一种针对悬跨海缆的振动实验装置以及方法与流程

本发明涉及海洋工程模拟，尤其涉及一种针对悬跨海缆的振动实验装置以及方法。

背景技术：

1、海上风力发电具有风资源充足、装机容量大、占地少等优势，在全球普及的程度不断提高。海缆作为生命线在海上风电工程中起着重要作用，我国的海缆敷设总长度与输送容量已然跃居世界前列，拥有着广阔的应用前景。由于海床平面的凹凸不平或海流引发的海床长期侵蚀和冲刷等原因，固定于桩基或敷设于海床上的海缆容易形成悬跨段。悬跨海缆在周期性海洋环境荷载作用下的失效需要引起重视。在一定条件下，海流经过悬跨段会产生漩涡脱落，致使其在横流向和顺流向发生涡激振动(viv)，viv是引起悬跨海缆结构失效破坏的主要因素之一。在海缆投入实际应用前搭建原型试验装置，研究振动工况下海缆的受力情况以及失效规律很有必要。

2、由于涡激振动作用下悬跨海缆的响应特征属于一个复杂的流固耦合系统，边界条件以及悬跨线型等因素都会影响结构的受力情况，难以准确分析计算悬跨海缆所受动态荷载的变化幅值及周期，这将直接关系结构是否会发生疲劳失效。但是，目前现有设备都是针对悬跨海缆动力特性分析而开展的模型试验振动装置，无法直接针对其受力情况进行真实模拟并测量其动态响应，同时模型试验也存在缩比后精度不足的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种针对悬跨海缆的振动实验装置以及方法，以解决现有技术在悬跨海缆震动实验时无法直接针对海缆的受力情况进行真实模拟的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种针对悬跨海缆的振动实验装置，包括：第一支架、第二支架、第一固定底座、第二固定底座、测试平面、第一法兰、第二法兰、第一连接件、第二连接件、激振系统和数据采集系统；

3、其中，样缆的第一端与所述第一法兰的第一端连接，所述第一法兰的第二端通过所述第一连接件与所述第一支架连接；所述样缆的第二端与所述第二法兰的第一端连接，所述法兰的第二端通过所述第二连接件与所述第二支架连接；

4、所述第一支架与所述第二支架分别固定在所述第一固定底座和所述第二固定底座上；

5、所述测试平面上有相互平行的若干条水平沟槽，所述第一固定底座和所述第二固定底座分别通过螺栓固定在所述若干条水平沟槽的两侧；所述若干条水平沟槽与样缆方向平行；

6、所述激振系统在所述样缆的正下方与所述若干条水平沟槽滑动连接，用于为正上方的所述样缆提供预设频率的和预设幅值的激励荷载；

7、所述数据采集系统用于采集所述第一法兰与所述第一连接件之间的拉力和所述第二法兰与所述第二连接件上的拉力；以及用于测量所述样缆在预设位置上的位移变化量。

8、本发明通过法兰、连接件、支架和固定底座使样缆保持悬跨状态，并通过测试平面上的若干条水平沟槽按预设的间距固定两个固定底座，保证样缆的线型与水下海缆的线性保持一致；此外，通过激振系统对样缆施加的激励荷载，可模拟款跨海缆在水下发生涡激振动时的动态响应；而数据采集系统则可采集样缆端部的拉力以及样缆在预设位置处的位移变化幅值，从而在各个方面实现针对悬跨海缆受力情况的真实模拟。

9、进一步地，所述激振系统，包括：振动台、可移动支架和控制器；

10、其中，所述振动台通过螺栓与所述可移动支架连接；

11、所述可移动支架与所述若干条水平沟槽滑动连接；

12、所述振动台用于为正上方的所述样缆提供预设频率的和预设幅值的激励荷载；

13、所述控制器与所述振动台之间建立通信连接，用于对所述预设频率和所述预设幅值进行设置。

14、本发明的激振系统通过可移动支架在若干条水平沟槽内移动，使得振动台可按照悬跨海缆所处的不同工况，对施加激励荷载的位置进行条件，从而实现针对悬跨海缆受力情况的真实模拟。

