一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法与流程
本发明涉及一种能够针对大型管缆状试件实现拉伸、弯曲组合状态下挤压接触与摩擦行为对结构体宏观整体变形影响的实验测试装置与方法，具体说是一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法。
背景技术：
我国海洋油气资源储量丰富，且大多数分布于南海等深水海域。而海缆、脐带缆以及柔性管道等是深海油气开采中不可或缺的装备之一。这类装备可统称为海洋柔顺性管缆，其结构通常由相应的功能构件及加强构件如铠装钢丝等组成。针对不同的工程需求，选用相应功能的管缆；海缆主要负责为海底采油设备提供电能；脐带缆连接于水上浮体与海底装备之间，为海底管汇提供电力、信号传输等实现远程控制；柔性管道主要负责装备之间的油气输送。
海洋柔性管缆在安装或者在位工况时，由于风浪流的作用，以及平台在复杂海洋环境下的往复运动，连接于浮体的管缆将呈现反复弯曲的行为。同时，由于数百米甚至上千米长的柔性管缆自身重力作用，柔性管缆所遭受到的力学行为典型的拉伸弯曲组合行为。考虑到柔顺性管缆自身为复杂的螺旋缠绕结构，弯曲荷载下构件间的相互摩擦行为将明显受到拉力大小的影响，而且，柔性管缆截面呈现显著的弯曲滞回效应，如图1所示。其导致柔性管缆的力学行为非常复杂，同时影响着与浮体连接处管缆段的变形形态，以及柔性管缆在预定海况下的极值(张力和弯曲曲率)响应。柔性管缆极值响应预测问题的研究是管缆设计流程中不可忽视的重要环节。
由于柔性管缆螺旋缠绕结构的特征，通过理论和数值方法往往难以准确描述截面弯曲滞回效应对柔性管缆整体变形形态和极值响应的影响。因此，为了详细研究柔性管缆的上述力学行为特征，需要采用试验方法模拟海洋柔性管缆顶端与浮体连接段在船体运行牵引下的拉弯组合力学行为。通过实验探究弯曲滞回效应对柔性管缆结构响应的影响机理，降低管缆使用过程中破坏概率，从而保证整个管缆使用寿命，进而提出结构优化的设计方案。由于国内海洋柔性管缆的研究尚处于起步状态，无相关类似模拟真实海况下柔性管缆运动的实验装置，因此，亟需逐渐构建完善的实验装置和方法对海洋柔性管缆进行实验测试，研究海洋柔性管缆的弯曲滞回力学行为特征以及对线型整体响应的影响规律，从而全面掌握柔性管缆相关力学性能的实验试验关键技术，进而为实现我国海洋高端设备柔性管缆的设计提供实验方法支撑。
技术实现要素：
根据上述海洋柔性管缆设计分析面临的问题，提供一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法。拉伸和弯曲是管缆在位运行时常见的力学行为特征以及失效发生的主要诱导因素。在上述荷载作用下管缆层间及层内构件之间存在挤压接触与摩擦行为。当弯曲曲率较小时，构件之间依靠摩擦力牵制在一起，摩擦力足够抵抗其相对位移，呈现绑定状态。当曲率达到一定程度时，构件之间相互作用挣脱静摩擦力开始发生相对滑动；各构件绕其相应中轴线发生复杂弯曲行为，直到进入全滑动状态，使整个管缆结构呈现非线性力学行为特征。而且，由于受到海洋环境荷载的往复作用，弯曲行为常常伴随滞回效应。因此试验设备需要能够还原柔性管缆在真实海洋环境下的受力状态，一方面可以模拟浮体牵引管缆的往复运动或水平运动，另一方面也可以模拟海浪作用下柔性管缆与浮体连接处的摆动状态。考虑到海洋柔性管缆和浮体的结构尺寸通常较大，实验室无法实现原型结构复现。因此，实验装置和方法需要采用缩比模拟实验。一方面基于几何相似性模拟船体和柔性管缆结构，另一方面，基于动力相似模拟波浪作用下的海洋环境。采用截面尺寸较小的线缆(钢丝绳或者其它塑料材料构成的螺旋缠绕结构)模拟海洋柔性管缆结构，采用滑动块模拟顶端与浮体连接处的船体。上部运动装置可以模拟浮体的转动和漂移，下部重力块用来模拟海洋柔性管缆重力引起的张力，上述装置均置于透明水槽(表面具有刻度可用于标记线缆变形形态)中，用于模拟海洋环境。同时采用具有相同截面刚度的细长结构模拟忽略弯曲滞回效应的整体动态响应。
对于缩比模型的几何相似，确保与长度相关的参量具有相同的比例。，其中下标p表示原型，m表示模型，则结构原型和模型的长度、面积和体积之间有如下关系：
而对于运动相似，模型流场和原型流场具有相同的速度场，流场中对应的某一空间质点的速度方向相同，速度大小比例设定为ξ。相应时间和加速度的对应关系如下：
因此，在保证原型和模型动力响应(如图2所示)一致的情况下，存在
