CN113390596B - 海洋立管束涡激振动碰撞测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，主要包括海洋立管模型、双层支持装置、双自由度气浮滑轨系统、循环波流水槽和数据测量采集系统。双层支持装置的支持框架横跨于循环波流水槽之上并将支持框架下端与水槽外侧下边缘固定；两套带有空气轴承的双自由度气浮滑轨分别通过螺栓固定在支持框架的上下层，上下两层位置对齐且平行；海洋立管模型竖直固定，且可在竖直方向调节高度；用于数据测量采集的各类传感器分散布置于海洋立管模型、横向滑动的空气轴承的下端和双层的支持框架之中；竖向布置的海洋立管模型部分浸没于循环波流水槽之中。本发明中在每层各安装一套双自由度气浮滑轨系统从而实现两根海洋立管模型独立的双自由度运动。

Description

海洋立管束涡激振动碰撞测试系统

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体而言是一套海洋立管束涡激振动碰撞测试系统。

背景技术

随着海洋强国战略的提出，加快培育海洋工程发展成为了实现我国海洋强国建设的长远战略抓手。以海洋立管系统为代表的油气资源输送设备是连接海底油气田与上部作业平台的重要媒介，长期服役于恶劣的海洋环境中。随着立管作业水深的增加，深水海流逐渐取代了上层波浪和海面浮体运动，成为了立管系统长期面临的重大环境载荷。在流体力学中，置于一定速度来流中的柱体会在漩涡生成与脱落的作用下受到横向和流向的脉动压力进而引发振动。当漩涡脱落频率与柱体的自振频率相近时，柱体会发生类似于机械振动中的共振现象，产生较大的振幅。柱体的振动又会反过来干涉漩涡脱落与尾流场形态，这种流体-结构的相互作用问题被称作涡激振动。例如海洋平台立管、拖缆、海底管线和系泊缆索等在海流的作用下都会发生涡激振动，造成显著的疲劳破坏。

对于由多根立管组成的立管系统而言，涡激振动所导致的管束相互碰撞是在孤立立管研究中所无法考虑的重大结构问题。相较于涡激振动诱发的疲劳累积损伤问题，管束碰撞有着更显著的表现和更严峻的后果，有学者早在上个世纪就提出海洋管束的碰撞破坏能够占到结构总体破坏的30％。因此研究两根或多根立管双自由度涡激振动碰撞具有重大的学术和工程意义。尽管国内外许多科研工作者正在进行海洋立管束涡激振动碰撞的相关研究，理论推导、经验或半经验公式、数值模拟成为了当前该课题研究的主要方法。然而，具有较强非线性的碰撞问题在理论经验和数值模拟层面很难得到全方位的解决，因此开展立管束涡激振动碰撞模型试验成为了该课题研究的重要方法。

目前，研究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面地观测到涡激振动及其所诱导的碰撞现象、力学响应、发生概率以及尾流结构，进而获得较为可靠的试验结果。试验结果又可用来校验理论经验公式和数值模型的精度。通过试验测试的方式可以更好的探究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的相关机理，为工程实际积累经验。

经对现有技术文献的检索发现，国内外对于海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的试验研究非常少，实现双自由度涡激振动碰撞试验研究的最大难点在于：1.如何实现多根立管不相互干扰能够独立地振动；2.对每根立管如何实现其能够独立地在横向与流向完成双自由度涡激振动；3.如何实现多根立管在多排布方式，多间距比条件下的相互碰撞。

发明内容

针对海洋立管束双自由度涡激振动碰撞试验研究存在的难点，本发明提供了研究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的试验装置，能够实现多圆柱的双自由度振动和碰撞，对海洋立管束的碰撞现象开展试验研究，探究涡激振动碰撞机理、碰撞响应及碰撞概率对圆柱涡激振动响应和尾流结构的影响，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，包括双层支持装置、循环波流水槽、两个结构相同的海洋立管模型和数据测量采集系统；并设测试中的水流方向为X方向，垂直于水流方向的横向为Y方向；

