CN114778071A - 一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置及实验方法，所述装置包括导轨装置、升降装置和海缆连接装置。本发明可灵活地调节系统高度、长度、倾斜角度、模型直径以观察海缆在不同悬空工况下结构动力响应的区别；本发明可通过万向节上的拨片选择海缆连接处转动方向以研究海缆横轴向和竖轴向涡激振动的区别；本发明适用性广，采用模块化设计便于安装和操作，通过调节不同的跨长、高度可运用于不同水槽进行悬跨海缆涡激振动。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程模型实验，特别是一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置及实验方法。
背景技术
我国是海洋资源大国，随着岛屿输电、深海风电和漂浮式基础技术发展成熟、应用越来越广泛，大截面、动态海底电缆需求越来越大。但是海底地形和水流环境复杂多变，在海缆下方由于水流波浪等造成的冲刷而经常出现不同类型的悬空段。当水流及波浪经过海缆悬空段时，会在海缆后方形成交替脱落的漩涡。由于漩涡不断脱落，海缆也会在横流向受到交替变化的升力的作用，当漩涡脱落频率即海缆所受升力的频率与海缆所具有的一阶固有频率接近时，将发生“锁定”现象。处于频率锁定现象时海缆横流向振动幅值突增，持续的振动易引发海缆的疲劳损伤。
海底电缆为柔性细长结构，在自重和浮力的作用下会存在一定的垂度，并且，受海底电缆材料抗拉、抗压特性影响，海底电缆会存在一定幅度的变形挠度。同时，由于海底地形的影响海底电缆两端并不水平，使得海底电缆的沿线受力特征复杂多变。上述这些均会对结构的固有频率和振型产生影响。因此海底电缆的涡激振动跟其它海洋立管以及海底管线的涡激振动存在显著区别，为了确保海缆的安全运行亟需开展物理模型实验以进行相关研究工作。
然而，目前针对海底电缆涡激振动的模型试验研究并不多见。已有的研究主要涉及海底电缆在均匀流作用下涡激振动试验以及对海底电缆的自振频率及振动模态的研究。但现有试验条件往往仅考虑海缆水平悬空状态，且海缆两端的固定装置一定程度上限制了海缆运动形态。这使得现有海缆涡激振动试验的海缆悬挂方法较为简单且趋于理想化，难以真正与实际海底电缆的悬挂方式完全匹配，进而导致试验无法完全复演海底电缆实际悬空状态以及在外在动力作用下的涡激振动形态。
因而，为准确仿真海底地形和波浪及水流共同作用下，海底电缆涡激振动时的状态及受力、运动特性，现阶段有必要研发一种能够全面仿真海底电缆涡激振动时的悬空状态的悬挂装置及方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置及实验方法，从而通过调节不同的跨长和高度运用于不同水槽进行悬跨海缆涡激振动。
技术方案：本发明所述的一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置，包括导轨装置、升降装置和海缆连接装置；
所述导轨装置承受结构重力，包括主滑轨、左滑块、右滑块、固定螺栓、螺帽(105)；所述主滑轨固定在实验水槽上，左滑块和右滑块竖直安装在主滑轨上，通过调节左滑块和右滑块之间的距离能够实现不同跨长的实验；
所述升降装置包括右L型悬臂、左L型悬臂、圆形管套、插销；所述左L型悬臂和右L型悬臂的长臂段等距开设小孔，短臂段用于布置海缆，左L型悬臂的短臂端还设有圆形管套，左L型悬臂插入左滑块后再在悬臂的小孔中插入插销用于垂向固定升降装置，升降装置支撑海缆，左L型悬臂和右L型悬臂能够分别调节高度，结合导轨装置能够进行海缆不同悬空跨度、垂度、倾斜角度实验；
所述海缆连接装置包括定滑轮、钢丝、弹簧拉力计、螺纹丝杆、横向滑筒、左万向节、右万向节、拨片、夹片、螺栓；所述定滑轮安装在左L型悬臂的短臂端，与横向滑筒中心在同一水平面，其作用为改变力方向，使垂直向拉力水平作用于海缆，钢丝一端连接弹簧拉力计和螺纹丝杆，绕过定滑轮后另一端与横向滑筒相连，螺纹丝杆用于调节弹簧拉力计中弹簧长度改变拉力的大小，弹簧拉力计为海缆提供拉力，横向滑筒镶嵌在圆形管套内并且能够沿圆形管套轴向滑动，用于连接左万向节并向海缆传递拉力，左万向节能够使海缆连接处在一个平面内转动，左万向节两端设有小孔，横向滑筒一侧的小孔用于限制拨片转动，海缆一侧的小孔为夹片孔，夹片作用为固定海缆，调节夹片上的螺帽能够固定不同直径的海缆，拨片能够绕左万向节转动，插入螺栓固定拨片，限制海缆一个方向的绕轴转动，右万向节及其拨片与左万向节构造类似，右万向节固定在右L型悬臂内侧通过夹片直接与海缆右端相连。
