一种水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置的制作方法

1.本发明属于船舶与海洋工程领域，具体涉及一种水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置。


背景技术：

2.随着全球传统化石能源的消耗量日益增长，陆上与浅海区域的油气田开发已经不能满足人类的需求，因此海洋油气开采逐渐向深海区域发展。海底油气管道作为连接平台和油气集散地的枢纽，成为海洋油气资源开发的生命线，保证管道安全一直是石油天然气行业的主要关注点。海洋立管在受到海流和波浪等影响后，会出现圆柱绕流现象，在立管后方出现尾流漩涡，受漩涡脱落的影响，立管产生涡激振动。涡激振动会导致立管出现疲劳损坏，使用寿命减短，严重时会出现油气泄漏，造成严重的经济损失和生态破坏。
3.复合材料柔性管是一种新型深海油气工程多用途管，这种新型柔性管是由热塑性聚合物挤出管和多层纤维增强复合材料带缠绕粘结组成，其截面结构从内到外分成四层，分别是内衬层、纤维增强层、功能层和外保护层。通过选择不同的材料组合和截面结构形式，采用同样的设计方法和通用的生产工艺，可以实现产品的定制化生产，以满足油气输送领域不同的应用要求(环境、水深、输送介质、温度、压力等)，可以作为海底管线、立管和跨接管等。
4.目前，针对海洋立管涡激振动现象的实验研究通常使用有机玻璃管模拟海洋中钢制立管在室内水槽中进行实验，没有针对复合材料柔性管开展的实验研究。海洋立管在海洋油气开采时，作为连接平台与海底油气集散地的枢纽，不仅受到海洋环境荷载的影响，还会受到平台施加的顶张力影响，使立管处于拉伸状态。目前传统室内立管涡激振动实验多采用悬挂砝码给有机玻璃管施加顶张力，这种方法只能控制施加顶张力的大小，并不能控制立管的端部位移大小。由于目前针对复合材料柔性管涡激振动现象的实验研究相对较少、传统立管涡激振动实验装置存在缺点，不能模拟复合材料柔性管拉伸状态下的涡激振动，因此亟待开发一种用于室内水槽模拟复合材料柔性管拉伸状态下涡激振动的实验装置。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种适用室内水槽的复合材料柔性管拉伸状态下涡激振动实验装置，省时省力高质量地完成实验。在进行复合材料柔性管涡激振动实验时，该装置能够精确施加、测量顶张力和端部位移，实现对复合材料柔性管在拉伸状态下横流向、顺流向涡激振动数据的实时监测。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
7.一种水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置，该实验装置包括电控电液伺服加载机、支撑装置、悬挂固定装置和复合材料柔性管模型；电控电液伺服加载机通过悬挂固定装置与支撑装置连接，悬挂固定装置和复合材料柔性管模型固定连接，复合材料柔性
管6模型两端均安装一扣压式接头7，电控电液伺服加载机的活塞9底部安装有轮辐式力传感器8，轮辐式力传感器8与复合材料柔性管6模型顶部扣压式接头7相固定连接，复合材料柔性管6模型底部固定连接可调节式底座12，可调节式底座12固定在支撑装置的铝合金板材底座3上。
8.优选地，电控电液伺服加载机包括电脑主机、交流伺服电机10、液压作动缸17、活塞9、悬挂固定装置5、轮辐式力传感器8、拉绳式位移传感器4、电磁铁开关11，电脑主机通过电脑软件控制伺服电机，交流伺服电机10与电磁铁开关11电连接；交流伺服电机10上安装有置于缸套内的活塞9，活塞上设有拉绳式位移传感器，通过拉绳式位移传感器4在电脑主机中读出位移；活塞的缸套设置于悬挂固定装置上，电脑主机控制电液伺服加载机对复合材料柔性管顶部施加所需顶张力或者位移，通过轮辐式力传感器8在电脑主机中可以读出顶张力大小。拉绳式位移传感器4是采集活塞位移的监测装置，通过对活塞位移的测量实现对复合材料柔性管顶部位移的监测。