所述双层支持装置包括支持框架，所述支持框架上设有两层双自由度气浮滑轨系统，所述两层双自由度气浮滑轨系统包括上层双自由度气浮滑轨系统和下层双自由度气浮滑轨系统，所述上层双自由度气浮滑轨系统包括第一组直线导轨和第二组直线导轨，每组直线导轨包括两个相互平行的直线导轨，

第一组直线导轨通过导轨支撑座固定在支持框架上，第一组直线导轨的两个直线导轨上均分别设有一个第一空气轴承，所述第一空气轴承与两侧的导轨支撑座之间分别连接有为X方向振动提供恢复刚度的X方向拉簧；

第二组直线导轨的两个直线导轨固定在第一组直线导轨中的两个第一空气轴承之间，第一组直线导轨与第二组直线导轨正交且处于水平面内，第二组直线导轨的两个直线导轨上均分别设有一个第二空气轴承，两个第二空气轴承之间设有立管模型夹持装置，所述立管模型夹持装置与两个第一空气轴承之间分别连接有为Y方向振动提供恢复刚度的Y方向拉簧；所述立管模型夹持装置的一端设有用于夹持其中一个海洋立管模型的通孔，所述通孔的轴向与水平面垂直；

所述下层双自由度气浮滑轨系统与所述上层双自由度气浮滑轨系统的结构完全相同、仅在X方向上对称布置，所述下层双自由度气浮滑轨系统中的立管模型夹持装置用于夹持另外一个海洋立管模型；两层双自由度气浮滑轨系统中的两个海洋立管模型在X方向上分别位于两个立管模型夹持装置的相邻端；

所述海洋立管模型包括同轴设置的有机玻璃薄壁管、接头、法兰盘和螺杆，所述有机玻璃薄壁管的下端密封，所述有机玻璃薄壁管的上端为开口端，所述接头的下端与所述开口端的内壁粘接，所述螺杆的上端穿过所在的立管模型夹持装置上的通孔后用螺母固定，所述螺杆的下端紧密旋入法兰盘上端的螺纹开孔；

所述数据测量采集系统包括激光位移传感装置、两个三向加速度传感器、两个三轴力传感器、多通道数据采集仪和计算机；所述激光位移传感装置用于采集两个海洋立管模型在X方向和Y方向上的位移量；所述三向加速度传感器用于采集两个海洋立管模型的运动加速度；所述三轴力传感器用于采集两个海洋立管模型的受力情况。

进一步讲，本发明所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其中：

所述的循环波流水槽包括造波/流泵、导流板和消波器，用于提供试验所需的来流条件。

所述激光位移传感装置、三向加速度传感器和三轴力传感器均连接至所述的多通道数据采集仪，所述多通道数据采集仪与所述计算机相连，所述计算机安装有数据采集分析软件。

所述数据采集分析软件采用东华测试-DHDAS动态信号采集分析系统。

所述激光位移传感装置包括安装在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个第一激光位移传感器和两个第二激光位移传感器，与上述每个激光位移传感器对应的位置设有一个激光反射板，所述的第一激光位移传感器和两个对应位置的激光反射板用于监测两个海洋立管模型在X方向上的运动位移，两个第二激光位移传感器和两个对应位置的激光反射板用于监测两个海洋立管模型在Y方向上的运动位移。

所述的第一激光位移传感器通过第一激光位移传感器支座固定在所述支持框架上的支撑横梁上，与所述的第一激光位移传感器位置对应的第一激光反射板与第二组直线导轨平行；所述的第二激光位移传感器通过第二激光位移传感器支座固定在所述支持框架上，与所述的第二激光位移传感器位置对应的第二激光反射板与第一组直线导轨平行。

两个三向加速度传感器分别固定在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个立管模型夹持装置上表面中部。

两个三轴力传感器分别固定在两个海洋立管模型上。

所述第一空气轴承和第二空气轴承的侧面均开有气孔，所述气孔通过输气管与空气压缩机相连。

所述接头的为钢质，所述接头通过防水胶与所述的有机玻璃薄壁管开口端的内壁粘合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了海洋立管束双自由度涡激振动碰撞试验中，立管束排布方式/间距比、双自由度振动碰撞和改变来流条件的问题。

