CN116989983B - 一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法及装置，构建实验平台；两种工况均包括测量流速的流速计、待测量的立管和设置于立管下端的加速度传感器；敲击立管获取在两种工况分别在有水和无水时的加速度衰减时程；采用随机减量法对加速度衰减时程进行处理，获取立管的一阶自振频率；对实验平台施加不同的水流流速，通过功率谱分析方法得到不同流速下立管的加速度功率谱并计算加速度均方根；获取加速度均方根最大时的共振水流流速，通过共振水流流速、立管直径和一阶自振频率计算立管的约化速度；通过约化速度和实际海洋平台的约化速度进行对比，判断是否发生共振，如发生共振则对立管的材料或直径进行调整。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程与流体动力学技术领域，具体涉及一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法及装置。
背景技术
目前海洋资源开发利用进入了崭新发展阶段：绿色安全可持续的能源供应体系是海洋资源开发利用的必要前提与首要保障。而在海洋工程结构中系泊平台是最为重要设施之一，用于在海洋环境中锚定和稳定各种结构和设备。目前在海上风电、海上石油钻井平台、海洋温差能发电站、漂浮式波浪能发电站等海工结构都会涉及到浮体平台与立管的运用，这些系泊平台的设计和使用会根据具体的项目和环境条件的不同而采取不同的平台结构设计形式，以确保设备和结构能够在海洋环境中安全稳定地运行。
目前海洋温差能、波浪能、海上石油开采等海洋工程结构通常需要设计能承接立管的系泊平台，而考虑两者耦合运动的响应计算仍然是一个复杂的问题。传统的系泊平台和立管设计往往注重强度和稳定性，但在面对复杂的海洋环境时，目前依旧缺乏针平台振动对深水柔性立管涡激振动特性的相关研究。因此需要一种测试系泊平台与立管整体响应的试验装置和分析方法，使得能够分析由于系泊平台自身运动而对立管涡激振动所带来的影响，其结果能够指导大型系泊平台与立管设计。
发明内容
本发明提出了一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法及装置，以解决目前难以针对平台振动以获取深水柔性立管涡激振动特性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建实验平台，所述实验平台包括系泊平台和固定浮体平台，以模拟系泊工况和固定浮体平台工况；两种工况均包括测量流速的流速计、待测量的立管和设置于所述立管下端的加速度传感器；
步骤S2： 敲击所述立管获取在两种工况分别在有水和无水时的加速度衰减时程；
步骤S3：采用随机减量法对所述加速度衰减时程进行处理，获取所述立管的一阶自振频率；
步骤S4：对所述实验平台施加不同的水流流速，通过功率谱分析方法得到不同流速下所述立管的加速度功率谱并计算加速度均方根；
步骤S5：获取所述加速度均方根最大时的共振水流流速，通过所述共振水流流速、立管直径和一阶自振频率计算所述立管的约化速度；
步骤S6：通过所述约化速度和实际海洋平台的约化速度进行对比，判断是否发生共振，如发生共振则对立管的材料或直径进行调整。
优选地，步骤S3中获取所述一阶自振频率的方法包括以下步骤：
步骤S31：截取多组所述加速度衰减时程；
步骤S32：对多组所述加速度衰减时程进行叠加并求算术平均，得到一阶自振频率。
优选地，所述算术平均的表达式为：
；
式中，n表示测量次数，xi(t)表示加速度传感器获取加速度时程信号，E表示数学期望算子，y0表示系统振动初始位移，表示/>时刻的速度，/>表示系统单位脉冲响应函数与外部激励做卷积，D(t)表示初位移为1的自由振动所产生的响应，V(t)表示初速度为1的自由振动响应，/>表示外部随机激励所引起的强迫振动响应。
优选地，步骤S4中所述加速度功率谱的计算方法包括周期图窗法和平均周期图法。
优选地，所述周期图窗法的方法包括以下步骤：先对实测信号进行傅里叶变换，然后将傅里叶变换结果的幅值平方除以信号长度，得到加速度功率谱的值。