15、进一步地，所述数据采集系统，包括：力传感器、激光位移传感模块和动态数据采集仪；

16、其中，力传感器安装至所述第一法兰和所述第一连接件之间，以及所述第二法兰和所述第二连接件之间，用于采集所述第一法兰与所述第一连接件之间的拉力和所述第二法兰与所述第二连接件上的拉力；

17、所述激光位移传感模块固定于所述样缆正下方的所述测试平面的预设位置上，用于测量所述样缆在预设位置上的位移变化量；

18、所述动态数据采集仪用于获取所述力传感器采集的所述拉力和激光位移传感模块测量的所述位移变化量。

19、本发明的力传感器和激光位移传感模块可分别对样缆的端点拉力和样缆在预设位置处的位移进行采集和测量，从而可根据采集到的位移数据计算样缆的曲率变化幅值，实现针对悬跨海缆受力情况的测量和真实模拟。

20、进一步地，所述激光位移传感模块，包括：激光位移传感器和夹持支架；

21、其中，所述激光位移传感器固定在所述夹持支架上；

22、所述夹持支架固定于所述样缆正下方的所述测试平面的预设位置上。

23、进一步地，所述数据采集系统，包括：计算机终端；

24、其中，所述计算机终端与所述动态数据采集仪通信连接，用于存储所述拉力和所述位移变化量。

25、进一步地，所述第一连接件和所述第二连接件为铰支连接件，并分别与所述第一法兰的第二端和所述第二法兰的第二端活动连接。

26、进一步地，所述第一连接件和所述第二连接件为固定连接件，并分别与所述第一法兰的第二端和所述第二法兰的第二端固定连接。

27、本发明的连接件可选用铰支连接件与法兰进行活动连接，也可以选用固定连接件与法兰固定连接，从而可模拟海缆边界约束条件的改变，实现对悬跨海缆振动工况的真实模拟，进而结合激振系统和数据采集系统对样缆的受力情况展开分析。

28、进一步地，所述样缆的第一端与所述第一法兰的第一端连接，具体为：所述样缆的第一端通过测试接头铰接于所述第一法兰的第一端；所述样缆的第二端与所述第二法兰的第一端连接，具体为：所述样缆的第二端过测试接头铰接于所述第二法兰的第一端。

29、另一方面，本发明实施例还提供了一种针对悬跨海缆的振动实验方法，应用于如本发明实施例中任意一项所述的针对悬跨海缆的振动实验装置，包括：

30、s1、按预设间距将第一固定底座和第二固定底座固定于测试平面中的若干条水平沟槽的两侧，并根据预设高度调节第一连接件和第二连接件在支架上的连接位置，以使样缆的悬跨线型与水下悬跨海缆的线型一致；

31、s2、采用激振系统按预设频率和预设幅值对所述样缆施加激励荷载，并根据数据采集系统在预设位置处采集得到的位移数据，计算得到所述样缆的曲率变化幅值；采用数据采集系统获取第一法兰与所述第一连接件之间的拉力和第二法兰与所述第二连接件上的拉力；

32、s3、对所述预设间距、所述预设高度、所述预设频率和所述预设幅值进行调节后，重复s1-s2。

33、本发明通过法兰、连接件、支架和固定底座使样缆保持悬跨状态，并通过测试平面上的若干条水平沟槽按预设的间距固定两个固定底座，保证样缆的线型与水下海缆的线性保持一致；此外，通过激振系统对样缆施加的激励荷载，可模拟款跨海缆在水下发生涡激振动时的动态响应；而数据采集系统则可采集样缆端部的拉力以及样缆在预设位置处的位移变化幅值，从而在各个方面实现针对悬跨海缆受力情况的真实模拟。

34、进一步地，所述根据数据采集系统在预设位置处采集得到的位移数据，计算得到所述样缆的曲率变化幅值，具体为：

35、使用数据采集系统采集所述样缆的距端点1/4缆长位置的第一位移，以及采集所述样缆的中间位置的第二位移；

36、根据所述第一位移、所述第二位移，以及，所述距端点1/4缆长位置与所述中间位置之间的在水平方向上的距离分量，计算得到所述样缆的曲率变化幅值；其中，所述曲率变化幅值的表达式为：

37、

38、其中，h1为所述样缆的距端点1/4缆长位置的第一位移，h2为所述样缆的中间位置的第二位移，l为所述距端点1/4缆长位置与所述中间位置之间的在水平方向上的距离分量。