专利名称：均匀流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及海洋工程领域，尤其是一种均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置。
背景技术：
海底管道铺设于崎岖的海床上，由于海床轮廓的不均勻性及海床底流、潮汐等因素的共同作用，在管道铺设路径上的某些区域，管道暴露在外形成悬空段。在环境载荷的长期作用下，悬空段极容易疲劳失效。在各种失效形式中，以涡激振动的出现概率最高且危害性最大，即管道上漩涡的周期性脱落引起作用在管道上的横向及流向交变外力，造成物体振动。学术界一致认为横向振动比流向振动要打的多，故而一般限制管件仅在垂直于来流方向上具有自由度，以简化问题的复杂程度。在上述工况下，管件悬空部分的高度一般在管道的直径范围左右，海底的表面效应/边界效应对管件振动的影响很大，不能运用无边界影响的立管的涡激振动的实验结果。从而造成了该问题试验数据的缺乏。另一方面，即使已经有一些学者在采用模型试验的方法来认识海底管道的振动问题，但现有的试验模型一般不考虑管道与来流的耦合作用，而是采用刚性固定的管件，测量其在均勻来流下的受力情况，由于管道没有振动，不会对流场有反馈干扰，一定程度上简化了问题的难度。然而，要想更加深入的了解海底管道的振动问题，管件与流场的相互耦合还是要考虑在内的，遗憾的是，很少有学者进行此方面的工作。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置。本发明是通过以下技术方案实现的
一种均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置，包括深海管道模块、 第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一滑动模块、第二滑动模块、第一固定模块、第二固定模块、测量分析控制模块和假底模块，其中深海管道模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块固定连接，第一滑动模块分别与第一端部假体模块和第一固定模块连接，第二滑动模块分别与第二端部假体模块和第二固定模块连接，第一固定模块用于与拖车底部的一端固定连接并与第一滑动模块连接，第二固定模块用于与拖车底部的另一端固定连接并与第二滑动模块连接，测量分析控制模块分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一滑动模块以及第二滑动模块相连接，假底模块位于深海管道模块的下方，用于与拖车底部固定连接。所述第一端部假体模块包括第一假体外筒、第一三分力仪、第一三分力仪固定板、第一楔块、第一支座、第一调整组件、第一固定板、第一垫板、第一挡流板，其中第一假体外筒与第一挡流板固定连接，第一三分力仪分别与深海管道模块中的第一固定接头和第一三分力仪固定板相连，第一三分力仪固定板一端与第一三分力仪连接，另一端与第一楔块固接，第一楔块贯穿第一挡流板，并在第一挡流板内侧与第一挡流板固接，第一挡流板另一侧的第一楔块与第一垫板连接，第一固定板通过第一垫板与第一楔块固接，第一调整组件分别与第一固定板和第一滑动模块固接。所述第二端部假体模块包括第二假体外筒、第二三分力仪、第二三分力仪固定板、第二楔块、第二支座、第二调整组件、第二固定板、第二垫板、第二挡流板，其中第二假体外筒与第二挡流板固定连接，第二三分力仪分别与深海管道模块中的第二固定接头和第二三分力仪固定板相连，第二三分力仪固定板一端与第二三分力仪连接，另一端与第二楔块固接，第二楔块贯穿第二挡流板，并在第二挡流板内侧与第二挡流板固接，第二挡流板另一侧的第二楔块与第二垫板连接，第二固定板通过第二垫板与第二楔块固接，第二调整组件分别与第二固定板和第二滑动模块固接。所述第一滑动模块包括第一动力组件、第一法兰装置、第一滑块、第一导链、第一滑动轨道和第一整流罩，其中第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑动轨道相连，第一动力组件的旋转轴通过第一导链连接至第一滑块，第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上， 并与第一端部假体模块中的第一调整组件相固接，第一滑动轨道垂直于用于模拟海水环境的拖曳水池的池底并与第一固定模块垂直，第一滑动轨道的上端与第一固定模块固定连接，下端自由悬空；第一滑动轨道的两侧安装有整流罩。