9.优选地，悬挂固定装置5包括导轨副16、滑轮15、电磁铁，导轨副由工字梁底面t形凹槽承导件与悬挂固定装置5上表面的t形运动件组成；悬挂固定装置5两侧安装的滑轮与工字梁2下翼板上表面接触，通过电脑主机控制悬挂固定装置沿工字梁轴向方向进行电控电液伺服加载机整体移动，移动至合适位置后打开电磁铁进行固定，防止在实验时加载机发生滑动。
10.优选地，扣压式接头由内芯21、外保护套22和转接法兰23组成；
11.优选地，支撑装置由顶部的工字梁2、底部铝合金板材3、两侧的铝合金型材1组成，在铝合金型材底部焊接加强筋14进行加固，铝合金板材底座3上预留有螺孔18；
12.优选地，可调节式底座12由四根拉杆13及一个底盘组成，拉杆13可以通过固定在不同螺孔中实现横向和纵向的移动；底盘可以沿着拉杆上下移动及固定。
13.与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：
14.1、本发明支撑装置由两侧铝合金型材1、工字梁2与底部铝合金板材3焊接组成，在底部焊接加强筋14进行加固，装置具有较好的耐腐蚀性以及结构稳定性，能够减小实验数据的误差。
15.2、实验模型采用扣压式接头进行固定，与传统夹具相比对模型的损伤破坏小，其与电控电液伺服加载机和底座连接后在实验过程中不易发生脱落、滑动，并且接头采用螺栓连接，操作简单、方便、安全。
16.3、本发明中模型顶张力和端部位移施加装置由电控电液伺服加载机对实验复合材料柔性管模型顶部施加拉力或者端部位移。电控电液伺服加载机可通过电脑主机和拉绳式位移传感器控制活塞位移，由活塞底部安装的轮辐式力传感器读取拉力。进行实验时根据需要既可以进行复合材料柔性管不同端部位移时的涡激振动实验，也可进行不同顶张力时的涡激振动实验。
17.4、本发明装置可以对多种长度的复合材料柔性管进行实验，复合材料柔性管底部与可调节式底座连接，底座可以在拉杆上升高或者降低；电控电液伺服加载机也可通过调节活塞长度适用不同长度的复合材料柔性管。
18.5、本发明装置可以实现复合材料柔性倾斜角度下的涡激振动实验，能够模拟复合材料柔性管在施加不同顶张力、不同端部位移、不同波流载荷下的涡激振动响应和动力特
性。电控电液伺服加载机悬挂装置存在导轨副与滑轮，可以调节复合材料柔性管横流向倾斜角度；模型固定装置中的拉杆可以安装在支撑装置底部铝合金板材上不同的螺孔中，调节复合材料柔性管底部横向和纵向位移，实现立管在顺流向和横流向上的倾斜。
附图说明
19.图1是本发明水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置的整体结构图；
20.图2是本发明水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置中的电控电液伺服加载机示意图；
21.图3是本发明水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置的下部示意图；
22.图4是本发明水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置中的扣压式接头上端示意图；
23.图5是本发明水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置中的扣压式接头下端示意图；
24.图中1—支撑铝合金型材，2—工字梁，3—铝合金板材，4—拉绳式位移传感器，5—悬挂固定装置，6—复合材料柔性管，7—扣压式接头，8—轮辐式力传感器，9—活塞，10—交流伺服电机，11—电磁铁开关，12—底座，13—拉杆，14—加强筋，15—滑轮，16—t形导轨副运动件，17—液压作动缸，18—螺孔，19—螺母，20—扣压式接头上部转接法兰，21—扣压式接头内芯，22—扣压式接头外套，23—扣压式接头下部转接法兰。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
