專利名稱：階梯流下頂部可運動深海立管列陣模型渦激振動試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種階梯流下頂部可運動深海立管列陣模型渦激振動試驗裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)流體力學(xué)知識，將柱狀結(jié)構(gòu)物置于一定速度的來流當(dāng)中，其兩側(cè)會發(fā)生交替瀉渦。與漩渦的生成和瀉放相關(guān)聯(lián)，柱體會受到橫向和流向的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，那么脈動流體力會引發(fā)柱體的振動，柱體的振動反過來又會改變其尾流結(jié)構(gòu)。 這種流體結(jié)構(gòu)物相互作用的問題稱為渦激振動。深海立管常常以列陣的形式出現(xiàn)，各立管由于彼此接近，相互之間會有水動力干擾，導(dǎo)致更為復(fù)雜的渦激振動。例如在海流或海洋平臺的運動的作用下，懸置于海中的海洋平臺立管、拖纜、海底管線、spar平臺的浮筒、系泊纜索等柔性管件上會出現(xiàn)渦激振動現(xiàn)象，將會導(dǎo)致柔性管件的疲勞破壞。目前為止，對柔性管件渦激振動現(xiàn)象的研究最重要的方法之一就是模型試驗方法。通過模型試驗方法可以加深對柔性立管渦激振動機(jī)理以及海洋平臺的運動對立管的渦激振動的影響的認(rèn)識，并提供可靠的立管渦激振動預(yù)報途徑和技術(shù)。為了使試驗中模擬的現(xiàn)象更加接近于自然界中的真實情況，除了采用先進(jìn)的試驗裝置，試驗中模擬的環(huán)境也必須和自然界接近。在實際海洋中，整個深度范圍內(nèi)的流速截面并不是一成不變的。例如墨西哥灣2000m水深的海域，一般表層300m內(nèi)的平均流速是300m — 800m水深范圍內(nèi)平均流速的4到5倍，是800m以下平均流速的20倍以上。由此可見，海洋中整個深度范圍內(nèi)的流速截面應(yīng)該更接近于階梯狀的流場。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前的渦激振動測試裝置一般只能安裝單根立管。在第14屆國際近海與極地工程會議“Proceedings of the Fourteen(2004) International Offshore and Polar Engineering Conference，，中白勺論文“Laboratory Investigation of Long Riser VIV Response”(長立管渦激振動響應(yīng)的實驗研究)是關(guān)于柔性管件渦激振動實驗研究的，文中提到了一種柔性管件渦激振動模型試驗技術(shù)，把柔性立管橫置于拖曳水池中，拖車拖動立管模型產(chǎn)生均勻流場。用布置在立管內(nèi)部的加速度傳感器來測量立管的運動，在立管壁內(nèi)布置光柵測量立管壁內(nèi)的應(yīng)變量。經(jīng)分析，該試驗技術(shù)的不足之處在于1、一般只能模擬小尺度管件的渦激振動，尺度效應(yīng)難以避免；2、受海洋工程水池拖車速度限制，難以有效的進(jìn)行實雷諾數(shù)下的渦激振動試驗。3、受拖曳海洋工程深水池長度的限制，所得到的測試段距離較小，測得的試驗數(shù)據(jù)較少。4、不能進(jìn)行強迫振蕩試驗。5、不能模擬平臺的運動，從而研究平臺的運動對立管渦激振動的影響。6、只能進(jìn)行單根立管模型的渦激振動試驗，難以進(jìn)行兩根甚至多根立管列陣的渦激振動試驗。