所述第二滑动模块包括第二动力组件、第二法兰装置、第二滑块、第二导链、第二滑动轨道和第二整流罩，其中第二动力组件通过第二法兰装置与第二滑动轨道相连，第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二滑块，第二滑块滑动支撑在第二滑动轨道上， 并与第二端部假体模块中的第二调整组件相固接，第二滑动轨道垂直于用于模拟海水环境的拖曳水池的池底并与第二固定模块垂直，第二滑动轨道的上端与第二固定模块固定连接，下端自由悬空；第二滑动轨道的两侧安装有整流罩。所述第一固定模块包括第一水平固定板、第一水平固定块和第一支撑架，其中 第一水平固定板上滑动安装有第一水平固定块，第一水平固定块与第一滑动模块中的第一滑动轨道固接，第一支撑架上端与拖车固接，下端与第一水平固定板固接。所述第二固定模块包括第二水平固定板、第二水平固定块和第二支撑架，其中 第二水平固定板上滑动安装有第二水平固定块，第二水平固定块与第二滑动模块中的第二滑动轨道固接，第二支撑架上端与拖车固接，下端与第二水平固定板固接。所述测量分析控制模块包括数据采集器、运动控制器和显示器，其中数据采集器的输入端与第一端部假体模块和二端部假体模块中的两个三分力仪相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器包括运动控制输出端口和图像显示端口，其中运动控制输出端口与第一滑动模块和第二滑动模块中的两套动力组件相连接，图像显示端口与显示器相连接。所述假底模块包括假底板和支撑腿，其中假底板位于海底管道模块下方，假底板的边角处安装有支撑腿，与拖车底部相连。所述支撑腿包括上支撑腿、下支撑腿和固定旋钮，其中上支撑腿为空心结构， 下支撑腿套接在上支撑腿内，两者之间通过固定旋钮固定连接。本发明具有的优点和积极效果是本发明通过在深海管道模型下方设置假底板，成功的模拟了管道临近海底时的海底的表面效应；同时，本发明通过两动力组件在垂直来流方向上迫使管件发生周期性的运动，实现了管件与流场的相互耦合；本发明采用特殊的端部假体模块，其中的第一端部假体模块与第二端部假体模块分别固定在第一滑块和第二滑块上，与深海管道模型相互独立，深海管道模型两端通过两三分力仪直接固在第一滑块和第二滑块上，因此两三分力仪测量得到的数据是深海管道模型上实际所受到的力，而第一端部假体模块和第二端部假体模块起到了制造模拟流场的作用，但不对两三分力仪直接产生影响，解决了实验中深海管道模型两边出现边界效应的问题；本发明采用的管件分段的尺寸与实际管件相仿，这样子在正常的拖车运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数范围，有效的避免了尺度效应。
图1是本发明实施例提供的实验装置在拖车上的安装示意图。图2是本发明实施例提供的实验装置的结构示意图。图3是本发明实施例提供的实验装置的俯视图。图4是本发明实施例提供的深海管道模块的结构示意图。图5是本发明实施例提供的端部假体模块的结构示意图。图6是本发明实施例提供的滑动模块的结构示意图。图7是本发明实施例提供的滑动模块的侧视图。图8是本发明实施例提供的固定模块的结构示意图。图9是本发明实施例提供的固定模块的俯视图。图10是本发明实施例提供的测量分析控制模块的结构示意图。图11是本发明实施例提供的假底模块的结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1、图2和图3所示，本装置包括深海管道模块1、第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一滑动模块4、第二滑动模块5、第一固定模块6、第二固定模块7、测量分析控制模块8和假底模块11，其中深海管道模块1两端分别与第一端部假体模块2和第二端部假体模块3连接，第一滑动模块4分别与第一端部假体模块2和第一固定模块6连接， 第二滑动模块5分别与第二端部假体模块3和第二固定模块7连接，第一固定模块6与拖车9底部的一端固定连接并与第一滑动模块4连接，第二固定模块7与拖车9底部的另一端固定连接并与第二滑动模块5连接，测量分析控制模块8设置于拖车9上，分别与第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一固定模块6、第二固定模块7相连接，假底模块11 位于深海管道模块的下方，与拖车9底部固定连接。如图2和图4所示，深海管道模块1包括第一管道固定接头102、第二管道固定接头103和深海管道模型101，其中深海管道模型101两端分别与第一管道固定接头102 和第二管道固定接头103连接，第一管道固定接头102与第一端部假体模块2固定连接，第