所述主滑轨两侧设有凹槽，将左滑块和右滑块上的固定螺栓插入主滑轨的凹槽能够将左滑块和右滑块横向固定住。
一种涡激振动实验方法，该方法采用上述的海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置，所述方法包括以下步骤：
S1、根据海底电缆所处海域环境，结合试验比尺，实验前设计海缆悬空工况，设计的参数包括海缆直径、跨长、水深、张力、铰接处转动方向；
S2、根据海缆长度移动左滑块和右滑块之间的距离，随后插入固定螺栓4固定滑块；
S3、将左L型悬臂和右L型悬臂分别插入左滑块和右滑块，达到实验水深处时，分别插入插销固定；
S4、拧紧左万向节和右万向节靠近海缆一侧的夹片以固定海缆，此时海缆已经安装在实验装置上，随后根据实验所需的连接处绕轴转动方向转动万向节外侧的拨片，拧紧万向节外侧螺栓；
S5、钢丝一端系住横向滑筒，另一端绕过滑轮后连接螺纹丝杆和弹簧拉力计，结合弹簧拉力计的数值调节螺纹丝杆使达到实验所需拉力。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的涡激振动实验方法。
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的涡激振动实验方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明可灵活地调节系统高度、长度、倾斜角度、模型直径以观察海缆在不同悬空工况下结构动力响应的区别；
2、本发明可通过万向节上的拨片选择海缆连接处转动方向以研究海缆横轴向和竖轴向涡激振动的区别；
3、本发明适用性广，采用模块化设计便于安装和操作，通过调节不同的跨长、高度可运用于不同水槽进行悬跨海缆涡激振动。
附图说明
图1为海底悬跨海缆涡激振动实验装置示意图；
图2为导轨装置示意图；
图3为升降装置示意图；
图4为海缆连接装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明是一种海底悬跨海缆涡激振动实验装置，包括导轨装置1、升降装置2、海缆连接装置3。导轨装置1作为整个装置的受力基础横向架设在实验水槽上方，升降装置2插入导轨装置1里面的左滑块102和右滑块103中用于布置海缆，海缆连接装置3布置于导轨装置1和升降装置2之间给海缆施加预计的拉力。
如图2所示，导轨装置1用于调节模型不同跨长，包括主滑轨101、左滑块102、右滑块103、固定螺栓104、螺帽105。主滑轨101为简支钢梁结构横向架设于水槽上，左右两侧竖向设置凹槽。钢梁结构的中间镂空，为能够承担足够的外力不变形且能够安装滑块，中间镂空设置为3cm，可放置左滑块102、右滑块103。根据现有海缆常见悬挂跨长及试验比尺，并为保证凹槽与凹槽间的齿具有足够强度不至于在试验中因外力作用而出现微小变形，凹槽竖向贯穿主滑导轨101且为等距1cm布设，凹槽宽度同为0.5cm。左滑块103和右滑块102构造相同，都为中间带矩形套筒的长方形平台，矩形套筒在平台下伸出一定距离以尽可能减小升降装置2与矩形套筒的振动。左滑块102和右滑块103通过长方形平台安放在主滑轨101上进行移动。固定螺栓104位于左滑块102和右滑块103两侧，为外伸的爪形结构，爪型段带有三个与主滑轨101凹槽相契合的矩形长条。矩形长条间距也为1cm，长度与主滑轨101厚度相同。固定螺栓104可在螺栓孔内滑动。实验时将左滑块102和右滑块103移动到所需位置，对准主滑导轨101上的凹槽插入固定螺栓104。固定螺栓104的矩形长条与主滑导轨101上的凹槽紧密贴合，左滑块102和右滑块103被固定在主滑轨101上不再移动。螺帽105可防止左滑块102和右滑块103滑动过程中固定螺栓104掉落。
如图3所示，升降装置2可调节海缆两边支撑的悬跨高度，包括右L型悬臂201和左L型悬臂202、圆形管套203、插销204。为充分减小实验装置对水流及波浪的干扰并保证右L型悬臂201及左L型悬臂202不至于因受力而发生变形，右L型悬臂201及左L型悬臂202的厚度0.7cm、长臂段宽度10cm，短臂段宽度16cm。右L型悬臂201的长臂段布设小孔同于调节试验用悬臂长度，根据海缆悬空高度范围、海缆直径范围及试验比尺，小孔间隔设置为5cm。右L型悬臂201的短臂段则设有万向节的L型结构。右L型悬臂201长臂段可用于调节模型右端入水深度，短臂段迎着水流方向可以使水流直接作用于海缆减小由于悬臂的存在对海缆的影响。左L型悬臂202具有右L型悬臂201的构造之外，在其短臂段还带有圆形管套203。由于圆形管套203的存在，横向滑筒305能够在圆形管套203内滑动，保证海缆能够受到设计的张力。将左L型悬臂202和右L型悬臂201的长臂段插入左滑块102和右滑块103的矩形套筒内，选定所需实验高度后再将插销204插入长臂段小孔内即可固定升降装置2高度。调节不同的悬臂高度即可进行海缆不同悬空高度实验。在真实海洋环境中海缆与来流方向存在一定夹角，由于两边悬臂可独立调节入水深度，因此本发明除了进行海缆水平悬跨涡激振动实验，还可以在竖直平面内进行海缆一定倾角涡激振动实验。