7、一般只能模擬均勻流的渦激振動，難以進(jìn)行階梯流下的渦激振動試驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種階梯流下頂部可運動深海立管列陣模型渦激振動試驗裝置，本發(fā)明利用垂直軌道模塊與水平軌道模塊以及拖車和拖曳水池的相對運動模擬不同流速的來流，加上套筒的局部阻流作用，實現(xiàn)階梯流的模擬，從而實現(xiàn)在實驗室環(huán)境下模擬深海立管列陣渦激振動。本發(fā)明測試時間長且能夠測試流速高的橫置于拖曳水池中的深海立管列陣模型，也可以進(jìn)行深海立管列陣模型的往復(fù)振蕩測試。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括若干個深海立管模塊、頂部支撐模塊、底部支撐模塊、兩個垂直軌道模塊、水平軌道模塊、四個整流罩模塊、套筒模塊、四個電機(jī)模塊和測量分析控制模塊，其中兩個垂直軌道模塊分別與水平軌道模塊的底部和頂部支撐模塊以及底部支撐模塊連接，水平軌道模塊分別與拖車另一側(cè)的底部和兩個垂直軌道模塊的頂部連接，若干個深海立管模塊兩端分別與頂部支撐模塊和底部支撐模塊連接， 四個整流罩模塊的整流罩邊板分別穿過且固定于兩個垂直軌道模塊的外部，每個垂直軌道模塊上有兩個整流罩模塊，測量分析控制模塊設(shè)置于拖車上，測量分析控制模塊通過導(dǎo)線分別與深海立管模塊、頂部支撐模塊、底部支撐模塊以及四個電機(jī)模塊連接，四個電機(jī)模塊分為兩組，其中的兩個電機(jī)模塊安裝在水平軌道模塊上來控制兩個垂直軌道模塊的運動， 剩余的兩個電機(jī)模塊分別安裝在兩個垂直軌道模塊的頂部上來控制兩個垂直軌道模塊上的滑塊的運動，從而控制頂部支撐模塊和底部支撐模塊的運動，套筒模塊套在若干個深海立管模塊外部且與底部支撐模塊連接。所述的深海立管模塊的個數(shù)大于等于2。所述的深海立管模塊包括光纖光柵傳感器、兩個立管固定接頭和深海立管模型， 其中光纖光柵傳感器沿立管模型表面軸向均勻布置，深海立管模型兩端分別與兩個立管固定接頭連接，兩個立管固定接頭分別與頂部支撐模塊和底部支撐模塊連接，光纖光柵傳感器與測量分析控制模塊連接。深海立管模塊用來模擬實際海洋中的立管。所述的頂部支撐模塊包括頂部連接架、水平支座、支撐板和若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)，其中頂部連接架的一端和一個垂直軌道模塊上的滑塊連接，另一端和水平支座連接，支撐板分別和水平支座以及若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)相連。若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)分別與若干個深海立管模塊一一對應(yīng)連接，若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)和測量分析控制模塊連接。頂部支撐模塊用來固定深海立管模塊的一端。所述的頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)包括傳感器和萬向節(jié)，其中傳感器分別與支撐板、萬向節(jié)和測量分析控制模塊連接，萬向節(jié)與深海立管模塊連接。所述的底部支撐模塊包括底部連接架、支架安裝座、彈性滑動組件、直線軸承和若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)，其中底部連接架的一端和另一個垂直軌道模塊上的滑塊連接， 另一端和支架安裝座連接，支架安裝座與直線軸承連接，彈性滑動組件穿過支架安裝座且與若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)連接，若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)分別與若干個深海立管模塊一一對應(yīng)連接，若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)和測量分析控制模塊連接。