专利名称：阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及海洋工程技术，特别是涉及一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置的技术。
背景技术：
根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。 这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流或海洋平台的运动的作用下， 悬置于海中的海洋平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象，将会导致柔性管件的疲劳破坏。目前为止，对柔性管件涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。通过模型试验方法可以加深对柔性立管涡激振动机理以及海洋平台的运动对立管的涡激振动的影响的认识，并提供可靠的立管涡激振动预报途径和技术。为了使试验中模拟的现象更加接近于自然界中的真实情况，除了采用先进的试验装置，试验中模拟的环境也必须和自然界接近。在实际海洋中，整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的。例如墨西哥湾2000m水深的海域，一般表层300m内的平均流速是300m — 800m水深范围内平均流速的4到5倍，是800m以下平均流速的20倍以上。由此可见，海洋中整个深度范围内的流速截面应该更接近于阶梯状的流场。经过对现有技术文献的检索发现，目前的涡激振动试验装置一般只能在均勻流或剪切流环境下使用。在第14届国际近海与极地工程会议“!Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and Polar Engineering Conference"中白勺论文 "Laboratory Investigation of Long Riser VIV Response”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型试验技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动立管模型产生均勻流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。该试验技术的不足之处在于1)只能模拟小尺度管件的涡激振动，尺度效应难以避免；2)受海洋工程水池拖车速度限制，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动试验；3)受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较小，测得的试验数据较少；4)只能模拟均勻流的涡激振动，难以进行阶梯流下的涡激振动试验；5)不能进行强迫振荡试验；6)不能模拟海洋平台的运动，从而研究平台运动对立管涡激振动的影响。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能进行强迫振荡试验，且能模拟阶梯流下的涡激振动及模拟海洋平台运动的阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置。
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为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置，包括拖曳水池，及用于模拟海洋立管的深海立管模块，所述拖曳水池内装有池水，其池水水面上方架设有一能直线移动的拖车；所述深海立管模块包括立管模型和光纤光栅传感器，所述立管模型是一管件，横置于拖曳水池内并没入池水中，所述光纤光栅传感器有多个，沿立管模型的轴向均布于立管模型表面；其特征在于还包括顶部支撑模块、底部支撑模块、垂直轨道模块、水平轨道模块、套筒模块、测量分析控制模块；
所述水平轨道模块包括两根相互平行的水平直轨，所述两根水平直轨水平挂置在拖车上，每根水平直轨上均设有一沿其轴线滑动的水平滑块，及一用于控制水平滑块滑动的电机；
所述垂直轨道模块有两个，分别为第一垂直轨道模块、第二垂直轨道模块，每个垂直轨道模块均包括有一垂直直轨，每根垂直直轨上均设有一沿其轴线滑动的垂直滑块，及一用于控制垂直滑块滑动的电机，两个垂直轨道模块的垂直直轨分别竖直挂置在两根水平直轨的水平滑块上；
所述顶部支撑模块包括水平支座和第一转动传感结构，所述水平支座固定在第一垂直轨道模块的垂直滑块上，所述第一转动传感结构包括第一加速度传感器和第一万向节，所述立管模型的两端分别为第一连接端、第二连接端，所述第一加速度传感器安装在水平支座上，并经第一万向节连接立管模型的第一连接端；
所述底部支撑模块包括支架安装座和第二转动传感结构，所述支架安装座固定在第二垂直轨道模块的垂直滑块上，所述第二转动传感结构包括第二加速度传感器和第二万向节，所述第二加速度传感器安装在支架安装座上，并经第二万向节连接立管模型的第二连接端；
