本发明涉及海洋工程技术领域，特别是涉及一种海底管道涡激振动模拟装置和实验方法。
背景技术：
海洋工程中当海流经过悬空的海底管道时会在其后方形成交替的涡旋脱落现象，产生周期性作用力。悬空的海底管线相当于一个弹簧-阻尼系统，具有特定的频率。当管道的固有频率与流体涡脱落频率接近时，海底管道将自发的产生涡激振动，长期作用将导致管道的疲劳破坏。
涡激振动是一个复杂的流固耦合问题，实验室模拟是一种重要的研究手段。通常的实验模拟装置包括管道模型、弹簧组、滑动轨道和结构框架等，共同组成一个弹簧-阻尼振动系统。实验中通过改变水流速度来研究管道模型发生振动的临界速度、振动幅值和频率等。阻尼是影响涡激振动特性的一个重要因素，模型试验中阻尼主要来自于结构内部的摩擦阻尼。通常摩擦阻尼随振动幅值变化，因此实验中难以实现阻尼的精准测定；同时摩擦阻尼又很难消除和改变，这就很大程度上限制了关于阻尼对于涡激振动影响的研究。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种海底管道涡激振动模拟装置和实验方法，该装置在实验室水槽内模拟提出了一种海底管道涡激振动模拟和测量方法，用以系统研究涡激振动触发及振幅等问题，测试结果准确，可将研究成果应用于海底管线的工程设计。
为此，本发明的技术方案如下：
一种海底管道涡激振动模拟装置，包括水槽、支撑框架、管道模型运动机构和测试系统；
所述支撑框架由架设在所述水槽上沿上的横梁、垂直设置在所述横梁上的两个竖梁、以及设置于所述两个竖梁下部的横撑组成；所述支撑框架为所述横梁、两个竖梁、和横撑构成的固定的矩形框架；
所述管道模型运动机构，包括模拟管道、直线导轨、导轨滑块和横杆；所述导轨滑块有四块，分别对称固定在所述两个竖梁上；所述直线导轨有两个，分别通过导轨滑块安装在所述两个竖梁上，所述直线导轨能自由上下运动；所述横杆、模拟管道分别设置在所述直线导轨的上、下两端，构成一个矩形结构；所述横杆两侧分别设置有主弹簧，通过主弹簧或连杆连接在所述横梁上；
所述测试系统包括控制主机、激光位移传感器、拉压力传感器和流速仪；所述拉压力传感器有两个，分别安装于直线导轨与管道模型交汇处；所述激光位移传感器安装在所述横梁上；所述流速仪安装在模拟管道一侧；所述激光位移传感器、拉压力传感器和流速仪分别通过数据线与所述控制主机连接。
利用如上海底管道涡激振动模拟装置进行自由阻尼下的管道涡激振动模拟，包括如下步骤：
1)向模拟管道施加一个向下的位移，记录激光位移传感器相应的输出电压，并通过拟合得出位移和电压之间的标定系数，导入标定系数，对激光位移传感器进行标定；
2)测定自由振动系统的阻尼系数：向模拟管道施加一个向下的位移然后放开，令系统在仅受重力作用下进行自由振动；利用激光位移传感器记录自由振动振幅的衰减过程，根据公式ζ＝ln(Ai/Ai+n)/(2πn)计算阻尼系数，其中Ai和Ai+n代表第i和i+n次自由振动的振幅；
测定主弹簧的刚度系数：对主弹簧施加一个外力使其伸长，利用拉压力传感器记录所施加的外力，利用激光位移传感器测量主弹簧伸长的长度，然后根据公式K1＝F1/X1计算主弹簧的刚度系数，其中K1为主弹簧的刚度系数，X1为主弹簧伸长的长度，F1为所施加的拉力；
3)向水槽中加入水至实验水位，约模拟管道直径的10倍；开始实验，利用水槽端设置的水泵驱动水槽内水体流动，使水流速度匀速增加，直到管道发生涡激振动。
进一步，所述横杆中部还设有一个附加弹簧；所述附加弹簧上侧安装有丝杠付，所述丝杠付与安装有减速器的伺服电机相连接；所述伺服电机与所述控制主机相连；所述控制主机能控制所述伺服电机的转速，进而调整所述丝杠付的长度，从而调整所述附加弹簧的长度。优选，所述丝杠付的丝杠螺母固定在减速器一侧，丝杠下端直接或者连接轴承后与附加弹簧连接。