6二管道固定接头103与第二端部假体模块3固定连接。两个管道固定接头和两个端部假体模块之间为固定连接，避免管道模型在实验时发生松动。如图2和图5所示，第一端部假体模块2包括第一假体外筒201、第一三分力仪 202、第一三分力仪固定板203、第一楔块204、第一支座205、第一调整组件206、第一固定板207、第一垫板208、第一挡流板209，其中第一假体外筒201与第一挡流板209固定，第一三分力仪202分别与深海管道模块1中的第一固定接头102和第一三分力仪固定板203 相连，第一三分力仪固定板203 —端与第一三分力仪202连接，另一端与第一楔块204固接，第一楔块204贯穿第一挡流板209，并在第一挡流板209内侧用第一支座205与第一挡流板209固接，第一挡流板209另一侧的第一楔块204与第一垫板208连接，第一固定板 207通过第一垫板208与第一楔块204固接，第一调整组件206分别与第一固定板207和第一滑动模块4固接。第二端部假体3与第一端部假体模块2成镜像对称结构，具体为，第二端部假体模块3包括第二假体外筒、第二三分力仪、第二三分力仪固定板、第二楔块、第二支座、第二调整组件、第二固定板、第二垫板、第二挡流板，其中第二假体外筒与第二挡流板固定连接， 第二三分力仪分别与深海管道模块中的第二固定接头和第二三分力仪固定板相连，第二三分力仪固定板一端与第二三分力仪连接，另一端与第二楔块固接，第二楔块贯穿第二挡流板，并在第二挡流板内侧与第二挡流板固接，第二挡流板另一侧的第二楔块与第二垫板连接，第二固定板通过第二垫板与第二楔块固接，第二调整组件分别与第二固定板和第二滑动模块固接。如图2、图6和图7所示，第一滑动模块4包括第一动力组件401、第一法兰装置 402、第一滑块403、第一导链404、第一滑动轨道405和第一整流罩406，其中第一动力组件401通过第一法兰装置402与第一滑动轨道405相连，其旋转轴通过第一导链404连接至第一滑块403，第一滑块403滑动支撑在第一滑动轨道405上，并与第一端部假体模块2 中的第一调整组件206相固接，第一滑动轨道405垂直于拖曳水池10池底并与第一固定模块6垂直，其上端与第一固定模块6固定连接，下端自由悬空；第一滑动轨道405的两侧安装有整流罩406。第二滑动模块5与第一滑动模块4成镜像对称结构，具体为，第二滑动模块5包括第二动力组件、第二法兰装置、第二滑块、第二导链、第二滑动轨道和第二整流罩，其中 第二动力组件通过第二法兰装置与第二滑动轨道相连，第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二滑块，第二滑块滑动支撑在第二滑动轨道上，并与第二端部假体模块中的第二调整组件相固接，第二滑动轨道垂直于用于模拟海水环境的拖曳水池的池底并与第二固定模块垂直，第二滑动轨道的上端与第二固定模块固定连接，下端自由悬空；第二滑动轨道的两侧安装有整流罩。如图2、图8和图9所示，第一固定模块6包括第一水平固定板601、第一水平固定块602和第一支撑架603 ；其中第一水平固定板601上滑动安装有第一水平固定块602， 第一水平固定块602与第一滑动模块4中的第一滑动轨道405固接；第一支撑架603上端与拖车9固接，下端与第一水平固定板601固接。第二固定模块7与第一固定模块6成镜像对称结构，具体为，第二固定模块7包括第二水平固定板、第二水平固定块和第二支撑架，其中第二水平固定板上滑动安装有第二水平固定块，第二水平固定块与第二滑动模块中的第二滑动轨道固接，第二支撑架上端与拖车固接，下端与第二水平固定板固接。如图10所示，测量分析控制模块8包括数据采集器801、运动控制器802和显示器803，其中数据采集器801的输入端与第一端部假体模块2和第二端部假体模块3中的两个三分力仪相连接，其输出端与显示器803相连接；运动控制器802包括运动控制输出端口和图像显示端口，其中运动控制输出端口与第一滑动模块4和第二滑动模块5中的两套动力组件相连接，图像显示端口与显示器803相连接。如图11所示，假底模块11由假底板1101和支撑腿1102组成，假底板1101位于深海管道模块1下方，假底板的边角上安装有支撑腿1102，支撑腿1102与拖车9底部相连。支撑腿1101由上支撑腿1103、下支撑腿1104和固定旋钮1105组成上支撑腿 1103为空心结构，下支撑腿1102套接在上支撑腿1103内，两者之间通过固定旋钮1105固