附图说明

图1-1是本发明实施例中除循环波流水槽的结构的主视图；

图1-2是图1-1所示结构的侧视图；

图1-3是图1-1所示结构的俯视图；

图1-4是图1-1所示结构的立体图；

图2-1是本发明中上层结构的主视图；

图2-2是图2-1所示上层结构的侧视图；

图2-3是图2-2所示上层结构的俯视图；

图2-4是图2-1所示上层结构的立体图；

图3是海洋立管模型总体结构示意图；

图4是本发明中空气轴承立体结构示意图；

图5是本发明中导轨支撑座立体结构示意图；

图6-1是本发中支持框架所采用的方形截面铝合金管材示意图；

图6-2是图6-1所示管材的横截面图；

图7是本发明中法兰盘立体结构示意图；

图8是本发明中接头立体结构示意图；

图9-1是本发明中立管模型夹持装置的主视图；

图9-2是图9-1所示立管模型夹持装置的俯视图；

图9-3是图9-1所示立管模型夹持装置的侧视图；

图9-4是安装有三向加速度传感器的立管模型夹持装置的俯视图。

图中：1-海洋立管模型、2-支持框架、31-第一组直线导轨、32-第二组直线导轨、41-第一空气轴承、42-第二空气轴承、5-导轨支撑座、61-第一激光反射板、62-第二激光反射板、7-立管模型夹持装置、8-螺杆、9-法兰盘、10-三轴力传感器、11-接头、12-有机玻璃薄壁管、131-第一激光位移传感器、132-第二激光位移传感器、141-第一激光位移传感器支座、142-第二激光位移传感器支座、15-三向加速度传感器、16-支撑横梁、171-X方向拉簧，172-Y方向拉簧。

具体实施方式

本发明的海洋立管涡激振动碰撞测试系统主要包括：海洋立管模型1、双层支持装置、双自由度气浮滑轨系统、循环波流水槽和数据测量采集系统。连接关系为：双层支持装置的支持框架2横跨于循环波流水槽之上并将支持框架下端与水槽外侧下边缘通过螺栓紧密固定；将两套带有空气轴承的双自由度气浮滑轨分别通过螺栓固定在支持框架2的上下层，每层各安装一套，保证上下两层位置对齐且平行；海洋立管模型1通过Y方向滑动的空气轴承下端突出的立管模型夹持装置7竖直固定，且可在竖直方向调节高度；用于数据测量采集的各类传感器分散布置于海洋立管模型1、Y方向滑动的空气轴承的下端和双层的支持框架之中；竖向布置的海洋立管模型1部分浸没于循环波流水槽之中。

本发明装置设计为两层是为了在每层各安装一套双自由度气浮滑轨系统从而实现两根海洋立管模型1独立的双自由度运动。因此，本发明中的双自由度气浮滑轨系统必须为两套，且两套需分别独立安装在两层上，如图1-1、图1-2、图1-3和图1-4所示。

下面结合附图及具体实施例以两根立管的排布对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-1、图1-2、图1-3和图1-4所示，本发明提出的一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，包括双层支持装置、循环波流水槽、两个结构相同的海洋立管模型1和数据测量采集系统；并设测试中的水流方向为X方向，垂直于水流方向的横向为Y方向。

本发明中，所述的循环波流水槽由造波/流泵、导流板和消波器等关键设备组成，可为试验创造所需的来流条件。所述双层支持装置包括支持框架2，所述支持框架2由若干方形截面的铝合金管材(如图6-1和图6-2所示)通过直角连接件和螺栓拼接而成，所述支持框架2的主体截面形状为“Π”字型。测试时，将该支持框架2横跨于循环波流水槽之上，通过设置的横梁将其分为上下两层。该支持框架2的下端与水槽外侧下边缘通过螺栓紧密固定并保证整体水平。

所述支持框架2上设有两层双自由度气浮滑轨系统，用来承载两个海洋立管模型1的双自由度振动与碰撞，它们分别安装在支持框架2的上下两层，上下两层双自由度气浮滑轨系统整体保持对齐，如图1-4所示。两层双自由度气浮滑轨系统包括上层双自由度气浮滑轨系统和下层双自由度气浮滑轨系统。