实验过程中，为了测试弯曲滞回效应对线缆整体动态响应的影响，需要配置相关物理量测量设备。在给定可移动装置运动时程的情况下，全程录像记录线缆变形形态，通过水槽表面刻度描点测算线缆最大弯曲曲率。同时，采用张力、应变片、加速度、倾角等传感器以便提取线缆相关力学性能参数指标(中间或直接物理量)。在确保上述传感器设备防水性能优良，可实现相应测量功能后，实时采集设备上的相关数据随时间的变化。最后，对所得数据进行分析处理并通过比较分析，分析线缆截面弯曲行为滞回效应对整体动态响应的影响规律。
本发明采用的技术手段如下：
一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置，包括：可移动装置，其上设有一端与其连接的线缆，所述线缆的另一端伸入至透明水槽内且设有重块；
直线运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿直线运动；
往复运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿所述直线往复运动；
以及，摆动运动机构，其用于驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动。
所述直线运动机构和所述往复运动机构不同时与所述可移动装置连接。
所述可移动装置包括可与所述直线运动机构连接的第一平动板、可与所述往复运动机构连接的第二平动板和位于所述第一平动板和所述第二平动板之间摆动板；
所述摆动板的两端分别通过转轴与所述第一平动板和所述第二平动板旋转连接；
所述摆动板的下端设有与所述线缆一端连接的防弯器；
所述第一平动板和所述第二平动板远离所述摆动板的一端通过滑块与直线滑轨滑动连接。
所述直线运动机构包括直线电机，所述直线电机的输出端与丝杆螺杆连接，所述丝杆螺杆上设有与所述第一平动板连接的滑块可拆连接的丝杆螺母。
所述往复运动机构包括：
第一旋转圆盘，所述第一旋转圆盘上设有沿其半径延伸的第一滑槽，所述第一滑槽设有一端位于所述第一滑槽内且垂直于所述第一旋转圆盘旋转平面的第一外延柱，所述第一外延柱可沿所述第一滑槽调整其轴线与所述第一旋转圆盘旋转轴线之间的距离；
还包括用于驱动所述第一旋转圆盘旋转的第一电机以及l型连杆，所述l型连杆的其中一个支杆与所述第一外延柱旋转连接且轴线互相垂直，所述l型连杆的另外一个支杆与所述第二平动板连接的滑块旋转且可拆连接；
所述直线平行于所述第一旋转圆盘旋转平面。
所述摆动运动机构包括与所述第一平动板或所述第二平动板连接的高台平板，所述高台平板上设有驱动第二旋转圆盘旋转的第二电机；
所述第二旋转圆盘上设有沿其半径延伸的第二滑槽，所述第二滑槽设有一端位于所述第二滑槽内且垂直于所述第二旋转圆盘旋转平面的第二外延柱，所述第二外延柱可沿所述第二滑槽调整其轴线与所述第二旋转圆盘旋转轴线之间的距离；
还包括一端与所述第二外延柱旋转连接且轴线互相垂直的连杆以及与其中一个转轴固定连接的连接板，所述转轴轴线垂直于所述连接板所在平面，所述连接板上垂直连接有连接柱，所述连接柱与所述连杆的另一端旋转连接且轴线互相垂直。
所述透明水槽的外表面具有刻度线，且所述透明水槽的材质为钢化玻璃。
所述线缆为螺旋缠绕结构，其材质为钢材料或者聚四氟材料。
本发明还公开了一种使用上述所述的实验测试装置进行海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试方法：
通过组装得到所述实验测试装置，其中，保证所述线缆呈竖直状态且无预加载，所述透明水槽的外表面具有刻度线；
将倾角传感器等距离布置粘贴在所述线缆表面，将应变片传感器粘结于所述线缆组成构件上，张力和加速度传感器设置在所述线缆与所述可移动装置的连接处；
安装好上述各传感器后，对所述实验测试装置进行初步的调试：通过所述直线运动机构、所述往复运动机构和所述摆动运动机构对所述线缆进行小幅度加载，分析采集的倾角随时间变化的曲线，待达到测试要求后，可开展下述四种实验：
1.所述直线运动机构与所述可移动装置断开连接，所述往复运动机构驱动所述可移动装置往复运动；
2.所述往复运动机构与所述可移动装置断开连接，所述直线运动机构驱动所述可移动装置直线运动；
3.所述摆动运动机构驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动；