所述套筒模块包括有一套筒件，所述套筒件套设于立管模型外周，并与底部支撑模块连接，其筒长短于立管模型的管长；
所述测量分析控制模块安装在拖车上，包括连接各光纤光栅传感器的用于采集各光纤光栅传感器感应数据的光纤数据采集子模块，连接第一、第二加速度传感器的用于采集加速度传感器感应数据的力数据采集子模块，及连接四个电机的用于控制四个电机运行的电机控制子模块。进一步的，所述底部支撑模块还包括弹性滑动组件和直线轴承，所述的弹性滑动组件包括前支撑板和后支撑板，所述直线轴承有至少一个，均安装在支架安装座上，各直线轴承的一端各经一滑动轴连接前支撑板，另一端则连接后支撑板，每根滑动轴上均套设有一缓冲弹簧，每根缓冲弹簧的两端分别连接直线轴承及前支撑板；所述第二加速度传感器安装在后支撑板上。进一步的，还包括整流罩模块，所述整流罩模块有四个，其中两个对称安装在第一垂直轨道模块的垂直直轨的两条侧边上，另两个则对称安装在第二垂直轨道模块的垂直直轨的两条侧边上，所述整流罩模块包括整流罩外壳和整流罩边板，每个整流罩外壳均经本模块的整流罩边板以包边方式安装在对应垂直直轨的侧边上，所述整流罩外壳呈一侧窄另一侧宽的机翼状，其窄侧封闭宽侧开放，且其宽侧正对对应垂直直轨。进一步的，所述立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 1。
本发明提供的阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置，利用垂直轨道模块与水平轨道模块的相对运动，及拖车与拖曳水池的相对运动来模拟不同流速的来流，加上套筒模块的局部阻流作用，能进行强迫振荡试验，模拟阶梯流下的涡激振动及模拟海洋平台运动，从而实现在实验室环境下模拟深海立管涡激振动。
图1是本发明实施例的阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置的结构示意图2是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的深海立管模块、顶部支撑模块、底部支撑模块、垂直轨道模块、整流罩模块及套筒模块的立体视图3是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的垂直轨道模块和水平轨道模块的立体视图4是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的深海立管模块的结构示意图5是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的顶部支撑模块的结构示意图6是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的底部支撑模块的主视结构示意图7是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的底部支撑模块的仰视结构示意图8是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的垂直轨道模块及整流罩模块的结构示意图9是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的水平轨道模块的立体视图10是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的整流罩模块的结构示意图11是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的电机的立体图12是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的套筒模块的结构示意图13是本发明实施例阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置中的测量分析控制模块的连接示意图。
具体实施例方式以下结合
对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。如图1-图4所示，本发明实施例所提供的一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置，包括拖曳水池11，及用于模拟海洋立管的深海立管模块1，所述拖
6曳水池11内装有池水，其池水水面上方架设有一能直线移动的拖车10 ；其特征在于还包括顶部支撑模块2、底部支撑模块3、垂直轨道模块4、水平轨道模块5、整流罩模块7、套筒模块8、测量分析控制模块9。如图1、图4所示，所述深海立管模块1包括立管模型15和光纤光栅传感器13，所述立管模型15是一管件，横置于拖曳水池11内并没入池水中，其两端各固定有一立管固定接头14，其单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 :1，所述光纤光栅传感器13 有多个，沿立管模型15的轴向均布于立管模型15表面。如图1、图3、图9所示，所述水平轨道模块5包括两根相互平行的水平直轨36，及固定连接两根水平直轨的支撑梁35，所述两根水平直轨36各经挂钩45水平挂置在拖车10 上，每根水平直轨36上均设有一沿其轴线滑动的水平滑块37，及一用于控制水平滑块37滑动的电机6。如图1、图3、图8所示，所述垂直轨道模块4有两个，分别为第一垂直轨道模块、第二垂直轨道模块，每个垂直轨道模块4均包括垂直直轨33，及固定在垂直直轨33顶端的顶部连接块12，每根垂直直轨33上均设有一沿其轴线滑动的垂直滑块34，及一用于控制垂直滑块34滑动的电机6，两个垂直轨道模块4的垂直直轨33各经顶端的顶部连接块12分别竖直挂置在两根水平直轨36的水平滑块37上。如图1、图5所示，所述顶部支撑模块2包括水平支座17、支撑板18和第一转动传感结构19，所述水平支座17经一顶部连接架16固定在第一垂直轨道模块4的垂直滑块34 上，所述支撑板18固定在水平支座17上，所述第一转动传感结构19包括第一加速度传感器21和第一万向节20，所述立管模型15的两端分别为第一连接端、第二连接端，所述第一加速度传感器21安装在支撑板18上，并经第一万向节20连接立管模型15第一连接端的立管固定接头14。如图1、图6、图7所示，所述底部支撑模块3用于对试验过程中深海立管模块1发生涡激振动时提供缓冲作用，包括支架安装座25、弹性滑动组件22、直线轴承沈和第二转动传感结构23，
所述支架安装座25经一底部连接架M固定在第二垂直轨道模块4的垂直滑块34上； 所述的弹性滑动组件22包括前支撑板27和后支撑板30，所述直线轴承沈有至少一个，均安装在支架安装座25上，各直线轴承沈的一端各经一滑动轴观连接前支撑板27，另一端则连接后支撑板30，每根滑动轴观上均套设有一缓冲弹簧四，每根缓冲弹簧四的两端分别连接直线轴承26及前支撑板27 ；
所述第二转动传感结构23包括第二加速度传感器31和第二万向节32，所述第二加速度传感器31安装在后支撑板30上，并经第二万向节32连接立管模型15第二连接端的立管固定接头14。如图1、图12所示，所述套筒模块8包括套筒连接杆40和套筒件41，所述套筒件 41套设于立管模型15外周，并经套筒连接杆40连接底部支撑模块3固接，其筒长短于立管模型15的管长，在套筒件41的作用下，套在套筒件41内的立管模型15管段在模拟试验中不受水流的作用，从而能模拟阶梯流。如图1、图12所示，所述测量分析控制模块9安装在拖车10上，包括连接深海立管模块1中各光纤光栅传感器的用于采集各光纤光栅传感器感应数据的光纤数据采集子模块42，连接顶部支撑模块2中的第一加速度传感器及底部支撑模块3中的第二加速度传感器的用于采集加速度传感器感应数据的力数据采集子模块43，及连接四个电机6的用于控制四个电机运行的电机控制子模块44。如图1、图10所示，所述整流罩模块7有四个，其中两个对称安装在第一垂直轨道模块的垂直直轨33的两条侧边上，另两个则对称安装在第二垂直轨道模块的垂直直轨33 的两条侧边上，用于减小模拟装置运动过程中的阻力和兴波，所述整流罩模块7包括整流罩外壳38和整流罩边板39，每个整流罩外壳38均经本模块的整流罩边板39以包边方式安装在对应垂直直轨33的侧边上，所述整流罩外壳38呈一侧窄另一侧宽的机翼状，其窄侧封闭宽侧开放，且其宽侧正对对应垂直直轨33。本发明实施例中，所述拖车10和拖曳水池11均为现有技术，拖车10可实现双向不同速度下的勻速直线运动，拖曳水池11装一定深度的池水，为立管模型15提供水环境， 池水与立管模型15相对运动即可模拟不同流速的阶梯流。本发明实施例进行模拟实验时，能够安装大尺度立管模型，避免尺度效应，还能够充分利用拖车的高速来模拟大尺度立管模型实雷诺数涡激振动，还能够充分利用拖曳水池的长度，进行长距离测试，获得的更长更稳定的试验数据，还能够利用垂直轨道模块和水平轨道模块来进行立管模型的强迫振荡试验，还能够利用垂直轨道模块和水平轨道模块的运动来模拟海洋平台的运动，从而研究海洋平台运动对立管涡激振动的影响，由于在立管模型部分管段外部设置套筒件，使得套筒件内部的立管模型管段在试验中不受水流的作用， 能实现阶梯流的模拟，使得模拟立管模型的外部环境更加真实。本发明实施例根据顶部支撑模块、底部支撑模块及两个垂直轨道模块的运动状态，可以将研究的问题分为以下几类
1)测量分析控制模块通过电机控制顶部支撑模块和底部支撑模块停止沿垂直轨道模块运动，并使两个垂直轨道模块停止沿水平轨道模块运动，此时让拖车带动整个装置运动， 可以研究深海立管在不受海洋平台运动影响下的涡激振动；
2)测量分析控制模块通过电机控制两个垂直轨道模块停止沿水平轨道模块运动，并使顶部支撑模块和底部支撑模块沿着各自的垂直轨道模块同步的做垂直方向上的往复运动， 而拖车不动，就可以研究深海立管的强迫振动；
3)测量分析控制模块通过电机控制顶部支撑模块沿着垂直轨道模块做垂直方向的往复运动，并使底部支撑模块、两个垂直轨道模块及拖车停止运动，就可以研究深海立管只在海洋平台运动的作用下的涡激振动；
4)测量分析控制模块通过电机控制顶部支撑模块沿着垂直轨道模块做垂直方向的往复运动，并使底部支撑模块和两个垂直轨道模块运动，同时让拖车带动整个装置运动，就可以研究深海立管在流向垂直于海洋平台运动方向的来流作用下以及海洋平台运动的影响下的涡激振动；