优选地，所述平均周期图法的方法包括以下步骤：将测量信号分成多个数据段，这些数据段部分重叠，选取50%的数据重叠，然后使用Hamming窗函数对每个数据段进行加窗处理，饿到加速度功率谱。
优选地，步骤S5中所述约化速度的计算表达式为：
；
式中，U表示水流速度，fn表示一阶自振频率，D表示立管直径。
本发明还提供了一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验装置，适用于上述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，包括甲板、立管、多个浮箱和用于测量水流流速的流速计；
多个所述浮箱设置与所述甲板的底部，通过立柱与所述甲板固定连接；
所述立管的一端与所述甲板相连接，所述立管的另一端设置有测量水流加速的防水加速度传感器；
所述水槽试验装置可通过支撑机构固定于水槽导轨上，以处于固定浮体平台工况；
通过设置与所述浮箱上的导缆孔，所述水槽试验装置可通过铁丝与固定于水槽导轨上的固定弹簧可弹性连接，以处于系泊工况。
优选地，所述立管通过设置与所述甲板下方的套管与所述甲板可拆卸连接。
优选地，所述支撑机构包括两个固定支架，两个所述固定支架设置于所述甲板的两侧，所述固定支架包括支架，所述支架的下方设置有用于托住所述甲板底部的托板，所述支架的上方设置有用于夹住水槽导轨的夹具。
本发明的有益效果至少包括：本发明能有效分析可考虑不同系泊力、立管刚度的影响以及系泊平台的运动对立管涡激振动特性的影响，通过对比两种约束能较为明显的捕捉到系泊平台约束下立管在较高流速下产生的高阶振动模态。此外通过这一装置进行水槽试验和涡激振动分析后可为数值模拟分析结果提供参考，从而验证数值模拟模型正确性，可为大型足尺系泊平台与立管设计提供依据，减少实际运行时立管产生共振而发生事故的风险。
同时试验装置结构简单，易制作，并且能够较为便捷的测量浮体平台与立管整体系统在不同流速下立管的涡激振动响应，以及分析平台自身振动对立管涡激振动的影响，能够为大型浮体平台与立管设计提供参照。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图；
图2为本发明实施例的随机减量法的技术流程示意图；
图3为本发明实施例的试验装置的结构示意图；
图4为本发明实施例的实验装置的侧向结构示意图；
图5为本发明实施例的固定工况的示意图；
图6为本发明实施例的浮动工况的示意图；
图7为本发明实施例的固定支架的结构示意图；
图8为本发明实施例的固定支架与试验装置的连接示意图；
图中，1-甲板、2-立管、3-浮箱、4-流速计、5-防水加速度传感器、6-导缆孔、7-水槽导轨、8-套管、9-撑杆、10-支架、11-托板、12-夹具、13-固定弹簧、14-立柱。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建实验平台，实验平台包括系泊平台和固定浮体平台，以模拟系泊工况和固定浮体平台工况；两种工况均包括测量流速的流速计、待测量的立管和设置于立管下端的加速度传感器。
步骤S2： 敲击立管获取在两种工况分别在有水和无水时的加速度衰减时程。
步骤S3：采用随机减量法对加速度衰减时程进行处理，获取立管的一阶自振频率。
具体地，随机减量法（Random Decrement Technique，RDT）是一种用于模态识别和结构健康监测的分析技术。它通常应用于机械系统或结构的振动响应数据，以识别系统的固有振动特性、振型和阻尼比。其原理如下，通常考虑一个线性系统的结构的振动响应信号可以按下式表示：
；
式中，系统的总响应可以看成三部分组成。为初位移为1的自由振动所产生的响应；/>为初速度为1的自由振动响应；/>和/>分别为系统振动初始位移和初始速度；分别为系统单位脉冲响应函数与外部激励做卷积。
在实际操作中，选择一个适当的常数ti，来截取随机振动信号的响应曲线。对应的时刻记为t0。因此，结构从时刻t0开始的振动响应y(t)可以视为三部分线性叠加而成，即由时刻t0给予结构一定初位移引起的自由振动响应，由时刻t0给予结构一定初速度而引起的自由振动响应，以及由时刻t0开始的外部随机激励所引起的强迫振动响应。