如图4所示，海缆连接装置3通过导轨装置1和升降装置2连接海缆，包括定滑轮301、钢丝302、弹簧拉力计303、螺纹丝杆304、横向滑筒305、左万向节306、右万向节307、拨片308、夹片309、螺栓310。定滑轮301外径2cm通过外伸梁固定在左L型悬臂202短臂段，定滑轮301的作用为改变受力方向将重物垂直的拉力改变方向水平作用于海缆。为保证海缆受到拉力作用定滑轮301与横向滑筒305中心处于同一水平面。弹簧拉力计303为海缆提供拉力的同时还显示其数值。螺纹丝杆304包括螺纹圆柱和螺纹套筒，螺纹圆柱与弹簧拉力计303连接，螺纹套筒与定滑轮301连接。螺纹圆柱和螺纹套筒可相对转动，两者转动时螺纹丝杆304长度的改变带动弹簧拉力计303中的弹簧长度改变，因此海缆所受到的拉力也随之改变。因此对照弹簧拉力计303的拉力数值不断调节螺纹丝杆304可为模型提供准确的拉力。横向滑筒305为直径2cm圆筒形结构，左端为三角顶端带孔支架右端跟左万向节306固结，实验时横向滑筒305在圆形管套203内滑动，反映海缆位移。左万向节306左端和右端留有上下左右四个小孔，左端小孔插入螺栓310后可固定拨片308，右端小孔插入夹片309后可固定海缆。左万向节306左端一半为直径3cm的实心圆柱，一半由倾斜30度的六根小圆柱焊接外径1.5cm内径0.8cm的圆环构成。左万向节306右端一半为带球小棒，小球直径为1cm，小棒直径为0.5cm。左万向节306右端另一半为外径5.5cm内径5cm的带孔圆筒。左万向节306左端实心圆柱与横向滑筒305固结，右端带球圆柱可在六根小圆柱和圆环构成的空间内自由转动，右端圆筒与海缆相连接。右端带球小棒上小球的直径大于左端圆环内径，而且小棒的直径小于圆环内径，因此左万向节306左右两端可在传递拉力的情况下自由转动实现铰接。夹片309由螺帽和带螺钉的弯曲钢片组成。转动螺帽可控制弯曲钢片的深入度，当弯曲钢片紧贴海缆时，海缆在弯曲钢片所施加的环向力作用下被固定在实验装置上。可调节夹片309的深入度以更换更大直径的海缆。由于当圆柱体发生涡激振动时，结构横向振动频率和竖向振动频率不一致。为了探究海缆涡激振动横向振动频率与竖向振动频率之间的联系，本发明在左万向节306左端和右万向节307右端安装拨片308。拨片308左端为带孔圆筒，带孔圆筒使拨片308可绕着万向节轴向转动。拨片308右端为两个矩形钢片，矩形铁片控制海缆连接处对应的转动。同时，矩形钢片可通过带孔圆筒上的铰接孔前后转动，在进行海缆连接处单向转动实验中矩形钢片横流向与海缆平行。观察海缆完全铰接响应时，需将矩形钢片转动90度使矩形钢片顺流向与海缆垂直。例如需要探究海缆竖向振动频率时，将拨片308上小孔转动到万向节左右小孔再插入螺栓310，矩形钢片转动到垂直来流方向，插入螺栓310固定钢片，此时拨片上矩形刚片为竖直状态，海缆连接处在竖直平面内摆动。右万向节307构造以及使用与左万向节306类似。钢丝302一端连接弹簧拉力计303，另一端绕过定滑轮301与横向滑筒305的三角顶孔连接。
因此本发明通过导轨装置、升降装置、海缆连接装置可进行海缆不同悬空高度、倾斜角度、直径以及选择海缆转动方向的涡激振动实验。
采用上述实验装置具体步骤如下：
步骤1、根据海底电缆所处海域环境，结合试验比尺，实验前设计海缆悬空工况，比如海缆直径、跨长、水深、张力、铰接处转动方向等参数。
步骤2、根据海缆长度移动左滑块和右滑块之间的距离，随后插入固定螺栓固定滑块。
步骤3、将左L型悬臂和右L型悬臂分别插入左滑块和右滑块，达到实验水深处时，分别插入插销固定。
步骤4、拧紧左万向节和右万向节靠近海缆一侧的夹片以固定海缆，此时海缆已经安装在实验装置上。随后根据实验所需的连接处绕轴转动方向转动万向节外侧的拨片，拧紧万向节外侧螺栓。
步骤5、钢丝一端系住横向滑筒，另一端绕过滑轮后连接螺纹丝杆和弹簧拉力计。结合弹簧拉力计的数值调节螺纹丝杆使达到实验所需拉力。
Claims (5)
1.一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置，其特征在于，包括导轨装置(1)、升降装置(2)和海缆连接装置(3)；
