海洋钻井管柱内外管耦合动力学多自由度实验台架及使用方法

本发明涉及海洋工程领域，具体地，涉及海洋钻井管柱内外管耦合动力学多自由度实验台架及使用方法。

背景技术：

1、海洋钻井管柱系统是海洋钻井平台的核心组件，是整个系统中相对薄弱的关键环节。以往的研究主要关注外部隔水管受扰流激励引起的涡激振动的问题，而对于隔水管-钻柱内外管之间的耦合动力学问题，缺乏深入的研究和探索。因此开展海洋钻井管柱系统内外管耦合动力学研究，对隔水管-钻柱系统的动态响应进行预测，对钻井平台的安全作业与效率的提高具有重要工程指导意义与应用前景，是钻井工程领域长期以来高度重视并亟待解决的问题。

2、在过去的研究中,许多学者对海洋钻井管柱系统的动力学问题进行了大量研究,建立了各种数学模型。但这些研究主要局限在理论分析和数值计算，仅依靠这些研究手段难以对理论模型的准确性进行验证。对于海洋钻井管柱内外管复杂的相互作用问题,迫切需要一种新的测试手段来验证理论模型和结果。

3、海洋钻井平台现场实验是研究最直接的方式，然而，由于现场实验只能提供单一的作业工况，且对于井底钻柱各种动态结果难以实时监测，复杂的井下事故不易重现且重现的成本巨大，极大地限制了现场实验的应用范围。而传统的水槽试验操作复杂且容易受到尺寸限制,无法充分模拟实际海洋环境中管柱的工作状态，同时难以精确测量管柱的运动参数。因此,亟需一种新的测试装置,来真实而直接地研究海洋钻井管柱内外管耦合运动特性。

4、综上所述,开发一种能够在受控环境下高效、灵活地测试海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验装置,将能弥补现有研究手段的不足,为海洋钻井管柱系统的优化设计和动力学研究提供支持。

5、在目前已有的海洋钻井实验平台的设计中，国家发明专利“一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统及试验方法cn103726832b”采用多功能外力加载系统,可以进行流体激励、波浪激励、轴向拉力等多方式的力加载。但该实验平台侧重于隔水管自身的涡激响应,对内外管的耦合动力学关注较少。发明专利“一种海洋钻井动力学过程的试验仿真装置及其试验方法cn105136598b”将采用机械传动的方法驱动装置的运动,通过刚性联轴器实现运动的加载，以模拟钻井过程中的各种动力学问题,实现了对钻井动力学过程的试验仿真,为研究提供了手段。但其所采用的传感器测量系统,受限于传感器分布与数量,很难获得结构在多个位置的精确响应，同时，该专利的试验系统较为固定,无法对装置进行灵活改造。发明专利“一种模拟深水无隔水管钻井钻柱纵-横-扭耦合非线性振动试验装置及其方法wo202011389a”同时考虑了多种形式的耦合振动，但其没有隔水管，与较多的海洋钻井装置差异较大。

6、由此可见，目前尚缺少针对海洋钻井系统内外管耦合动力学研究的可轻易重复实验的实验设备。因此，设计一种造价较低的海洋钻井管柱内外管耦合动力学多自由度实验台架，重现海洋钻井作业中出现的内外管耦合动力学过程，将给钻井工程带来积极的经济效益与学术价值。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种海洋钻井管柱内外管耦合动力学多自由度实验台架及使用方法。

2、根据本发明提供的一种海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，包括支承系统、顶部驱动系统、内管系统、外管系统、激励系统、控制系统以及计算机及控制软件，计算机及控制软件连接控制系统，控制系统分别连接顶部驱动系统和激励系统，顶部驱动系统和激励系统分别连接于支承系统上；

