CN113504021B - 涡激振动实验超柔性立管模型 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡激振动实验超柔性立管模型，包括：热缩管、硅胶棒、金属丝和光纤光栅传感器组件；所述金属丝导入所述硅胶棒内部，所述硅胶棒表面安装所述光纤光栅传感器组件，所述热缩管套装在所述硅胶棒和所述光栅传感器组件外侧。柔性硅胶管具备低弯曲刚度，金属丝可保证立管模型质量比，从而使得制作的模型能够在较低流速及小规模水槽或水池中，激发高阶模态涡激振动。可避免较大的实验场地，降低实验成本。

Description

涡激振动实验超柔性立管模型
技术领域
本发明涉及海洋工程技术，具体地，涉及涡激振动实验超柔性立管模型。
背景技术
立管在海洋洋流作用下，其两侧会发生交替的涡旋泄放。交替的涡旋泄放使得立管在顺流向和横流向受到周期性的脉动载荷。当脉动载荷的频率与立管的某一阶固有频率接近时，立管将产生显著的振动，这一流体与结构相互作用的流固耦合现象叫做涡激振动。立管涡激振动是引起立管的疲劳损伤破坏的重要原因，也是工业和学术界关注的重要学术问题。
目前为止，工业和学术界对涡激振动现象认识仍不清晰。模型实验是深入揭示和认识涡激振动的最重要的方法之一。涡激振动实验立管模型是实验的重要构件，立管模型制作的优劣直接影响测试数据的可靠性以及真实状态下立管涡激振动特性现象。
经过对现有技术文献的检所发现，目前的涡激振动立管模型采用玻璃钢材料、PPR管、PVC管或金属等材料制作。在2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Experimental investigation of vortex-induced vibration of longmarine risers”(细长立管涡激振动响应的实验研究)关于柔性立管涡激振动实验研究。文中提到一种柔性立管模型，立管模型外径为27mm,采用玻璃钢材料制作，弯曲刚度572.3N·m2。经分析，该模型制作技术的不足之处为：(1)激发该模型较高的振动模态，需要柔管具有较长的长度；(2)基于此柔管立管模型的涡激振动实验需要具有较大的实验场地，极大增加实验成本。(3)试验管内具有空心管段，防水困难，制作复杂。
专利文献CN104990680A公开了一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型，包括若干条特细导线和薄壁铜管，薄壁铜管外依次设有若干层热塑管、一层硅胶管和呈螺旋线状的硅胶带，薄壁铜管与热塑管之间设有多片应变片，应变片通过接线端子与导线相连，导线的两端与薄壁铜管的一端或两端固定。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种涡激振动实验超柔性立管模型。
根据本发明提供的一种涡激振动实验超柔性立管模型，包括：热缩管、硅胶棒、金属丝和光纤光栅传感器组件；
所述金属丝导入所述硅胶棒内部，所述硅胶棒表面安装所述光纤光栅传感器组件，所述热缩管套装在所述硅胶棒和所述光栅传感器组件外侧；
所述硅胶棒具有低弯曲刚度，所述金属丝保证立管模型质量比。
优选地，所述光栅传感器组件包括光纤光栅应变片和裸光纤丝；
所述光纤光栅应变片和所述裸光纤丝设置有多个；
所述裸光纤丝串联所述光纤光栅应变片成一串所述光栅传感器组件。
优选地，所述光栅传感器组件设置有四串并粘贴在所述硅胶棒侧表面，所述硅胶棒设置为圆柱形，所述硅胶棒截面的四分之一圆处各布置一串所述光栅传感器组件。
优选地，所述硅胶棒通过切削工具切削出硅胶管，所述硅胶管内部设置通孔并允许所述金属丝导入。
优选地，所述金属丝导入所述通孔并通过硅胶水粘连在所述硅胶管中，所述硅胶管通过所述硅胶水粘连切缝。
优选地，所述金属丝包括钢丝和铜丝，所述金属丝通过多根钢丝和铜丝绞合成股，所述金属丝提高立管模型拉伸刚度并减小轴向变形，同时起到配重作用，达到模型质量比要求。
优选地，所述硅胶棒采用硅橡胶材质，所述硅橡胶材料弹性模型相比金属低且具有一定的硬度和回弹性，能够保证模型具有较小的弯曲刚度；
所述热缩管材质包括聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物。
优选地，所述切削工具包括：滑轨、切削刀柄、滑块、夹持四分之一圆块、夹持半圆块和切削刀；
