专利名称：均匀流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于海洋工程领域，尤其涉及一种均勻流作用下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置。
背景技术：
实际海洋环境中的立管均为细长柔性结构，在洋流的作用下会产生涡激振动。这种振动对整个立管而言，是自激产生的；但如果考虑每一节可以视为刚体的分段，那么这种振动却是受迫振荡。由于柔性立管的每一小部分可以看作为刚性圆柱体，所以要想深入研究细长柔性海洋立管在真实环境的洋流作用下的涡激振动特性，可以从微观的简单的问题入手，即对强迫振荡中的刚性圆柱体在均勻来流作用下的受力、运动响应、尾流形态等进行研究。Ramnarayan Gopalkrishnan 于 1993 年在 MIT 发表的论文“Vortex-Introduced Forces on Oscillating Bluff Cylinders”(圆柱的涡激振动受力研究)是关于刚性管件涡激振动实验研究的，其存在以下不足之处1、试验用立管分段过于细长，如曾有人取分段直径为2. 54cm，长度为60cm，这就导致其装置只能模拟低雷诺数下的涡激振动，不能对真实海况下的高雷诺数状态进行模拟，容易出现尺度效应；2、没有对边界进行有效处理，模型边界效应会影响实验结果。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，旨在解决现有试验装置只能模拟较低雷诺数海况，且没有对立管分段进行边界处理的问题，避免了尺度效应和边界效应对实验结果的影响。 本发明是通过以下技术方案实现的，一种均勻流作用下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，主要由深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一固定模块、第二固定模块、第一滑动模块、第二滑动模块和测量分析控制模块组成，其中深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接，第一固定模块分别与第一端部假体和第一滑动模块连接，第二固定模块分别与第二端部假体和第二滑动模块连接，第一滑动模块与拖车底部一端固定连接，第二滑动模块与拖车底部另一端固定连接，测量分析控制模块设置于拖车上，分别第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一滑动模块、第二滑动模块相连接。
所述的深海立管模块包括两个立管固定接头和深海立管模型，其中深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接。所述的第一端部假体模块包括假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与深海立管模块中的固定接头和三分力仪固定板相连，三分力仪固定板一端与三分力仪连接，另一端与楔块固接，楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和第一固定模块固接； 所述的第二端部假体模块与第一端部假体模块成镜像对称结构。所述的第一滑动模块包括动力组件、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道、支撑架，其中动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一固定模块相固接，支撑架上端与拖车固接，下端与滑动轨道固接， 滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一固定模块垂 直；所述的第二滑动模块与第一滑动模块成镜像对称结构。所述的第一固定模块由整流罩、垂直固定板和垂直固定块组成；所述垂直固定板安装在第一滑动模块中的滑块上，其上滑动安装有垂直固定块，两侧安装有整流罩；所述垂直固定块与第一端部假体模块中的调整组件固接。所述第二固定模块与第一固定模块成镜像对称结构。所述的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上述第一、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；运动控制器共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、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。所述深海立管模型直径为250mm，长度为3m。本发明具有的优点和积极效果是
本发明采用特殊的端部假体装置，其中的第一、二端部假体模块固定于垂直固定块，与中间模型相互独立，立管模型两端通过测力计直接固定于垂直固定块，因此测力计测量得到的数据是中间模型上实际所受到的力，而第一、二端部假体模块起到了制造模拟流场的作用，但不对测量装置直接产生影响，解决了实验中模型两边出现边界效应的问题。采用本发明技术方案，选择合适细长比的立管模型，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IO6范围，有效的避免了尺度效应和两边边界效应的问题。
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立管模块的结构示意图。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固定模块的结构示意图。图7是本发明实施例提供的固定模块的侧视图。图8是本发明实施例提供的滑动模块的结构示意图。图9是本发明实施例提供的滑动模块的俯视图。图10本发明实施例提供的是测量分析控制模块的结构框图。
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，本装置包括深海立管模块1、第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一固定模块5、第二固定模块4、第一滑动模块6、第二滑动模块7和测量分析控制模块8，其中深海立管模块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，第一固定模块5分别与第一端部假体模块2和第一滑动模块6连接，第二固定模块4分别与第二端部假体模块3和第二滑动模块7连接，第一滑动模块6与拖车9 一端底部固定连接并，第二滑动模块7与拖车9另一端底部固定连接，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、第一滑动模块6、第二滑动模块 7相连接。拖车9以一定速度在拖曳水池10中沿水平方向前行。