5)测量分析控制模块通过电机控制顶部支撑模块和底部支撑模块停止沿垂直轨道模块运动，并使与顶部支撑模块相连的垂直轨道模块沿水平轨道模块做水平方向的往复运动，使另一垂直轨道模块停止沿水平轨道模块运动，让拖车带动整个装置运动，就可以研究深海立管在流向平行于海洋平台运动方向的来流作用下以及海洋平台运动的影响下的涡激振动；6)测量分析控制模块通过电机控制顶部支撑模块沿垂直轨道模块做垂直方向的往复运动，使与顶部支撑模块相连的垂直轨道模块沿水平轨道模块做水平方向的往复运动，并在运动过程中调整它们的运动速度，使底部支撑模块停止沿垂直轨道模块运动，使与底部支撑模块相连的垂直轨道模块停止沿水平轨道模块运动，让拖车带动整个装置运动，就可以研究深海立管在海洋平台的各种方向的运动影响下来流对其造成的涡激振动。
权利要求
1.一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置，包括拖曳水池，及用于模拟海洋立管的深海立管模块，所述拖曳水池内装有池水，其池水水面上方架设有一能直线移动的拖车；所述深海立管模块包括立管模型和光纤光栅传感器，所述立管模型是一管件，横置于拖曳水池内并没入池水中，所述光纤光栅传感器有多个，沿立管模型的轴向均布于立管模型表面；其特征在于还包括顶部支撑模块、底部支撑模块、垂直轨道模块、 水平轨道模块、套筒模块、测量分析控制模块；所述水平轨道模块包括两根相互平行的水平直轨，所述两根水平直轨水平挂置在拖车上，每根水平直轨上均设有一沿其轴线滑动的水平滑块，及一用于控制水平滑块滑动的电机；所述垂直轨道模块有两个，分别为第一垂直轨道模块、第二垂直轨道模块，每个垂直轨道模块均包括有一垂直直轨，每根垂直直轨上均设有一沿其轴线滑动的垂直滑块，及一用于控制垂直滑块滑动的电机，两个垂直轨道模块的垂直直轨分别竖直挂置在两根水平直轨的水平滑块上；所述顶部支撑模块包括水平支座和第一转动传感结构，所述水平支座固定在第一垂直轨道模块的垂直滑块上，所述第一转动传感结构包括第一加速度传感器和第一万向节，所述立管模型的两端分别为第一连接端、第二连接端，所述第一加速度传感器安装在水平支座上，并经第一万向节连接立管模型的第一连接端；所述底部支撑模块包括支架安装座和第二转动传感结构，所述支架安装座固定在第二垂直轨道模块的垂直滑块上，所述第二转动传感结构包括第二加速度传感器和第二万向节，所述第二加速度传感器安装在支架安装座上，并经第二万向节连接立管模型的第二连接端；所述套筒模块包括有一套筒件，所述套筒件套设于立管模型外周，并与底部支撑模块连接，其筒长短于立管模型的管长；所述测量分析控制模块安装在拖车上，包括连接各光纤光栅传感器的用于采集各光纤光栅传感器感应数据的光纤数据采集子模块，连接第一、第二加速度传感器的用于采集加速度传感器感应数据的力数据采集子模块，及连接四个电机的用于控制四个电机运行的电机控制子模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述底部支撑模块还包括弹性滑动组件和直线轴承，所述的弹性滑动组件包括前支撑板和后支撑板，所述直线轴承有至少一个，均安装在支架安装座上，各直线轴承的一端各经一滑动轴连接前支撑板，另一端则连接后支撑板，每根滑动轴上均套设有一缓冲弹簧，每根缓冲弹簧的两端分别连接直线轴承及前支撑板；所述第二加速度传感器安装在后支撑板上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括整流罩模块，所述整流罩模块有四个，其中两个对称安装在第一垂直轨道模块的垂直直轨的两条侧边上，另两个则对称安装在第二垂直轨道模块的垂直直轨的两条侧边上，所述整流罩模块包括整流罩外壳和整流罩边板，每个整流罩外壳均经本模块的整流罩边板以包边方式安装在对应垂直直轨的侧边上，所述整流罩外壳呈一侧窄另一侧宽的机翼状，其窄侧封闭宽侧开放，且其宽侧正对对应垂直直轨。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 :1。
全文摘要
一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置，涉及海洋工程技术领域，所解决的是在阶梯流下模拟深海立管涡激振动的技术问题。该装置包括拖曳水池、拖车、深海立管模块、顶部支撑模块、底部支撑模块、垂直轨道模块、水平轨道模块、套筒模块、测量分析控制模块；所述水平轨道模块挂置在拖车上，所述垂直轨道模块有两个，分别竖直挂置在水平轨道模块上；所述顶部支撑模块及底部支撑模块分别安装在两个垂直轨道模块上，且均设有加速度传感器；所述套筒模块中的套筒件套设于深海立管模块的立管模型外周；所述测量分析控制模块连接各光纤光栅传感器、各加速度传感器及各电机。本发明提供的装置，能在阶梯流下模拟深海立管涡激振动。
文档编号G01M10/00GK102313636SQ201110219619
公开日2012年1月11日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者付世晓, 周青, 李曼 申请人:上海交通大学