下面以上层双自由度气浮滑轨系统为例进行描述，如图2-1、图2-2、图2-3和图2-4所示，所述上层双自由度气浮滑轨系统包括第一组直线导轨31和第二组直线导轨32，每组直线导轨包括两个相互平行的直线导轨。第一组直线导轨31通过导轨支撑座5固定在支持框架2上，第一组直线导轨31的两个直线导轨上均分别设有一个第一空气轴承41，所述第一空气轴承41与两侧的导轨支撑座5之间分别连接有为X方向振动提供恢复刚度的X方向拉簧171。本发明中所述的导轨支撑座5的结构如图5所示。第二组直线导轨的两个直线导轨32固定在第一组直线导轨中的两个第一空气轴承41之间，可以看出，第一组直线导轨31与第二组直线导轨32正交且处于水平面内，第二组直线导轨的两个直线导轨32上均分别设有一个第二空气轴承42，两个第二空气轴承42之间设有立管模型夹持装置7，所述立管模型夹持装置7的结构如图9-1、图9-2和图9-3所示，所述立管模型夹持装置7与两个第一空气轴承41之间分别连接有为Y方向振动提供恢复刚度的Y方向拉簧172。本发明中，所述的X方向拉簧171和Y向拉簧172均为轻质拉簧。

本发明中，所述第一空气轴承41和第二空气轴承42的结构相同，如图4所示，仅尺寸规格大小有所不同，第一空气轴承41尺寸较大，第二空气轴承42尺寸略小。侧面均开有气孔，所述气孔通过输气管与空气压缩机相连，将输气管的一端与对应的空气轴承上的气孔密封连接，另一端与空气压缩机送气口相连，保证为空气轴承提供源源不断且稳定的气压。

所述立管模型夹持装置7的一端设有用于夹持其中一个海洋立管模型1的通孔，所述通孔的轴向与水平面垂直。

所述下层双自由度气浮滑轨系统与所述上层双自由度气浮滑轨系统的结构相同、且在X方向上对称布置，所述下层双自由度气浮滑轨系统中的立管模型夹持装置用于夹持另外一个海洋立管模型1；两层双自由度气浮滑轨系统中的两个海洋立管模型1在X方向上分别位于两个立管模型夹持装置7的相邻端，如图1-3所示。

如图3所示，所述海洋立管模型1包括同轴设置的有机玻璃薄壁管12、接头11、法兰盘9和螺杆8，所述有机玻璃薄壁管12的下端密封，所述有机玻璃薄壁管12的上端为开口端，所述接头11的为钢质，其结构如图8所示，所述接头11的下端与所述开口端的内壁粘接，所述接头11通过防水胶与所述的有机玻璃薄壁管12开口端的内壁粘合，所述螺杆8的上端穿过所在的立管模型夹持装置7上的通孔后用螺母固定，所述螺杆8的下端紧密旋入法兰盘9上端的螺纹开孔。

第一组直线导轨31穿过第一空气轴承41在两端分别与导轨支撑座5锁定，将固定同一个直线导轨31的一组(两个)导轨支撑座5通过螺栓紧密固定在支持框架2相对的两端，并完成初步调平，在已装配并调平的第一空气轴承41的下表面另安装用于支撑第二直线导轨32的支撑座，将套有第二空气轴承42的第二直线导轨32的两端固定在该支撑座通孔内。其次，将立管模型夹持装置7通过螺栓紧密安装在靠近下层的第二空气轴承42的下表面并保持水平，用来与所述的海洋立管模型1完成对接。然后，将X向(即流向振动的)拉簧171的一端与固定的导轨支撑座5连接，另一端与可滑动的第一空气轴承41连接，横向振动的Y向拉簧172连接在立管模型夹持装置7与第二直线导轨32的夹持装置(即第一空气轴承41)之间，通过铁钩勾连Y向拉簧172端部的圆环，从而实现该拉簧的张紧；同理，设置在两个第二空气轴承42之间的立管模型夹持装置7的两侧以Y向(横向振动的)拉簧172与两端的第一空气轴承41连接，流向振动的X向拉簧171连接在导轨支撑座5与第二直线导轨32的夹持装置之间，方法相同，以铁钩勾连该X向拉簧171端部的圆环，从而实现该拉簧的张紧。如图2-4所示。

所述数据测量采集系统包括激光位移传感装置、两个三向加速度传感器15、两个三轴力传感器10、多通道数据采集仪和计算机；所述激光位移传感装置用于采集两个海洋立管模型1在X方向和Y方向上的位移量；所述三向加速度传感器用于采集两个海洋立管模型1的运动加速度；所述三轴力传感器用于采集两个海洋立管模型1的受力情况。

所述激光位移传感装置包括安装在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个第一激光位移传感器131和两个第二激光位移传感器132，与上述每个激光位移传感器位置对应的设有一个激光反射板，所述的第一位移传感器131和两个对应位置的第一激光反射板61用于监测两个海洋立管模型1在X方向上的运动位移，两个第二激光位移传感器132和两个对应位置的第二激光反射板62用于监测两个海洋立管模型1在Y方向上的运动位移。所述的第一激光位移传感器131通过第一激光位移传感器支座141固定在所述支持框架2上的支撑横梁16上，与所述的第一激光位移传感器131位置对应的第一激光反射板61与第二组直线导轨32平行；所述的第二激光位移传感器132通过第二激光位移传感器支座142固定在所述支持框架2上，与所述的第二激光位移传感器132位置对应的第二激光反射板62与第一组直线导轨31平行。两个三向加速度传感器15分别固定在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个立管模型夹持装置7上，如图9-4所示。两个三轴力传感器10分别固定在两个海洋立管模型1上，如图3所示，将三轴力传感器10通过通孔套在接头11凸起的部分并紧密接触，在三轴力传感器10的另一表面利用四组螺栓密实固定法兰盘9，法兰盘9的结构如图7所示，最后将螺杆8旋入法兰盘9上的通孔，直至稳固，从而完成整体相连。特别注意，螺杆8、法兰盘9、三轴力传感器10、接头11和有机玻璃薄壁管12需保持极其紧密的连接粘合，从而保证海洋立管模型1的整体刚度，海洋立管模型1在试验中始终保持竖直放置。其中，图7和图8分别为钢制法兰盘9和钢制接头11的示意图。

利用本发明测试系统可承载两个海洋立管模型1的双自由度运动。因此，共需要四个激光位移传感器，每层安装两个，两层的安装方式一致，对一层而言，如图2-3所示，其中一个是用于监测流向的运动位移的第一激光位移传感器131和对应位置的第一激光反射板61，另一个是用于监测横向的运动位移的第二激光位移传感器132和对应位置的第二激光反射板62。以第一激光位移传感器131为例，该第一激光位移传感器131通过螺栓固定在第一激光位移传感器支座141的端部，该第一激光位移传感器支座141为镂空钢板设有两条与流向平行的滑槽，第一激光位移传感器131可在其上自由滑动以改变位置，该第一激光位移传感器支座141通过螺栓固定在支持框架2上的支撑横梁16上或是预制的凹槽内，并可通过松紧螺栓改变141的位置，第一激光位移传感器131所发射的直线光束到达第一激光反射板61并完成反射。同时，本发明中需要两个三向加速度传感器15，每套双自由度气浮滑轨系统中各安装一个，对每套双自由度气浮滑轨系统而言，其中的三向加速度传感器15通过螺栓紧密固定在立管模型夹持装置7上表面的中部，如图9-4所示。另一个三向加速度传感器15以相同的方法安装在另一套双自由度气浮滑轨系统的立管模型夹持装置7的对应位置。

本发明中，所述的激光位移传感装置、三向加速度传感器15和三轴力传感器10均连接至所述的多通道数据采集仪，所述多通道数据采集仪与所述计算机相连，所述计算机安装有数据采集分析软件，本发明中所述数据采集分析软件采用的是东华测试-DHDAS动态信号采集分析系统。