底部支撐模塊用來固定深海立管模塊的另一端，并對試驗過程中深海立管模塊發(fā)生渦激振動時提供緩沖作用。所述的彈性滑動組件包括前支撐板、滑動軸、緩沖彈簧和后支撐板，其中緩沖彈簧套在滑動軸外部且分別與后支撐板和直線軸承連接，前支撐板、滑動軸、后支撐板依次串聯(lián)連接，前支撐板分別與若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)連接。所述的底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)包括傳感器和萬向節(jié)，其中傳感器分別與彈性滑動組件、萬向節(jié)和測量分析控制模塊連接，萬向節(jié)與對應(yīng)的深海立管模塊連接。
5
所述的垂直軌道模塊由垂直軌道，滑塊和頂部連接塊組成，該垂直軌道垂直于水平軌道和拖曳水池池底且分別與水平軌道、整流罩模塊連接，每個垂直軌道模塊的頂部安裝有一個電機(jī)模塊。若干個深海立管模塊可以在垂直軌道模塊的作用下做垂直方向上的往復(fù)運動。所述的水平軌道模塊由水平軌道和支撐梁組成，該水平軌道垂直于垂直軌道，平行于拖曳水池池底，且分別與拖車和垂直軌道相連，水平軌道模塊的兩端安裝有兩個電機(jī)模塊。若干個深海立管模塊可以在水平軌道模塊的作用下做水平方向的往復(fù)運動。所述的整流罩模塊由固定連接的整流罩外殼和整流罩邊板組成。整流罩外殼與整流罩邊板連接，四個整流罩邊板分別與兩個垂直軌道的外表面連接。每個垂直軌道上安裝兩個整流罩模塊，二者呈對稱布置。整流罩外殼呈機(jī)翼型剖面，該結(jié)構(gòu)能夠大大減小整個試驗裝置運動過程中的阻力和興波。所述的整流罩模塊的個數(shù)為4。所述的電機(jī)模塊為已有試驗設(shè)備。四個電機(jī)模塊分為兩組，其中的兩個電機(jī)模塊安裝在水平軌道模塊上來控制兩個垂直軌道模塊的運動，剩余的兩個電機(jī)模塊分別安裝在兩個垂直軌道模塊的頂部來控制兩個垂直軌道模塊上的滑塊的運動，從而控制頂部支撐模塊和底部支撐的運動。所述的電機(jī)模塊的個數(shù)為4。所述的套筒模塊由固定連接的套筒連接桿和套筒件組成，套筒件套在若干個深海立管模塊的外側(cè)，套筒連接桿與底部支撐模塊件連接。套筒模塊使帶套筒件部分的若干個深海立管模塊在試驗中不受水流的作用，從而模擬階梯流。所述的測量分析控制模塊包括光纖數(shù)據(jù)采集單元、力數(shù)據(jù)采集單元和電機(jī)控制單元，其中光纖數(shù)據(jù)采集單元分別與若干個深海立管模塊連接，力數(shù)據(jù)采集單元分別與頂部支撐模塊和底部支撐模塊連接，電機(jī)控制單元與四個電機(jī)模塊連接，光纖數(shù)據(jù)采集單元、 力數(shù)據(jù)采集單元和電機(jī)控制單元各自獨立，均位于拖車上。所述的光纖數(shù)據(jù)采集單元和力數(shù)據(jù)采集單元含有實時采集分析軟件，能夠記錄和分析試驗中立管模型的應(yīng)變和受力。電機(jī)控制單元能夠控制四個電機(jī)，從而控制兩個垂直軌道模塊，頂部支撐模塊以及底部支撐模塊各自的運動。所述拖車和拖曳水池均為已有試驗設(shè)施，拖車可實現(xiàn)雙向的不同速度下的勻速直線運動，拖曳水池裝一定深度的水，為海底立管列陣模型提供水環(huán)境，二者相對運動即可模擬不同流速的階梯流。本發(fā)明使用時，根據(jù)頂部支撐模塊、底部支撐模塊以及兩個垂直軌道模塊的運動狀態(tài)，可以將研究的問題分為以下幾類
