CN113267303A - 一种剪切流下立管涡激振动测试装置 - Google Patents

一种剪切流下立管涡激振动测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种剪切流下立管涡激振动测试装置,包括安装模块、剪切流旋转模块及驱动控制模块，所述安装模块用以与水池配合安装，所述剪切流旋转模块用以对立管模型进行装夹并能够检测立管模型的振动数据，所述驱动控制模块配合安装于安装模块，其用以驱动剪切流旋转模块进行旋转。本发明可模拟大型尺寸立管的剪切流场，具有性能优越、复杂性低和拆卸方便等特点。

Description

一种剪切流下立管涡激振动测试装置
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种剪切流下立管涡激振动测试装置。
背景技术
对于海洋工程领域中普遍采用的圆柱体结构，从流体的角度来分析，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”。
随着海洋油气资源的开采逐渐向深海区域发展，海洋立管这类长径比较大的柔性结构在复杂的海洋环境下会产生大变形，涡激振动的现象更加的明显，
从而造成一系列的结构破坏和疲劳问题。由于海洋立管是大尺度构件，三维涡激振动问题的数值模拟会产生巨大的计算量和内存占用问题，这使得仿真技术效率低且可信度较差。而柔性立管的涡激振动测试试验可以更好地模拟全尺寸的真实情况，保证结果的可靠性和准确性。
经过对现有技术的调查，如今的涡激振动测试装置一般在室内的拖曳水池中进行，而为了制造剪切流场需要大型的旋转平台将立管斜置，且水池不能太浅，对设备和条件要求非常苛刻。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种剪切流下立管涡激振动测试装置的技术方案。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于包括
安装模块，所述安装模块用以与水池配合安装；
剪切流旋转模块，所述剪切流旋转模块用以对立管模型进行装夹并能够检测立管模型的振动数据；以及
驱动控制模块，所述驱动控制模块配合安装于安装模块，其用以驱动剪切流旋转模块进行旋转。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述剪切流旋转模块包括安装架和两个配合安装于安装架两端的三分力传感器，两个三分力传感器之间能够配合安装立管模型。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述安装架包括旋转支撑臂、配合安装于旋转支撑臂两端的旋转结构臂和配合安装于旋转结构臂上端的支撑板，所述旋转结构臂能够在旋转支撑臂上调整位置，所述三分力传感器配合安装于支撑板上。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述三分力传感器配合安装夹具组件，所述夹具组件包括内夹具、外约束体和夹紧螺栓，所述内夹具设有用以与立管模型插配的插孔，所述外约束体套设于内夹具外，所述夹紧螺栓与内夹具螺接配合并能够顶紧立管模型。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述内夹具的插孔内设置伸缩折叠圈，所述插孔通过伸缩折叠圈与立管模型插配。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述壳体内配合安装驱动电源、信号接收处理器和数据存储器。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述驱动控制模块包括壳体及配合安装于壳体上电机和传动结构，所述电机用以驱动传动结构工作，所述传动结构用以带动剪切流旋转模块旋转。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述驱动控制模块还包括中心连接轴，所述中心连接轴的下端用以与安装模块配合安装，中心连接轴的上端转动安装转子，所述壳体转动套设于中心连接轴上并将转子罩在内，所述旋转支撑臂插设于壳体上并与转子配合连接，所述传动结构与转子传动配合，转子转动时能够带动旋转支撑臂和壳体一起转动。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述传动结构包括传动配合的第一伞齿和第二伞齿，所述电机用以驱动第一伞齿旋转，所述第二伞齿与转子传动配合，第二伞齿能够带动转子旋转。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述安装模块包括底座和设置于底座上的锚定机构，所述锚定机构包括滑动插配于底座底部的伸缩块、滑动插配于底座侧面的锚定块及连杆，所述连杆一端与伸缩块转动配合，另一端与锚定块转动配合；当所述伸缩块缩回底座内时，所述连杆能够带动锚定块从底座侧面伸出。