利用如上所述海底管道涡激振动模拟装置进行可控阻尼下的管道涡激振动模拟，包括如下步骤：
1)向模拟管道施加一个向下的位移，记录激光位移传感器相应的输出电压，并通过拟合得出位移和电压之间的标定系数，导入标定系数，对激光位移传感器进行标定；
2)测定自由振动系统的阻尼系数：向模拟管道施加一个向下的位移然后放开，令系统在仅受重力作用下进行自由振动；利用激光位移传感器记录自由振动振幅的衰减过程，根据公式ζ＝ln(Ai/Ai+n)/(2πn)计算阻尼系数，其中Ai和Ai+n代表第i和i+n次自由振动的振幅；
测定主弹簧的刚度系数：对主弹簧施加一个外力使其伸长，利用拉压力传感器记录所施加的外力，利用激光位移传感器测量主弹簧伸长的长度，然后根据公式K1＝F1/X1计算主弹簧的刚度系数，其中K1为主弹簧的刚度系数，X1为主弹簧伸长的长度，F1为所施加的拉力；
3)测试附加弹簧的刚度系数：给附加弹簧施加一个外力使其伸长，利用激光位移传感器测量其伸长的长度，利用拉压力传感器测量施加外力的大小，根据公式K2＝F2/X2计算附加弹簧的刚度系数，其中K2为附加弹簧的刚度系数，X2为附加弹簧伸长的长度，F2为所施加的外力；
4)向水槽中加水至实验水深；打开控制主机中的阻尼运动控制程序，在控制程序中输入附加弹簧的刚度系数K2以及预期的附加阻尼C1；控制程序则根据公式X＝C1/K2计算控制丝杠付的运动位移X，控制程序发出相应的控制信号给伺服电机，然后通过减速器的转换，变成丝杠付的运动位移X，从而控制附加弹簧的伸长和缩短，以起到附加运动阻尼的效果。
进一步，所述主弹簧被刚性连杆所替换，去掉所述附加弹簧，将所述丝杠付直接连接在所述减速器和横杆连接。利用该海底管道涡激振动模拟装置进行海底管道强迫振动模拟，包括如下步骤：
1)向模拟管道51施加一个向下的位移，记录激光位移传感器相应的输出电压，并通过拟合得出位移和电压之间的标定系数，导入标定系数，对激光位移传感器进行标定；
2)向水槽中加水至实验水深；在静水或者固定水流速度下，通过控制主机1给定伺服电机81一个固定的正弦信号，来控制所述丝杠付输出的振动幅值和频率，在丝杠付的作用下管道模型运动机构5发生运动。
本发明提供的海底管道涡激振动模拟装置和实验方法具有如下特点：
(一)可调节的系统阻尼
目前实验室中管道涡激振动模拟中的阻尼主要来自结构阻尼，既很难测定，也不可消除，因此对精确研究涡激振动特性带来重要影响。本发明采用主动控制技术，实时测量结构振动位移并反馈给控制主机，通过对位移求导得到模型运动的实时速度，同时分析得到实时的系统阻尼。由于阻尼力是与速度成正比关系的，因此通过控制主机给伺服电机传输相应的信号，改变附加弹簧的长度，对结构施加一个与速度成正比的弹簧力来产生附加阻尼力，从而实现系统总阻尼的改变。该方法既可以增加阻尼，也可以消除阻尼，甚至是实现负阻尼。
(二)采用闭环式控制系统
将自动控制的概念和理论运用于装置的设计。通过在激光位移传感器、数据线缆、数据采集卡、控制程序、交流伺服电机、减速器、连杆、附加弹簧、管道模型和激光位移传感器之间形成一个闭环控制回路。交流伺服驱动器带有集成EMC滤波器，电机轴端带有编码器，电机内部设有位置、速度和电流反馈。伺服系统采用本地控制模式，通过集成显示终端设置驱动器参数为交流伺服电机提供驱动信号。基于ISA/PCI总线能够精确地控制所发出的脉冲频率(电机速度)、脉冲个数(电机转角)及频率变化率(电机加速度)，能够满足全数字伺服电机的各种复杂控制要求。本控制程序采用高精度时间函数实现精确定时，可提高附加运动阻尼的控制精度。
(三)振动位移、受力和流速等多物理参数同步测量