4.所述往复运动机构与所述可移动装置断开连接，所述直线运动机构驱动所述可移动装置直线运动，同时，所述摆动运动机构驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动，实现组合运动；
上述各实验过程中，全程录像记录所述线缆变形形态，并通过所述刻度线读取所述线缆的变形数据(通过刻度描点测算线缆最大弯曲曲率等)，同时，采集各传感器数据，对上述各数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并分析线缆截面弯曲滞回效应对整体动态响应的影响规律。
本发明具有以下优点：
1、通过相似比原理，依靠小比尺室内模型实验模拟柔性管缆(海洋柔性管道或者脐带缆)截面弯曲滞回效应对整体线型变形和荷载响应的影响规律，从而揭示原型结构的动态响应机理，避免原型实验操作困难和耗时耗费难题。
2、本发明的实验测试方法通过一定材料加工而成的螺旋缠绕结构模拟海洋柔性管缆结构(如钢材料或者聚四氟等)，模拟实现不同弯曲刚度柔性管缆的模型。
3、柔性管缆缩比模型螺旋缠绕结构与可移动装置连接，设置有一定的环形绑扎结构(环向绑扎在线缆外面，用于增加挤压摩擦效应)，用于施加内部构件之间的挤压力，从而实现构件之间的不同摩擦力模拟。
4、本发明的实验测试装置新颖实用，仅依靠电机为动力来源，即可实现多种实验测试方式，而且，各电机相互独立能够有效的控制各自荷载的施加，同时，可以根据工程和设计要求实现加载顺序的任意变换。
5、本发明的实验测试装置采用透明的钢化玻璃，并且钢化玻璃外表面具有刻度线，可通过刻度线直观查看线缆的变形情况。
6、可实现结构的大位移运动，通过调节第一外延柱和l型连杆的长度，可实现大跨度往复直线运动；丝杆螺杆与本发明的实验测试装置两侧连接，可实现大跨度直线运动；通过调节第二外延柱的位置和连杆的长度，可实现大角度往复旋转摆动运动。
7、透明水槽内可填充水或其他液体，可模拟多种不同液体状态下的运动状态。
8、本发明实验测试装置的三个电机为动力来源，通过自编程序即可对各个电机的转速进行精确地控制操作，进而复现模拟预设定的船体运动。同时可对运动输出数据进行记录，方便调整误差确保运动准确性。
9、若需要对电机的转速进行调整，可增加变频器，以调节电机转速，进而控制结构的运动速度。
10、线缆周围空间较大，方便添加相应传感器对试件相关物理量测量记录。
基于上述理由本发明可在海洋柔性管缆实验测试装置与方法等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是不同张力下的海洋柔性管缆截面弯曲滞回曲线图。
图2是海浪作用下的船舶纵荡、横荡和艏摇时域响应曲线图。
图3是本发明的具体实施方式中海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置的空间结构示意图。
图4是本发明的具体实施方式中海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置的主视图。
图5是本发明的具体实施方式中可移动装置与摆动运动机构装配示意图。
图6是本发明的具体实施方式中第一旋转圆盘的结构示意图。
图7是本发明的具体实施方式中第二旋转圆盘的结构示意图。
图8是本发明的具体实施方式中线缆变形形态示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3-图7所示，一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置，包括：可移动装置，其上设有一端与其连接的线缆1，所述线缆1的另一端伸入至透明水槽2内且设有重块3；直线运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿直线运动；往复运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿所述直线往复运动；以及，摆动运动机构，其用于驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动；所述直线运动机构和所述往复运动机构不同时与所述可移动装置连接；所述可移动装置包括可与所述直线运动机构连接的第一平动板4、可与所述往复运动机构连接的第二平动板5和位于所述第一平动板4和所述第二平动板5之间摆动板6；所述摆动板6的两端分别通过转轴7与所述第一平动板4和所述第二平动板5旋转连接；所述摆动板6的