定连接。工作原理
试验时，由测量分析控制模块8中的运动控制器802向第一滑动模块4和第二滑动模块5的动力组件以及拖车9发出运动指令拖车9以一定速度在拖曳水池10中沿水平方向前行，在静水中前进获得相对速度，以模拟深海管道模型101静置于均勻来流中的情形，拖车9速度应根据深海管道模型101的尺寸配合实际海况下的雷诺数合理选取；而两动力组件带动深海管道模块1以设定的振幅和频率沿垂直来流方向在第一滑动模块2和第二滑动模块3的滑动轨道上做往复振动，以模拟局部分段受迫振动的情形；根据实验工况不同，可以通过固定旋钮1105改变支撑腿1102长度，调节深海管道模块1与假底模块11之间距离， 获得最佳实验结果。试验过程中，第一端部假体模块2和第二端部假体模块3中的三分力仪测出深海管道模型101在实验过程中的所受力的大小，并将数值传输到测量分析控制模块8中的数据采集器801，数据采集器801进而将数据传输到显示器803显示成可视数据。 显示器803的另一个作用就是显示运动控制器802发出的控制指令。本发明通过在深海管道模型101下方设置假底板1101，成功的模拟了管道临近海底时的海底的表面效应；同时，本发明通过第一滑动模块4和第二滑动模块5的动力组件在垂直来流方向上迫使管件发生周期性的运动，实现了管件与流场的相互耦合；本发明采用特殊的端部假体装置，其中的第一端部假体模块2和第二端部假体模块3分别固定在第一滑动模块4和第二滑动模块5的滑块上，与深海管道模型相互独立，深海管道模型两端通过三分力仪直接固定在第一滑动模块4和第二滑动模块5的滑块上，因此三分力仪测量得到的数据是深海管道模型上实际所受到的力，而第一端部假体模块2和第二端部假体模块 3起到了制造模拟流场的作用，但不对两三分力仪直接产生影响，解决了实验中深海管道模型两边出现边界效应的问题；本发明采用的管件分段的尺寸与实际管件相仿，在正常的拖车9运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数范围，有效的避免了尺度效应。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置，其特征在于，包括深海管道模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一滑动模块、第二滑动模块、第一固定模块、第二固定模块、测量分析控制模块和假底模块，其中深海管道模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块固定连接，第一滑动模块分别与第一端部假体模块和第一固定模块连接，第二滑动模块分别与第二端部假体模块和第二固定模块连接，第一固定模块用于与拖车底部的一端固定连接并与第一滑动模块连接，第二固定模块用于与拖车底部的另一端固定连接并与第二滑动模块连接，测量分析控制模块分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一滑动模块以及第二滑动模块相连接，假底模块位于深海管道模块的下方，用于与拖车底部固定连接。
2.根据权利要求1所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述深海管道模块包括第一管道固定接头、第二管道固定接头和深海管道模型，其中深海管道模型两端分别与第一管道固定接头和第二管道固定接头连接，第一管道固定接头与第一端部假体模块固定连接，第二管道固定接头与第二端部假体模块固定连接。
3.根据权利要求1所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述第一端部假体模块包括第一假体外筒、第一三分力仪、第一三分力仪固定板、第一楔块、第一支座、第一调整组件、第一固定板、第一垫板、第一挡流板，其中第一假体外筒与第一挡流板固定连接，第一三分力仪分别与深海管道模块中的第一固定接头和第一三分力仪固定板相连，第一三分力仪固定板一端与第一三分力仪连接，另一端与第一楔块固接，第一楔块贯穿第一挡流板，并在第一挡流板内侧与第一挡流板固接，第一挡流板另一侧的第一楔块与第一垫板连接，第一固定板通过第一垫板与第一楔块固接，第一调整组件分别与第一固定板和第一滑动模块固接；所述第二端部假体模块包括第二假体外筒、第二三分力仪、第二三分力仪固定板、第二楔块、第二支座、第二调整组件、第二固定板、第二垫板、第二挡流板，其中第二假体外筒与第二挡流板固定连接，第二三分力仪分别与深海管道模块中的第二固定接头和第二三分力仪固定板相连，第二三分力仪固定板一端与第二三分力仪连接，另一端与第二楔块固接， 第二楔块贯穿第二挡流板，并在第二挡流板内侧与第二挡流板固接，第二挡流板另一侧的第二楔块与第二垫板连接，第二固定板通过第二垫板与第二楔块固接，第二调整组件分别与第二固定板和第二滑动模块固接。