涡激振动是一个流体和结构之间的复杂耦合作用，涉及到结构位移、受力和水流速度等多个物理参数的关联。传统的测量方式通常对各个参数单独测量，然后进行处理，这样很难分析出各物理因素交互作用的定量影响，并获得反映工程实际中的客观规律和各关键参量之间的定量关系，尤其是对于涡激振动这样复杂的流固耦合问题。该同步测量系统的硬件基础为NI公司的USB-6255高速同步数据采集卡，可以同步采集64个通道的模拟信号并可以产生8通道的数字输出信号，可以同时采集激光位移传感器、拉压力传感器和ADV流速仪的数据信号。利用每个传感器的标定曲线对信号进行转变，将其变为物理参数数据，所有的参数数据保存在同一个文件中，实现多物理参数的同步测试和分析。
(四)装置功能的多用途及扩展性
涡激振动是一种由于流体的作用而自发产生的运动，本装置除了可以实现阻尼可控的涡激振动之外，还可以利用伺服电机直接驱动模型实现强迫运动。通过强迫运动可以发现流场的一些基本特性和规律。此时，将弹簧组去掉，将连杆直接连接到管道模型运动机构，通过调节电机的转速，改变运动周期和振幅，以实现管道模型的强迫运动。
此外，多物理参数同步测量系统提供了开放式的数据采集模式，即对于不同的研究项目，可根据需要任意添加和删减采集通道，即增加传感器的种类和数量，为数据后期处理提供了极大的便利。
附图说明
图1为本发明提供的海底管道涡激振动模拟装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种海底管道涡激振动模拟装置，包括水槽、支撑框架6、管道模型运动机构5和测试系统；
所述支撑框架6由架设在所述水槽上沿上的横梁61、垂直设置在所述横梁61上的两个竖梁62、以及设置于所述两个竖梁62下部的横撑63组成；所述支撑框架6为所述横梁61、两个竖梁62、和横撑63构成的固定的矩形框架；(横撑63、两个竖梁62均设置于水槽内部)
所述管道模型运动机构，包括模拟管道51、直线导轨52、导轨滑块53和横杆54；所述导轨滑块53有四块，分别对称固定在所述两个竖梁62上；所述直线导轨52有两个，分别通过导轨滑块53安装在所述两个竖梁62上，所述直线导轨52能自由上下运动；所述横杆54、模拟管道51分别设置在所述直线导轨52的上、下两端，构成一个矩形结构；所述横杆54两侧分别设置有主弹簧55，通过主弹簧55或连杆连接在所述横梁61上；
所述测试系统包括控制主机1、激光位移传感器7、拉压力传感器4和流速仪；所述拉压力传感器4有两个，分别安装于直线导轨52与管道模型51交汇处；所述激光位移传感器7安装在所述横梁61上；所述流速仪安装在模拟管道51一侧；所述激光位移传感器7、拉压力传感器4和流速仪分别通过数据线与所述控制主机1连接。
该装置可用于自由阻尼下的管道涡激振动模拟再测试，步骤如下：
1)向模拟管道51施加一个向下的位移，记录激光位移传感器7相应的输出电压，并通过拟合得出位移和电压之间的标定系数，导入标定系数，对激光位移传感器7进行标定；
2)测定自由振动系统的阻尼系数：向模拟管道51施加一个向下的位移然后放开，令系统在仅受重力作用下进行自由振动；利用激光位移传感器7记录自由振动振幅的衰减过程，根据公式ζ＝ln(Ai/Ai+n)/(2πn)计算阻尼系数，其中Ai和Ai+n代表第i和i+n次自由振动的振幅；
接下来对主弹簧55的刚度系数进行测定：对主弹簧55施加一个外力使其伸长，利用拉压力传感器4记录所施加的外力，利用激光位移传感器7测量主弹簧55伸长的长度，然后根据公式K1＝F1/X1计算主弹簧55的刚度系数，其中K1为主弹簧55的刚度系数，X1为主弹簧伸长的长度，F1为所施加的拉力；