所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述锚定块环布于底座四周，所述连杆的个数和位置与锚定块一一对应。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果包括：
1)本发明可模拟大型尺寸立管的剪切流场，具有性能优越、复杂性低和拆卸方便等特点；
2)本发明可实现与水池之间快速牢固的连接，便于本发明的安装；
3)因为本发明可以简单的调整距离从而适应立管模型的长度，并且可以通过定位不同的位置来对立管模型两端施加顶张力，这样克服了复杂的顶张力施加过程，并可由三分力传感器测得张力大小；
4)因为本发明的内夹具中采用了伸缩折叠圈，可根据不同立管直径拧动夹紧螺栓进行调节，立管安装方便快捷。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明截面结构示意图；
图3为本发明中立管模型、夹具组件、三分力传感器及支撑板连接结构示意图；
图4为本发明中外约束体与夹紧螺栓连接结构示意图；
图5为本发明中内夹具结构示意图；
图6为本发明中内夹具截面图；
图7为本发明中驱动控制模块内部结构示意图；
图8为本发明中安装模块内部结构示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”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。
本发明提供了一种剪切流下立管涡激振动测试装置，可模拟大型尺寸立管的剪切流场，具有性能优越、复杂性低和拆卸方便等特点。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示，一种剪切流下立管涡激振动测试装置,包括
安装模块，所述安装模块用以与水池配合安装；
剪切流旋转模块，所述剪切流旋转模块用以对立管模型进行装夹并能够检测立管模型6的振动数据；以及
驱动控制模块，所述驱动控制模块配合安装于安装模块，其用以驱动剪切流旋转模块进行旋转。
在一些实施例中，所述剪切流旋转模块包括安装架和两个配合安装于安装架两端的三分力传感器9，两个三分力传感器9之间能够配合安装立管模型6。
进一步地，所述安装架包括横向设置的旋转支撑臂11、配合安装于旋转支撑臂11两端的旋转结构臂2和配合安装于旋转结构臂2上端的支撑板10，所述旋转结构臂2能够在旋转支撑臂11上调整位置，所述三分力传感器9配合安装于支撑板10上。具体地，旋转结构臂2的下端设置用以与旋转支撑臂11滑动配合的滑套3，滑套3上螺接旋钮螺栓，利用旋钮螺栓顶紧旋转支撑臂11，本发明通过拧松旋钮螺栓来调整两个旋转结构臂2之间的距离，以与不同长度的立管模型6匹配。
进一步地，所述三分力传感器9配合安装夹具组件，所述夹具组件包括内夹具7、外约束体8和夹紧螺栓23，所述内夹具7设有用以与立管模型6插配的插孔，所述外约束体8套设于内夹具7外并与三分力传感器9通过螺栓固定，所述夹紧螺栓23穿过外约束体8与内夹具7螺接配合并能够顶紧立管模型6。其中，所述内夹具7的插孔内设置伸缩折叠圈24，所述插孔通过伸缩折叠圈24与立管模型6插配。所述伸缩折叠圈24具有弹性，正常状态下伸缩折叠圈24的内径大于立管模型6的外径，立管模型6插入伸缩折叠圈24后，拧入夹紧螺栓23，夹紧螺栓23挤压伸缩折叠圈24，使伸缩折叠圈24紧贴立管模型6并夹紧立管模型6，这样能够匹配不同外径的立管模型6。
在一些实施例中，所述驱动控制模块包括壳体5及配合安装于壳体5上电机12和传动结构，所述电机12用以驱动传动结构工作，所述传动结构用以带动剪切流旋转模块旋转。
进一步地，所述驱动控制模块还包括中心连接轴25，所述中心连接轴25的下端用以与安装模块配合安装，中心连接轴25的上端转动安装转子17，所述壳体5转动套设于中心连接轴25上并将转子17罩在内，所述旋转支撑臂11有左右两根，分别插设于壳体5左右两侧并与转子17固定，所述传动结构与转子17传动配合。其中，所述传动结构包括传动配合的第一伞齿18和第二伞齿26，所述电机12用以驱动第一伞齿18旋转，所述第二伞齿26套在中心连接轴25外并固定于转子17下端。此外，传动结构也可以采用蜗轮蜗杆机构或直齿轮传动机构等结构。
进一步地，所述壳体5内配合安装驱动电源13、信号接收处理器14和数据存储器16。
在一些实施例中，所述安装模块包括用以与中心连接轴25螺接配合的底座4和设置于底座4上的锚定机构，所述锚定机构包括滑动插配于底座4底部的伸缩块20、滑动插配于底座4侧面的锚定块21及连杆22，所述连杆22一端与伸缩块20转动配合，另一端与锚定块21转动配合；当所述伸缩块20缩回底座4内时，所述连杆22能够带动锚定块21从底座4侧面伸出，锚定块21从底座4侧面伸出时能够与水池的凹槽卡合，以实现本发明与水池的安装。其中，所述锚定块21环布于底座4四周，所述连杆22的个数和位置与锚定块21一一对应。
本发明的传动原理：电机12带动第一伞齿18旋转，第一伞齿18带动第二伞齿26旋转，第二伞齿27带动转子7旋转，转子17带动旋转支撑臂11旋转，旋转支撑臂11一边带动整个剪切流旋转模块旋转，一边带动壳体5旋转。