实施例：

本发明中的双自由度气浮滑轨系统主要由两组光滑的直线导轨(第一组直线导轨31和第二组直线导轨32)、空气轴承、导轨支撑座、激光传感器、激光反射板和立管模型夹持装置组成。两组光滑的直线导轨(第一组直线导轨31和第二组直线导轨32)相互正交，位置偏上的第一组直线导轨31由两根较长较粗的光滑的直线导轨贯穿两个较大的第一空气轴承41，二者保持在同一水平面内，端部由四个可在铝合金管材制作的支持框架2上自由滑动的导轨支撑座5约束。其中，四个导轨支撑座5的顶部平齐并可改变在支持框架2上的位置，可通过螺栓加以固定。位置偏下的第二组直线导轨32由两根较短较细的光滑的直线导轨贯穿两个(相比第一空气轴承41)较小的第二空气轴承42，二者保持平行共面，端部由四个固定在较大的第一空气轴承41下表面的支撑座约束。上述两组光滑的直线导轨相互正交且处于水平面内，为测试需要的双自由度振动的实现提供了基础。位置偏下的第二空气轴承42下表面安装有如图9-1、图9-2、图9-3和图9-4所示的立管模型夹持装置7，其端部突出部分设有用于夹持海洋立管模型1的通孔，与海洋立管模型1中的钢制的螺杆8上端部紧密啮合并用螺母固定。立管模型夹持装置7的另一端的下表面安装由铝合金材料制作的第二激光反射板62，用来反射第二激光传感器132发射出的激光。

如图2-4所示，本发明中的空气轴承(无论是第一空气轴承41或第二空气轴承42)在试验准备阶段分别直接套在各自的光滑的直线导轨31和32上，每根直线导轨上有且仅有一个空气轴承。空气轴承侧面开有气孔，如图4所示，试验中需通过空气压缩机和输气管向其内源源不断地输入稳定且干燥的空气。

如图5、图1-4、图2-1、图2-2、图2-3和图2-4所示，本发明中的导轨支撑座5的底部设有两个螺孔，通过该螺孔利用匹配的螺栓将导轨支撑座5固定在方形截面铝合金管材的支持框架2的表面，通过松动/拧紧螺栓来改变导轨支撑座5在支持框架2上的具体位置。导轨支撑座5的上部设有开孔，该开孔的孔缘处设有可调节松紧的螺栓，该开孔用于夹持光滑的直线导轨的端部，在可调节螺栓的辅助下，导轨支撑座5可以紧密贴合在直线导轨的端部。

如图6-1和图6-2所示，本发明中双层铝合金的支持框架2由若干方形截面铝合金管材2拼接而成。

如图7、图8和图3所示，本发明中钢制的法兰盘9和钢制的接头11用来配合海洋立管模型1的制作，其中，法兰盘9通过四个螺孔与三轴力传感器10表面对应的四个螺孔用螺栓紧密连接，其上部的旋纹通孔用来紧密旋入螺杆8。接头11整体通过3M防水胶嵌入有机玻璃薄壁管12开口端内壁，其凸出的部分穿过三轴力传感器10的中心通孔。

如图1-3、图2-2、图2-3、图2-4、图9-1、图9-2、图9-3所示，本发明中的立管模型夹持装置7通过螺栓紧密安装在较小的第一空气轴承41的下表面，其端部突出部分用夹持海洋立管模型1的螺杆8上端。特别强调的是，本发明中的两套双自由度气浮滑轨系统中的立管模型夹持装置7夹持海洋立管模型1的位置均位于内侧，如图1-3所示。

以下介绍本发明海洋立管涡激振动碰撞测试系统的制作和安装过程：在测试前，先根据循环波/流水槽的尺度、来流浸没深度，来流条件及速度范围，试验工况的具体情况和试验的经济性，得到海洋立管模型1的具体尺度，包括螺杆8的长度和外径，法兰盘9的外径，三轴力传感器10的技术参数，接头11的外径，有机玻璃薄壁管12的长度和内外径。根据海洋立管模型1的尺度、循环波/流水槽的尺度以及试验工况的具体情况和经济性，确定支持框架2的长、宽、高及方形截面铝合金管材的尺寸，第一和第二直线导轨31和32的尺度，第一和第二空气轴承41和42的型号，导轨支撑座5的尺度，第一和第二激光反射板61和62的尺寸，立管模型夹持装置7的尺寸。