将响应y(t)的时间起点从ti平移到坐标原点，得到一系列稳态响应的样本函数yi(t)，然后对这些样本函数求算术平均，其中E表示数学期望算子，得到：
；
式中，n表示测量次数，xi(t)表示加速度传感器获取加速度时程信号，E表示数学期望算子，y0表示系统振动初始位移，表示/>时刻的速度，/>表示系统单位脉冲响应函数与外部激励做卷积，D(t)表示初位移为1的自由振动所产生的响应，V(t)表示初速度为1的自由振动响应，/>表示外部随机激励所引起的强迫振动响应。
如图2所示，通常认为输入的外部荷载信号激励是平稳，此外结构的响应也是平稳随机过程，当n趋于无穷，即实际操作只需足够大时，上式可以化简为：。由此可知，当有足够多的数据进行叠加平均之后，我们可以获得一个目标衰减曲线。结构的响应可以视为一个初始位移为y0，初始速度为0的自由衰减曲线。采用matlab编程，处理衰减时程数据从而获取立管结构的一阶自振频率。
步骤S4：对实验平台施加不同的水流流速，通过功率谱分析方法得到不同流速下立管的加速度功率谱并计算加速度均方根。
具体地，处理加速度传感去获取到的随机信号的功率谱密度函数是将自相关函数通过傅里叶变换得到，可通过功率谱密度函数展示随机信号的频率分布特性。自功率谱密度函数的数学表达式为：
；
式中，为加速度信号的自相关函数；/>为数据点个数；/>为指数函数；/>为虚数单位。即自功率谱密度为自相关函数的离散傅里叶变换。
计算自功率谱随机信号通常包括两种方法：一种是周期图窗法，首先对实测信号进行傅里叶变换，然后将傅里叶变换结果的幅值平方除以信号长度，得到功率谱密度函数的估计值。另一种则为平均周期图法，采用这一方法能够反映统计参量的平均特性。在该方法中思想是将所测量信号分成多个数据段，这些数据段可部分重叠，可选取50%的数据重叠，然后使用Hamming窗函数对每个数据段进行加窗处理，得到加速度功率谱。平均周期图法通常比周期图窗法的估计更准确。
本发明实施例中最后采用平均周期图法来进行计算，即matlab内置工具箱函数pwelch获取加速度信号自功率谱密度。
步骤S5：获取加速度均方根最大时的共振水流流速，通过共振水流流速、立管直径和一阶自振频率计算立管的约化速度。
具体地，采用两种不同的约束方式进行水槽试验。通常情况下立管的约化速度按；上式子中/>为立管来流速度；/>立管一阶自振频率；/>为立管直径。涡激振动对应的约化速度范围在4至7之间，而水流流速的变化范围可以设定在0.1m/s至0.8m/s。在试验过程中，将加速度传感器放置在立管的末端位置位于横流向位置。通过计算不同流速下横流与顺流向加速度响应的均方根和加速度功率谱，可以较为明显观察到在某个流速附近横流向加速度均方根达到最大，此时即为立管发生涡激共振的流速。通过分析加速度响应信号，可以了解不同流速下立管的振动频率与流速以及加速度响应岁流速变化关系，从而全面理解涡激振动现象。此外通过对比两种平台约束方式下加速度响应均方根，系泊工况可以观察到下在较高流速下立管振动加速度响应增加的情况，与此同时振动频率也远离立管一阶自振频率，这是由于较高流速激发了立管高阶模态所导致的。
通过对比两种约束条件下的试验结果，可以深入分析平台约束对立管涡激振动产生的影响。在实际结构中通过取同样约化速度可以反算出共振频率，在立管结构设计时尽量予以避免涡激振动频率与自振频率接近的情况出现。该装置的结构简单实用，所采用的试验方法经得起验证，为大型系统设计提供了有价值的参考依据。
步骤S6：通过约化速度和实际海洋平台的约化速度进行对比，判断是否发生共振，如发生共振则对立管的材料或直径进行调整。