所述导轨装置(1)承受结构重力，包括主滑轨(101)、左滑块(102)、右滑块(103)、固定螺栓(104)、螺帽(105)；所述主滑轨(101)固定在实验水槽上，左滑块(102)和右滑块(103)竖直安装在主滑轨(101)上，通过调节左滑块(102)和右滑块(103)之间的距离能够实现不同跨长的实验；
所述升降装置(2)包括右L型悬臂(201)、左L型悬臂(202)、圆形管套(203)、插销(204)；所述左L型悬臂(202)和右L型悬臂(201)的长臂段等距开设小孔，短臂段用于布置海缆，左L型悬臂(202)的短臂端还设有圆形管套(203)，左L型悬臂(202)插入左滑块(102)后再在悬臂的小孔中插入插销(204)用于垂向固定升降装置(2)，升降装置(2)支撑海缆，左L型悬臂(202)和右L型悬臂(201)能够分别调节高度，结合导轨装置(1)能够进行海缆不同悬空跨度、垂度、倾斜角度实验；
所述海缆连接装置(3)包括定滑轮(301)、钢丝(302)、弹簧拉力计(303)、螺纹丝杆(304)、横向滑筒(305)、左万向节(306)、右万向节(307)、拨片(308)、夹片(309)、螺栓(310)；所述定滑轮(301)安装在左L型悬臂(202)的短臂端，与横向滑筒(305)中心在同一水平面，其作用为改变力方向，使垂直向拉力水平作用于海缆，钢丝(302)一端连接弹簧拉力计(303)和螺纹丝杆(304)，绕过定滑轮(301)后另一端与横向滑筒(305)相连，螺纹丝杆(304)用于调节弹簧拉力计(303)中弹簧长度改变拉力的大小，弹簧拉力计(303)为海缆提供拉力，横向滑筒(305)镶嵌在圆形管套(203)内并且能够沿圆形管套(203)轴向滑动，用于连接左万向节(306)并向海缆传递拉力，左万向节(306)能够使海缆连接处在一个平面内转动，左万向节(306)两端设有小孔，横向滑筒(305)一侧的小孔用于限制拨片(308)转动，海缆一侧的小孔为夹片孔，夹片(309)作用为固定海缆，调节夹片(309)上的螺帽能够固定不同直径的海缆，拨片(308)能够绕左万向节(306)转动，插入螺栓(310)固定拨片(308)，限制海缆一个方向的绕轴转动，右万向节(307)及其拨片(308)与左万向节(306)构造类似，右万向节(307)固定在右L型悬臂(201)内侧通过夹片(309)直接与海缆右端相连。
2.根据权利要求1所述的一种海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置，其特征在于，所述主滑轨(101)两侧设有凹槽，将左滑块(102)和右滑块(103)上的固定螺栓(104)插入主滑轨(101)的凹槽能够将左滑块(102)和右滑块(103)横向固定住。
3.一种涡激振动实验方法，该方法采用如权利要求1所述的海底电缆涡激振动试验用的海缆悬挂装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、根据海底电缆所处海域环境，结合试验比尺，实验前设计海缆悬空工况，设计的参数包括海缆直径、跨长、水深、张力、铰接处转动方向；
S2、根据海缆长度移动左滑块和右滑块之间的距离，随后插入固定螺栓104固定滑块；
S3、将左L型悬臂和右L型悬臂分别插入左滑块和右滑块，达到实验水深处时，分别插入插销固定；
S4、拧紧左万向节和右万向节靠近海缆一侧的夹片以固定海缆，此时海缆已经安装在实验装置上，随后根据实验所需的连接处绕轴转动方向转动万向节外侧的拨片，拧紧万向节外侧螺栓；
S5、钢丝一端系住横向滑筒，另一端绕过滑轮后连接螺纹丝杆和弹簧拉力计，结合弹簧拉力计的数值调节螺纹丝杆使达到实验所需拉力。
4.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求3所述的涡激振动实验方法。
5.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求3所述的涡激振动实验方法。
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| Publication number | Publication date |
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| CN114778071B (zh) | 2024-04-19 |
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