4.根据权利要求1所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述第一滑动模块包括第一动力组件、第一法兰装置、第一滑块、第一导链、 第一滑动轨道和第一整流罩，其中第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑动轨道相连， 第一动力组件的旋转轴通过第一导链连接至第一滑块，第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上，并与第一端部假体模块中的第一调整组件相固接，第一滑动轨道垂直于用于模拟海水环境的拖曳水池的池底并与第一固定模块垂直，第一滑动轨道的上端与第一固定模块固定连接，下端自由悬空；第一滑动轨道的两侧安装有整流罩；所述第二滑动模块包括第二动力组件、第二法兰装置、第二滑块、第二导链、第二滑动轨道和第二整流罩，其中第二动力组件通过第二法兰装置与第二滑动轨道相连，第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二滑块，第二滑块滑动支撑在第二滑动轨道上，并与第二端部假体模块中的第二调整组件相固接，第二滑动轨道垂直于用于模拟海水环境的拖曳水池的池底并与第二固定模块垂直，第二滑动轨道的上端与第二固定模块固定连接，下端自由悬空；第二滑动轨道的两侧安装有整流罩。
5.根据权利要求1所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述第一固定模块包括第一水平固定板、第一水平固定块和第一支撑架，其中第一水平固定板上滑动安装有第一水平固定块，第一水平固定块与第一滑动模块中的第一滑动轨道固接，第一支撑架上端用于与拖车固接，下端与第一水平固定板固接；所述第二固定模块包括第二水平固定板、第二水平固定块和第二支撑架，其中第二水平固定板上滑动安装有第二水平固定块，第二水平固定块与第二滑动模块中的第二滑动轨道固接，第二支撑架上端用于与拖车固接，下端与第二水平固定板固接。
6.根据权利要求1所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述测量分析控制模块包括数据采集器、运动控制器和显示器，其中数据采集器的输入端与第一端部假体模块和二端部假体模块中的两个三分力仪相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器包括运动控制输出端口和图像显示端口，其中运动控制输出端口与第一滑动模块和第二滑动模块中的两套动力组件相连接，图像显示端口与显示器相连接。
7.根据权利要求1所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述假底模块包括假底板和支撑腿，其中假底板位于海底管道模块下方， 假底板的边角处安装有支撑腿，用于与拖车底部相连。
8.根据权利要求7所述的均勻流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置， 其特征在于，所述支撑腿包括上支撑腿、下支撑腿和固定旋钮，其中上支撑腿为空心结构，下支撑腿套接在上支撑腿内，上支撑腿与下支撑腿之间通过固定旋钮固定连接。
全文摘要
本发明提供了一种均匀流下的深海管道分段模型垂直来流强迫振动实验装置，包括深海管道模块、假体模块、固定模块、滑动模块、测量分析控制模块和假底模块，其中，深海管道模块两端分别与端部假体模块连接，滑动模块分别与端部假体和固定模块连接，固定模块与拖车底部固定连接，测量分析控制模块设置于拖车上，分别与端部假体模块、滑动模块相连接，假底模块与拖车底部固定连接。本发明通过在深海管道模型下方设置假底板，可以模拟海底的表面效应；实现了管件与流场的相互耦合；采用特殊的端部假体模块，解决了深海管道模型两边边界效应的问题；本发明采用的管件分段的尺寸与实际管件相仿，试验工况可以达到实雷诺数范围。
文档编号G01M7/04GK102359855SQ201110232579
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者付世晓, 周青, 宋斌, 宋磊建, 张蒙蒙 申请人:上海交通大学