不同平台约束下，立管加速度振动响应在同样流速下是不同的，然后通过分析加速度均方根达到最大值时的立管横流向振动频率一般会接近立管自振频率从而发生涡激共振，从而可以知道等比放大到实际结构时通过取共振时约化速度一致，来反算出实际结构共振时水流速度。在实际工程中的立管设计水流荷载可根据项目所在地水文监测站获取，在得到实际海流流速，通过计算实际工程立管约化速度，其中/>表示实际海流速度，/>为实际结构立管一阶自振频率，/>为实际结构立管直径。通过计算实际结构立管的约化速度与水槽试验时涡激共振约化速度是否相等判断立管是否有发生涡激共振的可能性，最后可通过调整立管截面和材料选择尽可能地避免立管出现涡激振动的情况出现。此外为了保证立管安全运行，还可用有限元软件对立管直接施加发生涡激共振时的流速，计算立管在发生涡激振动时响应大小，并在此基础上计算立管应力大小，根据立管所选材料容许应力来判断立管在极端条件下是否能达到足够的承载能力，从而判断立管设计是否能安全稳定运行。
如图3和图4所示，本发明还提供了一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验装置，适用于上述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，包括甲板1、立管2、多个浮箱3和用于测量水流流速的流速计4；多个浮箱3设置与甲板1的底部，通过立柱14与甲板1固定连接；立管2的一端与甲板1相连接，立管2的另一端设置有测量水流加速的防水加速度传感器5；水槽试验装置可通过支撑机构固定于水槽导轨7上，以处于固定浮体平台工况，如图5所示；通过设置与浮箱3上的导缆孔6，水槽试验装置可通过铁丝与固定于水槽导轨7上的固定弹簧13可弹性连接，以处于系泊工况，如图6所示。
这样，通过将实验装置设定至不同的实验工况可以对系泊工况和固定浮体平台两种工况进行实验，共同得到立管的振动特性。
本发明实施例中，根据水槽截面选择合适缩尺比，在选择合适缩尺比后选用厚度为3mm的ABS板(密度1.1g/cm3)制作浮体平台模型，为了使实验装置获得足够的刚性，在浮箱3之间通过撑杆9来进行连接，以保证实验装置的稳定性，其尺寸如表1所示：
表1
在系泊工况下，制作垫片固定在浮箱3侧面靠近立管2的位置，在垫片上部开一个0.5cm直径的孔当作导缆孔6。使用4根长70cm直径2mm铁丝底部连接立柱14底部导缆孔6，上端连接固定弹簧13用于调节刚度使得浮体平台处于系泊状态。
在固定浮体平台工况下，通过支撑机构固定于水槽导轨7上，本发明实施例中支撑机构的结构采用如图7所示的固定支架，连接方式如图8所示，通过将两个固定支架设置于甲板1的两侧，将实验装置固定在水槽导轨7上，具体地，固定支架包括支架10，矩形截面横梁并在下端焊接L形支架形成托板11，支架10放置在水槽导轨上后两端用夹具12将支架10固定，之后将浮体平台与立管系统放置在支架10之上，并与水槽导轨7进行固定。本发明实施例中，支架10的横梁采用10cm*20cm的矩形钢管截面，横梁长度可根据水槽截面尺寸来定，需要保证刚度足够以保证能完全固定住浮体平台，横梁垂直向下分别焊接2根10cm*20cm矩形钢管，焊接点为横梁长度方向的各取两个三等分点处，最后在竖向杆件末端的侧面焊接长20cm*宽20cm*厚1cm小钢板作为托板用于支撑平台，最后制作C型夹具，夹具由3块钢板焊接而成，上下钢板尺寸为长15cm*宽11cm*厚0.5cm，C型夹具需要额外考虑水槽导轨7的厚度，所以竖向钢板尺寸为长24cm*宽11cm*厚0.5cm，将三块钢板焊接成C形后在顶部开孔最后用6cm螺丝将支架10固定在水槽导轨7之上。
通过对比固定在支架上的平台工况与平台系泊工况，分析平台运动对立管振动所带来的影响。
本发明实施例中，立管2通过设置与甲板1下方的套管8与甲板1可拆卸连接。这样方便对立管进行更换，以达到测量不同材质和尺寸立管的效果，可以进一步分析平台运动对不同立管振动所带来的影响。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，仅表达了本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：构建实验平台，所述实验平台包括系泊平台和固定浮体平台，以模拟系泊工况和固定浮体平台工况；两种工况均包括测量流速的流速计、待测量的立管和设置于所述立管下端的加速度传感器；
步骤S2： 敲击所述立管获取在两种工况分别在有水和无水时的加速度衰减时程；
步骤S3：采用随机减量法对所述加速度衰减时程进行处理，获取所述立管的一阶自振频率；