制作海洋立管模型1，包括钢制的螺杆8、法兰盘9和接头11及有机玻璃薄壁管12的定制，第一和第二激光反射板61和62和立管模型夹持装置7。可以采购技术参数合适的三轴力传感器10、激光位移传感器、三向加速度传感器15和性能优良的多通道数据采集仪。批量定制采购尺寸合适的方形截面铝合金管材。采购配套的光滑的第一和第二直线导轨31和32，第一和第二空气轴承41和42及导轨支撑座5。海洋立管模型1的制作过程如下：首先将一端开口一端密封的有机玻璃薄壁管12竖直摆放，开口朝上，在接头11的外表面均匀涂抹防水胶，用量适宜，厚度适中，将接头11缓慢地从有机玻璃薄壁管12的开口端嵌入，嵌入深度不宜过多，以接头11上表面与有机玻璃薄壁管12开口端面齐平为宜。待防水胶风干后，将三轴力传感器10利用其中心的通孔缓慢地旋入接头11的凸出螺柱上；后将法兰盘9覆盖于三轴力传感器10上表面，利用四组螺栓密实固定，避免松动；再将准备好的钢制螺杆8完全旋入钢制法兰盘9上侧的通孔内，保证紧密连接；最后将三轴力传感器10通过匹配的导线连接至多通道数据采集仪。待以上流程完毕，海洋立管模型1基本制作完成。

利用直角连接件组装购置的铝合金管材，将其搭建成一个可横跨于循环水槽上的双层的支持框架2，将该支持框架2通过吊车横跨于循环水槽之上并完成底部的固定。在支持框架2的两层分别用螺栓固定四个导轨支撑座5，准备四根套有较大的第一空气轴承41的光滑的第一直线导轨31(每根套一个)，将它们两两一组安装在已固定的导轨支撑座5之间，并旋紧支撑座5上部的螺栓。对一层而言，调整两根光滑直线导轨31，使它们处于同一水平面内且保持二者平行。在两个较大的第一空气轴承41下表面分别另安装一个(较小的)导轨支撑座5，将套有较小的第二空气轴承42的较短的光滑的第二直线导轨32以相同的方法约束在较小的导轨支撑座5上。在两个第一空气轴承42下表面整体安装一个立管模型夹持装置7，其凸出部分带有通孔，可与海洋立管模型1中的螺杆8上端固定。在立管模型夹持装置7另一边缘的下侧通过螺栓安装第二激光反射板62。以完全相同的流程完成下层气浮滑轨的安装，在此不做赘述。

在完成循环水槽注水流程后，调整螺杆8与立管模型夹持装置7的相对位置，进而改变海洋立管模型1的吃水深度，试验中要避免吃水深度过大导致三轴力传感器10因遇水而发生故障，同时也要避免吃水过浅而导致的圆柱下端部脱涡效应。

最后，在两个自由度上分别安装不同机械参数的轻质拉簧(即X方向拉簧和Y方向拉簧)进行静水自由衰减测试。其中，三轴力传感器、三向加速度传感器和激光位移传感器共同连接至一台多通道数据采集仪，该采集仪连接计算机，计算机内部安装有相应的数据采集分析软件。所有仪器装置安装完毕后，需要进行调试。调试完毕后，可按工况及试验技术要求进行试验。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，包括双层支持装置、循环波流水槽、两个结构相同的海洋立管模型(1)和数据测量采集系统；并设测试中的水流方向为X方向，垂直于水流方向的横向为Y方向；其特征在于：

所述双层支持装置包括支持框架(2)，所述支持框架(2)上设有两层双自由度气浮滑轨系统，两层双自由度气浮滑轨系统包括上层双自由度气浮滑轨系统和下层双自由度气浮滑轨系统，所述上层双自由度气浮滑轨系统包括第一组直线导轨(31)和第二组直线导轨(32)，每组直线导轨包括两个相互平行的直线导轨；

第一组直线导轨(31)通过导轨支撑座(5)固定在支持框架(2)上，第一组直线导轨(31)的两个直线导轨上均分别设有一个第一空气轴承(41)，所述第一空气轴承(41)与两侧的导轨支撑座(5)之间分别连接有为X方向振动提供恢复刚度的X方向拉簧(171)；