所述夹持半圆块一侧通过螺栓安装两个所述夹持四分之一圆块并与两个所述夹持四分之一圆块形成圆柱形空腔，所述夹持四分之一圆块远离所述夹持半圆块一侧安装所述滑轨，两个所述滑轨安装所述滑块，所述滑块远离所述滑轨一侧安装所述切削刀柄，所述切削刀安装在所述切削刀柄上并放置在所述空腔中。
优选地，所述切削刀包括：可调刀片和连接杆；
所述可调刀片通过所诉连接杆连接所述切削刀柄，所述可调刀片末端设置管状刀头，所述管状刀头内部孔径与所述金属丝直径相同。
优选地，所述硅胶棒导入所述空腔中，所述管状刀头通过滑动所述切削刀柄在所述硅胶棒内部切削出所述通孔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、成本十分低廉、加工与制作简便；
2、能够在较低流速及小规模水槽或水池中，激发高阶模态涡激振动，可避免较大的实验场地，降低实验成本；
3、立管模型为实心模型，没有防水问题；
4、硅胶管模型表面光滑且具有一定硬度，便于光纤光栅应变片应变数据的测量，测量的应变数据真实可靠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为超柔性立管模型结构示意图；
图2为硅胶棒主视图；
图3为光纤光栅传感器组件结构示意图；
图4为光纤光栅传感器组件分布位置左视图；
图5为切削工具结构示意图；
图6为切削工具左视图；
图7为切削刀结构示意图；
图中所示：
Figure BDA0003087650040000031
Figure BDA0003087650040000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1和图2所示，一种涡激振动实验超柔性立管模型，包括：热缩管1、硅胶棒2、金属丝3和光纤光栅传感器组件4；金属丝3导入硅胶棒2内部，硅胶棒2表面安装光纤光栅传感器组件4，热缩管1套装在硅胶棒2和光栅传感器组件4外侧。硅胶棒2通过切削工具切削出硅胶管，硅胶管内部设置通孔并允许金属丝3导入。金属丝3导入通孔并通过硅胶水粘连在硅胶管中，硅胶管通过硅胶水粘连切缝。金属丝3包括钢丝和铜丝，金属丝3通过多根钢丝和铜丝绞合成股。硅胶棒2采用硅橡胶材质；热缩管1材质包括聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物。硅胶管具备低弯曲刚度，金属丝3可保证立管模型质量比，从而使得制作的模型能够在较低流速及小规模水槽或水池中，激发高阶模态涡激振动。
如图3和图4所示，光栅传感器组件4包括光纤光栅应变片5和裸光纤丝6；光纤光栅应变片5和裸光纤丝6设置有多个；裸光纤丝6串联光纤光栅应变片5成一串光栅传感器组件4。光栅传感器组件4设置有四串并粘贴在硅胶棒2侧表面，硅胶棒2设置为圆柱形，硅胶棒2截面的四分之一圆处各布置一串光栅传感器组件4。
如图5至图7所示，切削工具包括：滑轨7、切削刀柄8、滑块9、夹持四分之一圆块10、夹持半圆块11和切削刀12；夹持半圆块11一侧通过螺栓安装两个夹持四分之一圆块10并与两个夹持四分之一圆块10形成圆柱形空腔，夹持四分之一圆块10远离夹持半圆块11一侧安装滑轨7，两个滑轨7安装滑块9，滑块9远离滑轨7一侧安装切削刀柄8，切削刀12安装在切削刀柄8上并放置在空腔中。切削刀12包括：可调刀片13和连接杆14；可调刀片13通过所诉连接杆14连接切削刀柄8，可调刀片13末端设置管状刀头15，管状刀头15内部孔径与金属丝3直径相同。硅胶棒2导入空腔中，管状刀头15通过滑动切削刀柄8在硅胶棒2内部切削出通孔。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
本发明包括：热缩管1、硅胶棒2、金属丝3、光纤光栅传感器组件4和切削工具7-15，其中：硅胶棒2通过切削工具7-15切削为带有金属丝3直径的硅胶管.金属丝3置于硅胶管中并采用硅胶水固定金属丝3和粘补硅胶管切缝，形成复合金属丝-硅胶棒。光纤光栅传感组件4粘贴在硅胶棒2表面。热缩管1套在复合金属丝-硅胶棒外，用于保护光纤光栅传感组件4。
热缩管1采用聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等制成。硅胶棒2采用硅橡胶制作。该材料弹性模型相比金属极低，且具有一定的硬度和回弹性，能够保证模型具有较小的弯曲刚度。金属丝3采用若干根超细钢丝、铜丝等绞合成股，提高立管模型拉伸刚度，减小轴向变形，同时起到配重作用，达到模型质量比要求。