3、顶部驱动系统连接内管系统，内管系统连接外管系统，外管系统连接激励系统，外管系统通过激励系统与内管系统进行耦合运动。

4、优选的，内管系统包括刚度元件和质量元件，刚度元件一端连接顶部驱动系统，刚度元件另一端连接质量元件，质量元件连接外管系统。

5、优选的，刚度元件一端通过联轴器与顶部驱动系统相连，且顶部驱动系统驱动刚度元件转动，用于模拟钻柱的运动。

6、优选的，外管系统通过滑块组件与激励系统相连，用于模拟隔水管在海流涡激振动作用下的运动。

7、优选的，外管系统由多个内径规格的外管组成，外管系统内部转子的涡动状态会随着外管系统的内外管间隙比的改变而改变。

8、优选的，激励系统包括伺服电机、滑块组件以及直线导轨，外管系统连接于滑块组件上，滑块组件连接于直线导轨上，滑块组件上连接有伺服电机；

9、伺服电机驱动滑块组件在直线导轨上做指定的往复运动，带动外管系统在直线导轨上模拟水流引起的涡激振动。

10、优选的，伺服电机在位置模式和力矩模式之间切换；

11、当伺服电机位于位置模式时，外管系统进行涡激振动；

12、当伺服电机位于力矩模式时，在引入适当的补偿力后，外管系统与内管系统进行双向耦合运动。

13、优选的，还包括采集系统，采集系统对内管系统和外管系统进行图像采集，采集系统通过图像识别的方式处理分析其运动学参数。

14、优选的，支承系统包括框架、顶板以及隔板，顶板连接于框架顶部，隔板连接于框架上，且顶部驱动系统位于顶板上表面，激励系统固定于隔板上。

15、本发明还提供了一种海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置的使用方法，具体操作步骤如下：

16、s1、分别开启计算机及控制软件、控制系统以及采集系统，

17、s2、在计算机及控制软件中输入顶部驱动系统的转速和激励系统的运动参数；

18、s3、采集系统录制足够长时间后，实验完毕，在软件中停止系统，并关闭计算机及控制软件和控制系统；

19、s4、处理采集系统录制的视频内容，分析转子的运动。

20、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

21、本发明采用控制系统和计算机及控制软件，具有控制精准、实验灵活、操作简便的特点，通过精确控制内外管运动,配合视频图像技术获取管柱运动数据,能够用于验证不同工况下的管柱耦合动力学理论,为优化海洋钻井系统提供设计支持。

技术特征：

1.一种海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，包括支承系统(100)、顶部驱动系统(200)、内管系统(300)、外管系统(400)、激励系统(500)、控制系统(600)以及计算机及控制软件(700)，所述计算机及控制软件(700)连接所述控制系统(600)，所述控制系统(600)分别连接所述顶部驱动系统(200)和所述激励系统(500)，所述顶部驱动系统(200)和所述激励系统(500)分别连接于所述支承系统(100)上；

2.根据权利要求1所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述内管系统(300)包括刚度元件(301)和质量元件(302)，所述刚度元件(301)一端连接所述顶部驱动系统(200)，所述刚度元件(301)另一端连接所述质量元件(302)，所述质量元件(302)与所述外管系统(400)耦合运动。

3.根据权利要求2所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述刚度元件(301)一端通过联轴器与所述顶部驱动系统(200)相连，且所述顶部驱动系统(200)驱动所述刚度元件(301)转动，用于模拟钻柱的运动。

4.根据权利要求1所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述外管系统(400)通过滑块组件(503)与所述激励系统(500)相连，用于模拟隔水管在海流涡激振动作用下的运动。

5.根据权利要求1所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述外管系统(400)由多个内径规格的外管组成，所述外管系统(400)内部转子的涡动状态会随着所述外管系统(400)的内外管间隙比改变而改变。

6.根据权利要求4所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述激励系统(500)包括伺服电机(501)、直线导轨(502)以及所述滑块组件(503)，所述外管系统(400)连接于所述滑块组件(503)上，所述直线导轨(502)连接于所述滑块组件(503)上，所述滑块组件(503)上连接有所述伺服电机(501)；

7.根据权利要求6所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述伺服电机(501)在位置模式和力矩模式之间切换；

8.根据权利要求1所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，还包括采集系统，所述采集系统对所述内管系统(300)和所述外管系统(400)进行图像采集，所述采集系统通过图像识别的方式处理分析其运动学参数。

9.根据权利要求1所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置，其特征在于，所述支承系统(100)包括框架、顶板以及隔板，所述顶板连接于所述框架顶部，所述隔板连接于所述框架上，且所述顶部驱动系统(200)位于所述顶板上表面，所述激励系统(500)固定于所述隔板上。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述的海洋钻井管柱内外管耦合动力学的实验测试装置的使用方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

技术总结
本发明提供了一种涉及海洋工程领域的海洋钻井管柱内外管耦合动力学多自由度实验台架及使用方法，包括支承系统、顶部驱动系统、内管系统、外管系统、激励系统、控制系统、计算机及控制软件，计算机及控制软件连接控制系统，控制系统分别连接顶部驱动系统和激励系统，顶部驱动系统和激励系统分别连接于支承系统上；顶部驱动系统连接内管系统，内管系统连接外管系统，外管系统连接激励系统，外管系统通过激励系统与内管系统进行耦合运动。本发明具有控制精准、实验灵活、操作简便的特点，通过精确控制内外管运动,配合视频图像技术获取管柱运动数据,能够用于验证不同工况下的管柱耦合动力学理论,为优化海洋钻井系统提供设计支持。

技术研发人员：邵俊华,刘显波,侯祥雨,周逸涵,孟光
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19