1)當(dāng)把頂支撐模塊和底部支撐模塊固定在垂直軌道模塊上，不讓其沿著垂直軌道模塊運動，而且不允許兩個垂直軌道模塊沿著水平軌道模塊運動，讓拖車帶動整個模型運動，可以研究深海立管列陣在不受海洋平臺運動影響下的渦激振動。2)當(dāng)將兩個垂直軌道模塊固定，讓頂部支撐模塊和底部支撐模塊沿著各自的垂直軌道模塊同步的做垂直方向上的往復(fù)運動，而拖車不動，就可以研究深海立管列陣的強迫振動。3)當(dāng)讓頂撐模塊沿著垂直軌道模塊做垂直方向上的往復(fù)運動，不允許底部支撐模塊和兩個垂直軌道模塊以及拖車運動，就可以研究深海立管列陣只在海洋平臺運動的作用下的渦激振動。4)當(dāng)讓頂部支撐模塊沿著垂直軌道模塊做垂直方向上的往復(fù)運動，不允許底部支撐模塊和兩個垂直軌道模塊運動，讓拖車帶動整個模型運動，就可以研究深海立管列陣在流向垂直于海洋平臺運動方向的來流作用下以及海洋平臺運動的影響下的渦激振動。5)當(dāng)不允許頂部支撐模塊和底部支撐模塊沿著垂直軌道模塊運動，讓與頂部支撐模塊相連的垂直軌道模塊沿著水平軌道模塊做水平方向上的往復(fù)運動，固定另一個垂直軌道模塊，讓拖車帶動整個模型運動，就可以研究深海立管列陣在流向平行于海洋平臺運動方向的來流作用下以及海洋平臺運動的影響下的渦激振動。6)當(dāng)讓頂部支撐模塊沿著與之相連的垂直軌道模塊做垂直方向上的往復(fù)運動，與頂部支撐模塊相連的垂直軌道模塊沿著水平軌道模塊做水平方向上的往復(fù)運動，并且調(diào)整它們的運動速度，不允許底部支撐模塊以及與之相連的垂直軌道模塊運動，讓拖車帶動整個模型運動，就可以研究深海立管列陣在海洋平臺的各種方向的運動影響下來流對其造成的渦激振動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明能夠安裝大尺度立管模型，從而避免尺度效應(yīng)，本發(fā)明能夠充分利用垂直軌道模塊和水平軌道模塊來模擬大尺度立管模型在海洋平臺的影響下的渦激振動，本發(fā)明能夠根據(jù)實際需要模擬深海立管模塊所形成的不同陣列。本發(fā)明由于在立管模型外部設(shè)置套筒，使得套筒內(nèi)部立管試驗中不受水流的作用，實現(xiàn)階梯流的模擬，使得模擬立管模型的外部環(huán)境更加真實，本發(fā)明采用模塊化設(shè)計， 安裝和拆卸均非常方便。


圖1為實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例1中深海立管模塊1為兩立管豎直列陣的斜視圖； 圖3為實施例1的垂直軌道模塊和水平軌道模塊的連接示意圖。圖4為實施例1的深海立管模塊示意圖。
圖5為實施例1的頂部支撐模塊側(cè)視圖。
圖6為實施例1的底部支撐模塊側(cè)視圖。
圖7為實施例1的底部支撐模塊仰視圖。
圖8為實施例1的垂直軌道模塊示意圖。
圖9為實施例1的水平軌道模塊示意圖。
圖10為實施例1的整流罩模塊示意圖。
圖11為實施例1的電機(jī)模塊示意圖。
圖12為實施例1的套筒模塊示意圖。
圖13為實施例1的測量分析控制模塊系統(tǒng)框圖。
圖14為實施例2中深海立管模塊1為兩立管水平列陣的斜視圖。
圖15為實施例3中深海立管模塊1為三立管三角列陣的斜視圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。實施例1
如圖ι所示，本實施例包括若干個深海立管模塊1、頂部支撐模塊2、底部支撐模塊3、 兩個垂直軌道模塊4、水平軌道模塊5、四個電機(jī)模塊6、四個整流罩模塊7、套筒模塊8和測量分析控制模塊9，其中兩個垂直軌道模塊4分別與水平軌道模塊5的底部、頂部支撐模塊2以及底部支撐模塊3連接，水平軌道模塊5分別與拖車10另一側(cè)的底部和兩個垂直軌道模塊4的頂部連接，若干個深海立管模塊1的兩端分別與頂部支撐模塊2和底部支撐模塊3連接，四個整流罩模塊7的整流罩邊板39分別穿過且固定于兩個垂直軌道模塊4的外部，每個垂直軌道模塊4上有兩個整流罩模塊7，測量分析控制模塊9設(shè)置于拖車10上，測量分析控制模塊9通過導(dǎo)線分別與若干個深海立管模塊1、頂部支撐模塊2、底部支撐模塊 3以及四個電機(jī)模塊6連接，四個電機(jī)模塊6分為兩組，其中的兩個電機(jī)模塊6安裝在水平軌道模塊5上來控制兩個垂直軌道模塊4的運動，剩余的兩個電機(jī)模塊6分別安裝在兩個垂直軌道模塊4的頂部上來控制兩個垂直軌道模塊4上的滑塊34的運動，從而控制頂部支撐模塊2和底部支撐模塊3運動，套筒模塊8套在若干個深海立管模塊1外部且與底部支撐模塊3連接。如圖2所示，當(dāng)深海立管模塊1的個數(shù)等于2時，兩個深海立管模塊1為豎直陣列布置。