光纤光栅传感器组件4包括光纤光栅应变片5和裸光纤丝6组成，裸光纤丝6依次串联连接光纤光栅应变片5，形成一串光纤光栅应变传感组件4,每个截面的四分之一圆处，各布置一串，用于测量立管模型沿流向和横流向的振动响应应变。
如图5至图7所示，切削工具由滑轨7、切削刀柄8、滑块9、夹持四分之一圆块10、夹持半圆块11和切削刀12构成。硅胶棒2固定于夹持半圆块11和两个夹持四分之一圆块10中，两个夹持四分之一圆块10通过螺栓与夹持半圆块11连接。两个滑轨7通过螺栓固定于对应的两个夹持四分之一圆块10。滑块9安装在滑轨7上，切削刀柄8通过转接法兰固定在两个滑块9上。切削刀片12包括连接杆14和可调刀片13，连接杆14与切削刀柄8连接，可调刀片13与连接杆14相连接。切削硅胶棒2时，手动滑动刀柄8即可完成硅胶棒2的切削，形成内径与金属丝股直径一致的硅胶管。切削工具可采用不锈钢材料制成。
本发明提供的立管模型制作简单，价格低廉，能够在较低流速及小规模水槽或水池中，激发高阶模态涡激振动且测量数据真实可靠。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于，包括：热缩管(1)、硅胶棒(2)、金属丝(3)和光纤光栅传感器组件(4)；
所述金属丝(3)导入所述硅胶棒(2)内部，所述硅胶棒(2)表面安装所述光纤光栅传感器组件(4)，所述热缩管(1)套装在所述硅胶棒(2)和所述光栅传感器组件(4)外侧；
所述光栅传感器组件(4)包括光纤光栅应变片(5)和裸光纤丝(6)；
所述光纤光栅应变片(5)和所述裸光纤丝(6)设置有多个；
所述裸光纤丝(6)串联所述光纤光栅应变片(5)成一串所述光栅传感器组件(4)；
所述硅胶棒(2)通过切削工具切削出硅胶管，所述硅胶管内部设置通孔并允许所述金属丝(3)导入；
所述切削工具包括：滑轨(7)、切削刀柄(8)、滑块(9)、夹持四分之一圆块(10)、夹持半圆块(11)和切削刀(12)；
所述夹持半圆块(11)一侧通过螺栓安装两个所述夹持四分之一圆块(10)并与两个所述夹持四分之一圆块(10)形成圆柱形空腔，所述夹持四分之一圆块(10)远离所述夹持半圆块(11)一侧安装所述滑轨(7)，两个所述滑轨(7)安装所述滑块(9)，所述滑块(9)远离所述滑轨(7)一侧安装所述切削刀柄(8)，所述切削刀(12)安装在所述切削刀柄(8)上并放置在所述空腔中。
2.根据权利要求1所述涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于：所述光栅传感器组件(4)设置有四串并粘贴在所述硅胶棒(2)侧表面，所述硅胶棒(2)设置为圆柱形，所述硅胶棒(2)截面的四分之一圆处各布置一串所述光栅传感器组件(4)。
3.根据权利要求1所述涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于：所述金属丝(3)导入所述通孔并通过硅胶水粘连在所述硅胶管中，所述硅胶管通过所述硅胶水粘连切缝。
4.根据权利要求1所述涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于：所述金属丝(3)包括钢丝和铜丝，所述金属丝(3)通过多根钢丝和铜丝绞合成股。
5.根据权利要求1所述涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于：所述硅胶棒(2)采用硅橡胶材质；
所述热缩管(1)材质包括聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物。
6.根据权利要求1所述涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于，所述切削刀(12)包括：可调刀片(13)和连接杆(14)；
所述可调刀片(13)通过所诉连接杆(14)连接所述切削刀柄(8)，所述可调刀片(13)末端设置管状刀头(15)，所述管状刀头(15)内部孔径与所述金属丝(3)直径相同。
7.根据权利要求6所述涡激振动实验超柔性立管模型，其特征在于：所述硅胶棒(2)导入所述空腔中，所述管状刀头(15)通过滑动所述切削刀柄(8)在所述硅胶棒(2)内部切削出所述通孔。
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