如图2和图4所示，所述的深海立管模块1包括两个立管固定接头12、13和深海立管模型11，其中深海立管模型11两端分别与两个立管固定接头12、13连接，两个立管固定接头12、13分别与第一端部假体模块2和第二端部假体模块3连接。立管固定接头12、13 为固定连接，避免立管模型11在实验时发生松动。如图2和图5所示，所述的第一端部假体模块2包括假体外筒20、三分力仪21、 三分力仪固定板22、楔块23、支座24、调整组件26、固定板27、垫板28、挡流板25，其中假体外筒20与挡流板25固定，三分力仪21分别与深海立管模块1中的固定接头12、13和三分力仪固定板22相连，三分力仪固定板22 —端与三分力仪21连接，另一端与楔块23固接， 楔块23贯穿挡流板25，并在挡流板25内侧用支座24与挡流板25固接，挡流板25另一侧的楔块23与垫板28连接，固定板27通过垫板28与楔块23固接，调整组件26分别与固定板27和第一固定模块5固接。第二端部假体模块3与第一端部假体模块2是镜像对称结构，在此不再赘述。如图2、图8和图9所示，所述的第一滑动模块6包括动力组件61、法兰装置62、 滑块64、导链66、滑动轨道65、支撑架63，其中动力组件61通过法兰装置61与滑动轨道 65相连，其旋转轴通过导链66连接至滑块64，滑块64滑动支撑在滑动轨道65上，并与第一固定模块5相固接，支撑架63上端与拖车9固接，下端与滑动轨道65固接，滑动轨道65 平行于拖曳水池10池底并与第一固定模块5垂直。第二滑动模块7与第一滑动模块6是镜像对称结构，在此不再赘述。如图2、图6和图7所示，第一固定模块5由整流罩50、垂直固定板51和垂直固定块52组成；所述垂直固定板51安装在第一滑动模块5中的滑块64上，其上滑动安装有垂直固定块52，两侧安装有整流罩50 ；所述垂直固定块52与第一端部假体模块2中的调整组件26固接。所述第二固定模块4与第一固定模块5成镜像对称结构，在此不再赘述。如图10所示，所述的测量分析控制模块8包括数据采集器81 、运动控制器82和显示器83，其中数据采集器81的输入端上述第一、二端部假体模块2、3中的两个三分力仪21想连接，其输出端与显示器83相连接；运动控制器82共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、二滑动模块6、7中的两套动力组件61相连接，图像显示端口与显示器 83相连接。本实施例中，深海立管模型11直径可取250mm，长度可取3m，这样子其细长比达到了 1/12，在拖车9的正常运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数IO6范围，有效的避免了尺度效应。本装置的工作原理
试验时，由测量分析控制模块8中的运动控制器82向动力组件61和拖车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，以模拟深海立管模型11静置于均勻来流中的情形，拖车9速度应根据深海立管模型11的尺寸配合实际海况下的雷诺数合理选取；而动力组件61带动深海立管模块1以设定的振幅和频率沿顺流方向在滑动轨道65上做往复振动，以模拟局部分段受迫振动的情形。试验过程中，端部假体模块中的三分力仪21测出深海立管模型11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81，数据采集器81进而将数据传输到显示器83显示成可视数据。显示器83的另一个作用就是显示运动控制器82发出的控制指令。本装置采用特殊的端部假体装置，其中的第一、二端部假体模块2、3固定于垂直固定块52，与立管模型11相互独立，立管模型11两端通过三分力仪21直接固定于垂直固定块52，因此三分力仪21测量得到的数据是立管模型11上实际所受到的力，而第一、二端部假体模块2、3起到了制造模拟流场的作用，但不对测量装置直接产生影响，能有效解决实验中立管模型11两边出现边界效应的问题。本发明采用的深海立管模型11直径可达 250mm，长度可达3m，细长比达到了 1/12，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IO6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立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述装置主要由深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一固定模块、第二固定模块、第一滑动模块、第二滑动模块和测量分析控制模块组成，其中深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接，第一固定模块分别与第一端部假体模块和第一滑动模块连接，第二固定模块分别与第二端部假体模块和第二滑动模块连接，第一滑动模块与拖车底部一端固定连接，第二滑动模块与拖车底部另一端固定连接，测量分析控制模块设置于拖车上，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、第二滑动模块相连接。
2.如权利要求1所述的均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述的深海立管模块包括两个立管固定接头和深海立管模型，其中深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接。
3.如权利要求2所述的均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一端部假体模块包括假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与深海立管模块中的固定接头和三分力仪固定板相连，三分力仪固定板一端与三分力仪连接，另一端与楔块固接，楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和第一固定模块固接；所述的第二端部假体模块与第一端部假体模块成镜像对称结构。
4.如权利要求3所述的均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一滑动模块包括动力组件、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道、支撑架，其中 动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一固定模块相固接，支撑架上端与拖车固接，下端与滑动轨道固接，滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一固定模块垂直；所述的第二滑动模块与第一滑动模块成镜像对称结构。
5.如权利要求4所述的均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一固定模块由整流罩、垂直固定板和垂直固定块组成；所述垂直固定板安装在第一滑动模块中的滑块上，其上滑动安装有垂直固定块，两侧安装有整流罩；所述垂直固定块与第一端部假体模块中的调整组件固接；所述第二固定模块与第一固定模块成镜像对称结构。
6.如权利要求5所述的均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述的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上述第一、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；运动控制器共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、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.如权利要求2至6中任一所述的均勻流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，其特征在于，所述深海立管模型直径为250mm，长度为3m。
全文摘要
本发明适用于海洋工程领域，提供了一种均匀流下的深海立管分段模型顺流强迫振动实验装置，包括深海立管模块、假体模块、固定模块、滑动模块和测量分析控制模块，其中，深海立管模块两端分别与端部假体模块连接，固定模块分别与端部假体模块和滑动模块连接，滑动模块与拖车一端底部固定连接，测量分析控制模块设置于拖车上，分别与深海立管模块、端部假体模块、滑动模块相连接。本发明旨在解决现有试验装置只能模拟较低雷诺数海况，且没有对立管分段进行边界处理的问题，选择合适细长比的立管模型，可以达到实雷诺数106范围，有效的避免了尺度效应。本发明采用假体来模拟流场，解决了模型两边出现边界效应的问题。
文档编号G01M7/02GK102323028SQ20111023262
公开日2012年1月18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, 李曼, 王俊高, 石础, 陈蓥 申请人:上海交通大学