如圖1和圖4所示，所述的深海立管模塊1包括光纖光柵傳感器13、兩個立管固定接頭14和立管模型15，其中光纖光柵傳感器13沿立管模型15表面軸向均勻布置，立管模型15兩端分別與兩個立管固定接頭14連接，兩個立管固定接頭14分別與頂部部支撐模塊 2和底部支撐模塊3連接，光纖光柵傳感器13與測量分析控制模塊9連接。深海立管模塊 1用來模擬實際海洋中的立管。所述的立管模型15其單位長度質(zhì)量與其單位長度排開水的質(zhì)量之比為1:1。如圖1和圖5所示，所述的頂部支撐模塊2包括頂部連接架16、水平支座17、支撐板18和若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)19，其中頂部連接架16的一端和垂直軌道模塊4上的滑塊34連接，另一端和水平支座17連接，支撐板18分別和水平支座17以及若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)19相連。若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)19分別與若干個深海立管模塊1 一一對應(yīng)連接，若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)19和測量分析控制模塊9連接。頂部支撐模塊2用來固定深海立管模塊1的一端。所述的頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)19包括傳感器21和萬向節(jié)20，其中傳感器21分別與支撐板18、萬向節(jié)20和測量分析控制模塊9連接，萬向節(jié)20與對應(yīng)的深海立管模塊1連接。如圖1、圖6和圖7所示，所述的底部支撐模塊3包括底部連接架M、支架安裝座 25、彈性滑動組件22、直線軸承沈和若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)23，其中底部連接架M的一端和另一個垂直軌道模塊4上的滑塊34連接，另一端和支架安裝座25連接，支架安裝座 25與直線軸承沈連接，彈性滑動組件22穿過支架安裝座25且與若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu) 23連接，若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)23分別與若干個深海立管模塊1 一一對應(yīng)連接，若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)23和測量分析控制模塊9連接。底部支撐模塊3用來固定深海立管模塊1的另一端，并對試驗過程中深海立管模塊1發(fā)生渦激振動時提供緩沖作用。所述的彈性滑動組件22包括前支撐板27、滑動軸觀、緩沖彈簧四和后支撐板 30，其中緩沖彈簧四套在滑動軸觀外部且分別與后支撐板30和直線軸承沈連接，前支撐板27、滑動軸觀、后支撐板30依次串聯(lián)連接，前支撐板27分別和若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)23連接。所述的底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)23包括傳感器31和萬向節(jié)32，其中傳感器31分別與彈性滑動組件21、萬向節(jié)32和測量分析控制模塊9連接，萬向節(jié)32與對應(yīng)的深海立管模塊1連接。