本发明由三个部分组分而成，三个部分靠连接件和紧固件进行连接。将立管模型6固定在剪切流旋转模块的两端，旋转结构臂2可以在旋转支撑臂11上自由调整位置，以与不同长度的立管模型6相适应，搭配三分力传感器9可以设置初始状态立管模型6两侧的顶张力。夹具组件的内部与立管模型6接触的部分采用伸缩折叠圈24的结构，通过夹紧螺栓23的旋入程度来改变中心圆孔的大小，从而能适应立管模型6的管径尺寸，同时还可以避免夹紧螺栓23和立管模型6的直接接触；信号接收处理器14用来接收外来信号，从而起到控制和驱动转子17的作用；驱动电源13用来给所有构件提供需要的电能；中心连接轴25用来连接下部的底座4；底座4用来固定整体的旋转系统，内部有四个方向的锚定块21。当结构到达水池底部时，下方的伸缩块20会被挤压上去，然后作用力通过连杆22推动4个方向的锚定块21卡进水池预先挖好的四面的凹槽中，从而将系统固定在水池的底部。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于包括
安装模块，所述安装模块用以与水池配合安装；
剪切流旋转模块，所述剪切流旋转模块用以对立管模型进行装夹并能够检测立管模型(6)的振动数据；以及
驱动控制模块，所述驱动控制模块配合安装于安装模块，其用以驱动剪切流旋转模块进行旋转。
2.根据权利要求1所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述剪切流旋转模块包括安装架和两个配合安装于安装架两端的三分力传感器(9)，两个三分力传感器(9)之间能够配合安装立管模型(6)。
3.根据权利要求2所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述安装架包括旋转支撑臂(11)、配合安装于旋转支撑臂(11)两端的旋转结构臂(2)和配合安装于旋转结构臂(2)上端的支撑板(10)，所述旋转结构臂(2)能够在旋转支撑臂(11)上调整位置，所述三分力传感器(9)配合安装于支撑板(10)上。
4.根据权利要求2所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述三分力传感器(9)配合安装夹具组件，所述夹具组件包括内夹具(7)、外约束体(8)和夹紧螺栓(23)，所述内夹具(7)设有用以与立管模型(6)插配的插孔，所述外约束体(8)套设于内夹具(7)外，所述夹紧螺栓(23)与内夹具(7)螺接配合并能够顶紧立管模型(6)。
5.根据权利要求4所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述内夹具(7)的插孔内设置伸缩折叠圈(24)，所述插孔通过伸缩折叠圈(24)与立管模型(6)插配。
6.根据权利要求1-5中任一所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述驱动控制模块包括壳体(5)及配合安装于壳体(5)上电机(12)和传动结构，所述电机(12)用以驱动传动结构工作，所述传动结构用以带动剪切流旋转模块旋转。
7.根据权利要求6所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述驱动控制模块还包括中心连接轴(25)，所述中心连接轴(25)的下端用以与安装模块配合安装，中心连接轴(25)的上端转动安装转子(17)，所述壳体(5)转动套设于中心连接轴(25)上并将转子(17)罩在内，所述旋转支撑臂(11)插设于壳体(5)上并与转子(17)配合连接，所述传动结构与转子(17)传动配合，转子(17)转动时能够带动旋转支撑臂(11)和壳体(5)一起转动。
8.根据权利要求7所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述传动结构包括传动配合的第一伞齿(18)和第二伞齿(26)，所述电机(12)用以驱动第一伞齿(18)旋转，所述第二伞齿(26)与转子(17)传动配合，第二伞齿(26)能够带动转子(17)旋转。
9.根据权利要求6所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述壳体(5)内配合安装驱动电源(13)、信号接收处理器(14)和数据存储器(16)。
10.根据权利要求1-5中任一所述的一种剪切流下立管涡激振动测试装置,其特征在于所述安装模块包括底座(4)和设置于底座(4)上的锚定机构，所述锚定机构包括滑动插配于底座(4)底部的伸缩块(20)、滑动插配于底座(4)侧面的锚定块(21)及连杆(22)，所述连杆(22)一端与伸缩块(20)转动配合，另一端与锚定块(21)转动配合；当所述伸缩块(20)缩回底座(4)内时，所述连杆(22)能够带动锚定块(21)从底座(4)侧面伸出。
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