3)向水槽中加入水至实验水位，约模拟管道51直径的10倍。开始实验，利用水槽端设置的水泵驱动水槽内水体流动，使水流速度匀速增加，直到管道发生涡激振动；
4)利用流速仪测量实验过程中的水流速度、利用激光位移传感器测量管道振动位移、利用拉压力传感器测量管道受力；通过对水流速度、振动位移和管道受力三个数据的同步分析，用以判断管道涡激振动的剧烈程度，并最终预测管道发生疲劳破坏的可能性。
实施例2
为了进行可控阻尼下的管道涡激振动模拟，对实施例1所公开的海底管道涡激振动模拟装置加装控制阻尼装置8A，结构为：所述横杆54中部还设有一个附加弹簧84，此时主弹簧和附加弹簧同时工作；所述附加弹簧84上侧安装有丝杠付83，所述丝杠付83与安装有减速器82的伺服电机81相连接；所述伺服电机与所述控制主机1相连；所述控制主机1能控制所述伺服电机81的转速，进而调整所述丝杠付83的长度，从而调整所述附加弹簧84的长度。
具体而言，丝杠付83的丝杠螺母固定在减速器82一侧，丝杠下端直接或者连接轴承后与附加弹簧84连接。
利用该装置进行可控阻尼下的管道涡激振动模拟再测试的步骤如下：
1)向模拟管道51施加一个向下的位移，记录激光位移传感器相应的输出电压，并通过拟合得出位移和电压之间的标定系数，导入标定系数，对激光位移传感器进行标定；
2)测定自由振动系统的阻尼系数：向模拟管道51施加一个向下的位移然后放开，令系统在仅受重力作用下进行自由振动；利用激光位移传感器7记录自由振动振幅的衰减过程，根据公式ζ＝ln(Ai/Ai+n)/(2πn)计算阻尼系数，其中Ai和Ai+n代表第i和i+n次自由振动的振幅；
接下来对主弹簧55的刚度系数进行测定：对主弹簧55施加一个外力使其伸长，利用拉压力传感器4记录所施加的外力，利用激光位移传感器7测量主弹簧55伸长的长度，然后根据公式K1＝F1/X1计算主弹簧55的刚度系数，其中K1为主弹簧55的刚度系数，X1为主弹簧伸长的长度，F1为所施加的拉力；
3)测试附加弹簧84的刚度系数：给附加弹簧施加一个外力使其伸长，利用激光位移传感器7测量其伸长的长度，利用拉压力传感器测量施加外力的大小，根据公式K2＝F2/X2计算附加弹簧84的刚度系数，其中K2为附加弹簧的刚度系数，X2为附加弹簧伸长的长度，F2为所施加的外力；
4)向水槽中加水至实验水深，约为模拟管道51直径的10倍；打开控制主机中的阻尼运动控制程序，在控制程序中输入附加弹簧的刚度系数K2以及预期的附加阻尼C1；控制程序则根据公式X＝C1/K2计算控制丝杠付83的运动位移X，控制程序发出相应的控制信号给伺服电机81，然后通过减速器82的转换，变成丝杠付83的运动位移X，从而控制附加弹簧84的伸长和缩短，以起到附加运动阻尼的效果；
5)利用流速仪测量实验过程中的水流速度、利用激光位移传感器测量管道振动位移、利用拉压力传感器测量管道受力；通过对水流速度、振动位移和管道受力三个数据的同步分析，用以判断管道涡激振动的剧烈程度，并最终预测管道发生疲劳破坏的可能性。
实施例3
为了进行海底管道强迫振动的模拟，对实施例2公开的海底管道涡激振动模拟装置进行修改，利用刚性连杆替换主弹簧55，去掉附加弹簧84，将丝杠付83的丝杠螺母固定在减速器82一侧，将丝杠下端连接轴承后与横杆63连接。
利用该装置进行海底管道强迫振动模拟的步骤如下：
1)向模拟管道51施加一个向下的位移，记录激光位移传感器相应的输出电压，并通过拟合得出位移和电压之间的标定系数，导入标定系数，对激光位移传感器进行标定；
2)向水槽中加水至实验水深，具体可以为模拟管道51直径的10倍左右；在静水或者固定水流速度下，通过控制主机1给定伺服电机81一个固定的正弦信号，来控制所述丝杠付输出的振动幅值和频率，在丝杠付的作用下管道模型运动机构5发生运动。