如圖1、圖3和圖8所示，所述的垂直軌道模塊4由垂直軌道33，滑塊34，頂部連接塊12組成，該垂直軌道33垂直于水平軌道模塊5和拖曳水池11池底。垂直軌道33通過頂部滑塊12與水平軌道模塊5的底部滑塊37相連，可以在水平軌道模塊5上做水平方向上的往復(fù)運動，滑塊34安裝在垂直軌道33上，且分別與頂部支撐模塊2的頂部連接架16 以及底部支撐模塊3的底部連接架M相連，從而將垂直軌道模塊4與頂支撐模塊2以及底部模塊3連接起來，兩個整流罩模塊7對稱的布置在垂直軌道33的一側(cè)。垂直軌道模塊4 為若干個深海立管模塊1提供支撐作用。若干個深海立管模型模塊1可以在垂直軌道模塊 4的作用下做垂直方向上的往復(fù)運動。如圖1、圖3和圖9所示，所述的水平軌道模塊5由掛鉤45、支撐梁35、水平軌道 36和底部滑塊37組成，該水平軌道36垂直于垂直軌道33，平行于水池11池底。水平軌道 36通過掛鉤45與拖車10的底部相連并且通過底部滑塊37與垂直軌道模塊4的頂部連接塊12相連。若干個深海立管模塊1可以在水平軌道模塊5的作用下做水平方向的往復(fù)運動。支撐梁35的作用是將兩個水平軌道37連接起來。如圖1和圖10所示，所述的整流罩模塊7由固定連接的整流罩外殼38和整流罩邊板39組成。整流罩外殼38與整流罩邊板39連接，四個整流罩邊板39分別與兩個垂直軌道33的外表面連接。每個垂直軌道33上安裝兩個整流罩模塊7，二者對稱布置。所述的整流罩外殼38呈機(jī)翼型剖面，該結(jié)構(gòu)能夠大大減小整個試驗裝置運動過程中的阻力和興波。如圖11所示，所述的四個電機(jī)模塊6為已有試驗設(shè)備。四個電機(jī)模塊6分為兩組， 其中的兩個電機(jī)模塊6安裝在水平軌道模塊5上來控制兩個垂直軌道模塊4的運動，剩余的兩個電機(jī)模塊6分別安裝在兩個垂直軌道模塊4的頂部來控制兩個垂直軌道模塊4上的滑塊34的運動，從而控制頂部支撐模塊2和底部支撐模塊3運動。如圖1和圖12所示，所述的套筒模塊8由固定連接的套筒連接桿40和套筒件41 組成，套筒件41套在立管模型15外側(cè)，套筒連接桿40與底部支撐模塊3連接。套筒模塊8 使帶套筒件41部分的若干個深海立管模塊1在試驗中不受水流的作用，從而模擬階梯流。如圖1和圖13所示，所述的測量分析控制模塊9包括光纖數(shù)據(jù)采集單元42、力數(shù)據(jù)采集單元43和電機(jī)控制單元44，其中光纖數(shù)據(jù)采集單元42分別于若干個深海立管模塊1連接，力數(shù)據(jù)采集單元43分別與頂部支撐模塊2和底部支撐模塊3連接，電機(jī)控制單元44與四個電機(jī)模塊6連接，光纖數(shù)據(jù)采集單元42、力數(shù)據(jù)采集單元43和電機(jī)控制單元 44各自獨立，均位于拖車10上。
所述的光纖數(shù)據(jù)采集單元42和力數(shù)據(jù)采集單元43含有實時采集分析軟件，能夠記錄和分析試驗中立管模型1的應(yīng)變和受力。電機(jī)控制單元44能夠控制四個電機(jī)6，從而控制兩個垂直軌道模塊4、頂部支撐模塊2以及底部支撐模塊3各自的運動。實施例2
如圖14所示，當(dāng)深海立管模塊1的個數(shù)等于2時，兩個深海立管模塊1為豎直陣列布置。實施例3
如圖15所示，當(dāng)深海立管模塊1的個數(shù)等于3時，兩個深海立管模塊1為三角陣列布置。如圖1所示，所述的拖車10和拖曳水池11均為已有試驗設(shè)施，拖車10可實現(xiàn)雙向的不同速度下的勻速直線運動，拖曳水池11裝一定深度的水，為海底立管模型15提供水環(huán)境，二者相對運動即可模擬不同流速的階梯流。本裝置有以下優(yōu)點1、本裝置能夠安裝大尺度立管模型15，從而避免尺度效應(yīng)； 2、本裝置能夠充分利用拖車10的高速來模擬大尺度立管模型15實雷諾數(shù)渦激振動。