第二组直线导轨(32)的两个直线导轨固定在第一组直线导轨中的两个第一空气轴承(41)之间，第一组直线导轨(31)与第二组直线导轨(32)正交且处于水平面内，第二组直线导轨的两个直线导轨(32)上均分别设有一个第二空气轴承(42)，两个第二空气轴承(42)之间设有立管模型夹持装置(7)，所述立管模型夹持装置(7)与两个第一空气轴承(41)之间分别连接有为Y方向振动提供恢复刚度的Y方向拉簧(172)；所述立管模型夹持装置(7)的一端设有用于夹持其中一个海洋立管模型(1)的通孔，所述通孔的轴向与水平面垂直；

所述下层双自由度气浮滑轨系统与所述上层双自由度气浮滑轨系统的结构相同、且在X方向上对称布置，所述下层双自由度气浮滑轨系统中的立管模型夹持装置用于夹持另外一个海洋立管模型(1)；两层双自由度气浮滑轨系统中的两个海洋立管模型(1)在X方向上分别位于两个立管模型夹持装置(7)的相邻端；

所述海洋立管模型(1)包括同轴设置的有机玻璃薄壁管(12)、接头(11)、法兰盘(9)和螺杆(8)，所述有机玻璃薄壁管(12)的下端密封，所述有机玻璃薄壁管(12)的上端为开口端，所述接头(11)的下端与所述开口端的内壁粘接，所述螺杆(8)的上端穿过所在的立管模型夹持装置(7)上的通孔后用螺母固定，所述螺杆(8)的下端紧密旋入法兰盘(9)上端的螺纹开孔；

所述数据测量采集系统包括激光位移传感装置、两个三向加速度传感器(15)、两个三轴力传感器(10)、多通道数据采集仪和计算机；所述激光位移传感装置用于采集两个海洋立管模型(1)在X方向和Y方向上的位移量；所述三向加速度传感器用于采集两个海洋立管模型(1)的运动加速度；所述三轴力传感器用于采集两个海洋立管模型(1)的受力情况。

2.根据权利要求1所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述的循环波流水槽包括造波/流泵、导流板和消波器，用于提供试验所需的来流条件。

3.根据权利要求1所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述激光位移传感装置、三向加速度传感器和三轴力传感器均连接至所述的多通道数据采集仪，所述多通道数据采集仪与所述计算机相连，所述计算机安装有数据采集分析软件。

4.根据权利要求3所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述数据采集分析软件采用东华测试-DHDAS动态信号采集分析系统。

5.根据权利要求1或3所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述激光位移传感装置包括安装在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个第一激光位移传感器(131)和两个第二激光位移传感器(132)，与上述每个激光位移传感器对应的位置设有一个激光反射板，所述的第一激光位移传感器(131)和两个对应位置的第一激光反射板(61)用于监测两个海洋立管模型(1)在X方向上的运动位移，两个第二激光位移传感器(132)和两个对应位置的第二激光反射板(62)用于监测两个海洋立管模型(1)在Y方向上的运动位移。

6.根据权利要求5所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述的第一激光位移传感器(131)通过第一激光位移传感器支座(141)固定在所述支持框架(2)上的支撑横梁(16)上，与所述的第一激光位移传感器(131)位置对应的第一激光反射板(61)与第二组直线导轨(32)平行；

所述的第二激光位移传感器(132)通过第二激光位移传感器支座(142)固定在所述支持框架(2)上，与所述的第二激光位移传感器(132)位置对应的第二激光反射板(62)与第一组直线导轨(31)平行。

7.根据权利要求1或3所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，两个三向加速度传感器(15)分别固定在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个立管模型夹持装置(7)上表面中部。

8.根据权利要求1或3所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，两个三轴力传感器(10)分别固定在两个海洋立管模型(1)上。

9.根据权利要求1所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述第一空气轴承(41)和第二空气轴承(42)的侧面均开有气孔，所述气孔通过输气管与空气压缩机相连。

10.根据权利要求1所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其特征在于，所述接头(11)的为钢质，所述接头(11)通过防水胶与所述的有机玻璃薄壁管(12)开口端的内壁粘合。

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