26.如图1
‑
3所示，一种水槽用复合材料柔性管拉伸涡激振动实验装置，该实验装置包括电控电液伺服加载机、支撑装置、悬挂固定装置和复合材料柔性管模型；电控电液伺服加载机通过悬挂固定装置与支撑装置连接，悬挂固定装置和复合材料柔性管模型固定连接，复合材料柔性管6模型两端均安装一扣压式接头7，电控电液伺服加载机的活塞9底部安装有轮辐式力传感器8，轮辐式力传感器8与复合材料柔性管6模型顶部扣压式接头7相固定连接，复合材料柔性管6模型底部固定连接可调节式底座12，可调节式底座12固定在支撑装置的铝合金板材底座3上。
27.优选地，电控电液伺服加载机包括电脑主机、交流伺服电机10、液压作动缸17、活塞9、悬挂固定装置5、轮辐式力传感器8、拉绳式位移传感器4、电磁铁开关11，电脑主机通过电脑软件控制伺服电机，交流伺服电机10与电磁铁开关11电连接；交流伺服电机10上安装有置于缸套内的活塞9，活塞上设有拉绳式位移传感器，通过拉绳式位移传感器4在电脑主机中读出位移；活塞的缸套设置于悬挂固定装置上，电脑主机控制电液伺服加载机对复合材料柔性管顶部施加所需顶张力或者位移，通过轮辐式力传感器8在电脑主机中可以读出顶张力大小。拉绳式位移传感器4是采集活塞位移的监测装置，通过对活塞位移的测量实现对复合材料柔性管顶部位移的监测。
28.优选地，悬挂固定装置5包括t形导轨副运动件16、滑轮15、电磁铁,导轨副由工字梁底面t形凹槽承导件与悬挂固定装置5上表面的t形运动件组成；悬挂固定装置5两侧安装
的滑轮与工字梁2下翼板上表面接触，电控电液伺服加载机整体可通过电脑主机控制悬挂固定装置沿工字梁轴向方向进行移动，工字梁表面标有刻度线，移动至合适位置后打开电磁铁进行固定，防止在实验时加载机发生滑动。
29.优选地，支撑装置由两侧的铝合金型材1、顶部的工字梁2、底部铝合金板材3组成，在型材底部焊接加强筋14进行加固；扣压式接头由内芯21、外保护套22和转接法兰23组成，铝合金板材底座3上预留有螺孔18，可调节式底座12由四根拉杆13及一个底盘组成，拉杆13可以通过固定在不同螺孔中实现横向和纵向的移动；底盘可以沿着拉杆上下移动及固定。
30.将复合材料柔性管6、扣压式接头内芯21及扣压式接头外套22组装在一起，使用扣压机对外扣压式接头外套22进行扣压。将拉杆13安装在合适位置上的螺孔18中，将底座固定将扣压完成的复合材料柔性管使用螺栓固定在可调节底座12上，使用螺母19对底座位置进行固定。使用螺栓将复合材料柔性管扣压式接头的下部转接法兰23与底座12进行连接，通过电脑主机控制电液伺服加载机调整活塞9的位置，使其与复合材料柔性管上部接头相接触。电控电液伺服加载机调整位置时，首先将电磁铁开关11关闭，在电脑主机中输入位置坐标并启动加载机，待移动至目标位置后，打开电磁铁开关11，使悬挂固定装置5与工字梁2之间连接更加紧密，防止实验时发生滑动。使用螺栓将扣压式接头上部转接法兰20与活塞底部的轮辐式力传感器8进行连接。调整复合材料柔性管固定完成后将实验装置放入波流水槽中。
31.放入水槽中后使用电脑主机控制电液伺服加载机对复合材料柔性管顶部施加所需顶张力或者位移，顶张力大小可以通过轮辐式力传感器8直接在电脑主机中读出，位移可通过拉绳式位移传感器4读出。在实验中需要改变复合材料柔性管的顺流向倾斜角度时，首先通过电脑主机控制电液伺服加载机将复合材料柔性管端部位移调整为0，关闭电磁铁开关11，在电脑主机中输入电液伺服加载机所需要移动到的位置，待移动完成后打开电磁铁开关11，再给复合材料柔性管施加顶张力或端部位移。
32.以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。