下端设有与所述线缆1一端连接的防弯器8；所述第一平动板4和所述第二平动板5远离所述摆动板6的一端通过滑块9与直线滑轨10滑动连接；所述直线运动机构包括直线电机11，所述直线电机11的输出端与丝杆螺杆12连接，所述丝杆螺杆12上设有与所述第一平动板4连接的滑块9可拆连接的丝杆螺母13；所述往复运动机构包括：第一旋转圆盘14，所述第一旋转圆盘14上设有沿其半径延伸的第一滑槽15，所述第一滑槽15设有一端位于所述第一滑槽15内且垂直于所述第一旋转圆盘14旋转平面的第一外延柱16，所述第一外延柱16可沿所述第一滑槽15调整其轴线与所述第一旋转圆盘14旋转轴线之间的距离；还包括用于驱动所述第一旋转圆盘14旋转的第一电机17以及l型连杆，所述l型连杆18的其中一个支杆与所述第一外延柱16旋转连接且轴线互相垂直，所述l型连杆18的另外一个支杆与所述第二平动板5连接的滑块9旋转且可拆连接；所述直线平行于所述第一旋转圆盘14旋转平面；所述摆动运动机构包括与所述第一平动板4或所述第二平动板5连接的高台平板19，所述高台平板19上设有驱动第二旋转圆盘20旋转的第二电机21；所述第二旋转圆盘20上设有沿其半径延伸的第二滑槽22，所述第二滑槽22设有一端位于所述第二滑槽22内且垂直于所述第二旋转圆盘20旋转平面的第二外延柱23，所述第二外延柱23可沿所述第二滑槽22调整其轴线与所述第二旋转圆盘20旋转轴线之间的距离；还包括一端与所述第二外延柱23旋转连接且轴线互相垂直的连杆24以及与其中一个转轴7固定连接的连接板25，所述转轴7轴线垂直于所述连接板25所在平面，所述连接板25上垂直连接有连接柱26，所述连接柱26与所述连杆24的另一端旋转连接且轴线互相垂直；所述透明水槽2的外表面具有刻度线27，且所述透明水槽2的材质为钢化玻璃；所述线缆1为螺旋缠绕结构，其材质为钢材料或者聚四氟材料。
一种使用上述所述的实验测试装置进行海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试方法：
通过组装得到所述实验测试装置，第一电机17，第二电机21和直线电机11与电源连接，并将各电机控制开关关闭，根据需要进行的运动状态，对应打开相应的电机，通过自编程序对其进行运动控制；将需要试验的线缆一端固定于防弯器8上，并将另一端固定于重块3上，保证线缆保持竖直状态，且无预加载；
根据实验要求，将倾角传感器等距离布置粘贴在所述线缆1表面，将应变片传感器粘结于所述线缆1组成构件上，张力和加速度传感器设置在所述线缆1与所述可移动装置的连接处，同时用胶带将连接于各类传感器的排线一端固定于所述线缆1，防止测试过程中由于排线晃动引起测试数据的波动，另一端连接于采集系统，实现应变数据实时传输；
安装好上述各传感器后，对所述实验测试装置进行初步的调试：通过所述直线运动机构、所述往复运动机构和所述摆动运动机构对所述线缆1进行小幅度加载，分析采集的倾角随时间变化的曲线，待达到测试要求后，可开展实验；
控制第一电机17，l型连杆18两端分别与所述第二平动板5连接的滑块9和第一外延柱16连接，进而通过第一电机17运动带动与所述第二平动板5连接的滑块9往复运动，此时，与所述第一平动板4连接的滑块9与所述丝杆螺母13断开连接，仅实现可移动装置的往复运动；
控制直线电机11，将l型连杆18和与所述第二平动板5连接的滑块9断开，将与所述第一平动板4连接的滑块9与所述丝杆螺母13连接，此时控制直线电机11，实现可移动装置的直线运动；
摆动运动机构由第二电机21带动第二旋转圆盘20旋转，从而通过带动连杆24引起连接板25的运动，进而带动摆动板6做往复旋转摆动，可通过调整连杆24的长度，第二外延柱23位置，第二旋转圆盘20和连接板25的大小，可实现角度不同的摆动运动，摆动运动可与直线运动相结合，实现组合运动；
上述各实验过程中，全程录像记录所述线缆1变形形态，透明水槽2使用钢化玻璃，外表面有刻度线，如图8所示，可读取线缆1的变形数据，同时，采集各传感器数据，对上述各数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并分析线缆截面弯曲滞回效应对整体动态响应的影响规律。
上述各实验可重复多次以降低误差。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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