步骤S4：对所述实验平台施加不同的水流流速，通过功率谱分析方法得到不同流速下所述立管的加速度功率谱并计算加速度均方根；
步骤S5：获取所述加速度均方根最大时的共振水流流速，通过所述共振水流流速、立管直径和一阶自振频率计算所述立管的约化速度；
步骤S6：通过所述约化速度和海洋系泊平台的约化速度进行对比，判断是否发生共振，如发生共振则对立管的材料或直径进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：步骤S3中获取所述一阶自振频率的方法包括以下步骤：
步骤S31：截取多组所述加速度衰减时程；
步骤S32：对多组所述加速度衰减时程进行叠加并求算术平均，得到一阶自振频率。
3.根据权利要求2所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：所述算术平均的表达式为：
；
式中，n表示测量次数，xi(t)表示加速度传感器获取加速度时程信号，E表示数学期望算子，y0表示实验平台振动初始位移，表示/>时刻的立管振动速度，/>表示单位脉冲响应函数与外部激励做卷积，D(t)表示初位移为1的自由振动所产生的响应，V(t)表示初速度为1的自由振动响应，/>表示外部随机激励所引起的强迫振动响应。
4.根据权利要求1所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：步骤S4中所述加速度功率谱的计算方法包括周期图窗法和平均周期图法。
5.根据权利要求4所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：所述周期图窗法的方法包括以下步骤：先对加速度信号进行傅里叶变换，然后将傅里叶变换结果的幅值平方除以加速度信号长度，得到加速度功率谱的值。
6.根据权利要求4所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：所述平均周期图法的方法包括以下步骤：将加速度信号分成多个数据段，这些数据段部分重叠，选取50%的数据重叠，然后使用Hamming窗函数对每个数据段进行加窗处理，得到加速度功率谱。
7.根据权利要求1所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：步骤S5中所述约化速度的计算表达式为：
；
式中，U表示水流速度，fn表示一阶自振频率，D表示立管直径。
8.一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验装置，适用于如权利要求1-7任一项所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验方法，其特征在于：包括甲板（1）、立管（2）、多个浮箱（3）和用于测量水流流速的流速计（4）；
多个所述浮箱（3）设置于所述甲板（1）的底部，通过立柱（14）与所述甲板（1）固定连接；
所述立管（2）的一端与所述甲板（1）相连接，所述立管（2）的另一端设置有测量水流加速的防水加速度传感器（5）；
所述水槽试验装置通过支撑机构固定于水槽导轨（7）上，以处于固定浮体平台工况；
通过设置于所述浮箱（3）上的导缆孔（6），所述水槽试验装置通过铁丝与固定于水槽导轨（7）上的固定弹簧（13）弹性连接，以处于系泊工况。
9.根据权利要求8所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验装置，其特征在于：所述立管（2）通过设置于所述甲板（1）下方的套管（8）与所述甲板（1）可拆卸连接。
10.根据权利要求8所述的一种用于海洋系泊平台与立管的水槽试验装置，其特征在于：所述支撑机构包括两个固定支架，两个所述固定支架设置于所述甲板（1）的两侧，所述固定支架包括支架（10），所述支架（10）的下方设置有用于托住所述甲板（1）底部的托板（11），所述支架（10）的上方设置有用于夹住水槽导轨（7）的夹具（12）。
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