倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置。
【背景技术】
[0002]海洋立管是连接顶部浮式平台与海底井口的重要装备，在深海油气开采、输运过程中应用广泛。对于深海立管系统而言，它所承受的海洋环境荷载主要来自于海流的作用。当海流经过立管结构物时，会在立管两侧产生交替的旋涡脱落，诱使涡激振动现象发生，涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。
[0003]海洋立管顶端一般与浮式平台连接。平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生周期性变化，从而导致立管在水平方向上发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏。
[0004]目前，学术界对海洋立管涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。研究倾角来流条件海洋立管涡激振动最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流的倾角对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，可以发现，整个深度范围内的来流是倾角的阶梯状来流。
[0005]经对现有的技术文献检索发现，国内外对于倾角来流条件海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流单根立管涡激振动试验已有开展。2005 年第 21 期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文 “Laboratorymeasurements of vortex-1nduced vibrat1ns of a vertical tens1n riser in astepped current ”阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现倾角的阶梯状来流条件，更无法实现立管轴向力周期性变化的试验条件，无法完成倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验观测。
[0006]海洋立管的涡激振动与参激振动一般同时发生，并且相互之间存在耦合作用。同时来流条件并不是理想状态的完全垂直于立管轴向，存在倾角，并且沿着立管轴向的流速分布也存在阶梯状来流情况。经过对现有技术的检索调研发现:倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动发生机制以及振动特性研究仍未得到学术界和工程界的广泛关注。主要原因是试验测量装置的缺乏，无法实现倾角阶梯来流条件涡激振动与参数振动耦合作用同时观测，并控制涡激振动与参数振动的发生条件。
【发明内容】
[0007]本发明针对倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，能够试验模拟倾角的阶梯状来流，对变轴向力海洋立管开展相关试验研究工作，探究其涡激-参激耦合振动发生机理及来流倾角及变化的轴向力对涡激振动的影响等，为工程实际提供必要的试验参考和借鉴。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提出的一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机；所述海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3_，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8mm、壁厚为;自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个长方形豁口，长方形豁口内设有角度卡板，所述角度卡板上设有一个立管安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板，每个角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方向的夹角分别为O度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮，所述滑轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三个滑轮座垫块，每个滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的轴段；所述轴向力往复装置设置在所述拖车上且与所述海洋立管模型的一端连接，所述轴向力往复装置包括支座、电机、连接杆、滑轨、滑块、偏心孔盲板、上部滑轮和下部滑轮，所述电机设置在支座的一端，所述滑轨设置在支座的中部，所述滑块装配在所述滑轨上，所述上部滑轮和下部滑轮均设置在所述支座的另一端，所述偏心孔盲板设置在电机的输出轴上，所述偏心孔盲板上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆的另一端与所述滑块连接；所述海洋立管模型的第二圆柱接头连接钢丝绳，该钢丝绳穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑板外侧的滑轮后依次连接拉力张紧器、拉力弹簧和拉力传感器，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块上；所述钢丝绳和所述海洋立管模型的轴线在同一平面内；所述电机的输出轴中心、所述连接杆的上下对称面、所述滑块的上下对称面均与所述上部滑轮的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮的滑轮槽边缘与所述下部滑轮的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机连接有变频器，所述电机转动，通过所述连接杆使所述滑块在所述滑轨上往复运动，往复运动的振幅是所述连接杆与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化；在所述滑块的往复运动过程中，通过钢丝绳带动所述拉力弹簧作伸缩运动；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是: