，重复步骤三1次，计算不同悬索(2)长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
7.根据权利要求6所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤十中，卷扬机构(3)收回悬索(2)的过程为：
卷扬机构(3)逐步收回悬索(2)，每收回0.2m，重复步骤三1次，计算不同悬索(2)长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
8.根据权利要求7所述的一种改变水下驻留系统固有频率抑制涡激振荡的方法，其特征在于：所述步骤十一中，卷扬机构(3)收回悬索(2)至最短后；卷扬机构(3)逐步释放悬索(2)，每释放1m，重复步骤三1次，计算不同悬索(2)长度，驻留系统由水流激励产生的频率及对应幅值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210319 |
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