3、本裝置能夠充分利用拖曳水池11的長度，進(jìn)行長距離測試，獲得的更長更穩(wěn)定的試驗數(shù)據(jù)。 4、本裝置能夠利用垂直軌道模塊和水平軌道模塊來進(jìn)行立管的強迫振蕩試驗。5、本裝置能夠利用垂直軌道模塊和水平軌道模塊的運動來模擬海洋平臺的運動，從而研究海洋平臺運動對立管渦激振動的影響。6、本裝置能夠根據(jù)實際需要模擬深海立管模塊1所形成的不同陣列。7、本裝置由于在若干個深海立管模塊1的外部設(shè)置套筒，使得套筒內(nèi)部立管試驗中不受水流的作用，實現(xiàn)階梯流的模擬，使得模擬若干個深海立管模塊1的外部環(huán)境更加真實。8、本裝置采用模塊化設(shè)計，安裝和拆卸均非常方便。
10
權(quán)利要求
1.一種可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征在于，包括若干個深海立管模塊、頂部支撐模塊、底部支撐模塊、兩個垂直軌道模塊、 水平軌道模塊、四個整流罩模塊、套筒模塊、四個電機(jī)模塊和測量分析控制模塊，其中兩個垂直軌道模塊分別與水平軌道模塊的底部和頂部支撐模塊以及底部支撐模塊連接，水平軌道模塊分別與拖車另一側(cè)的底部和兩個垂直軌道模塊的頂部連接，若干個深海立管模塊兩端分別與頂部支撐模塊和底部支撐模塊連接，四個整流罩模塊的整流罩邊板分別穿過且固定于兩個垂直軌道模塊的外部，每個垂直軌道模塊上有兩個整流罩模塊，測量分析控制模塊設(shè)置于拖車上，測量分析控制模塊通過導(dǎo)線分別與深海立管模塊、頂部支撐模塊、底部支撐模塊以及四個電機(jī)模塊連接，四個電機(jī)模塊分為兩組，其中的兩個電機(jī)模塊安裝在水平軌道模塊上來控制兩個垂直軌道模塊的運動，剩余的兩個電機(jī)模塊分別安裝在兩個垂直軌道模塊的頂部上來控制兩個垂直軌道模塊上的滑塊的運動，控制頂部支撐模塊和底部支撐模塊的運動，套筒模塊套在若干個深海立管模塊外部且與底部支撐模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的深海立管模塊包括光纖光柵傳感器、兩個立管固定接頭和深海立管模型，其中光纖光柵傳感器沿立管模型表面軸向均勻布置，深海立管模型兩端分別與兩個立管固定接頭連接，兩個立管固定接頭分別與頂部支撐模塊和底部支撐模塊連接，光纖光柵傳感器與測量分析控制模塊連接，深海立管模塊用來模擬實際海洋中的立管；所述的頂部支撐模塊包括頂部連接架、水平支座、支撐板和若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)，其中頂部連接架的一端和一個垂直軌道模塊上的滑塊連接，另一端和水平支座連接， 支撐板分別和水平支座以及若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)相連，若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)分別與若干個深海立管模塊一一對應(yīng)連接，若干個頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)和測量分析控制模塊連接，頂部支撐模塊用來固定深海立管模塊的一端；所述的頂部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)包括傳感器和萬向節(jié)，其中傳感器分別與支撐板、萬向節(jié)和測量分析控制模塊連接，萬向節(jié)與深海立管模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的底部支撐模塊包括底部連接架、支架安裝座、彈性滑動組件、直線軸承和若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)，其中底部連接架的一端和另一個垂直軌道模塊上的滑塊連接，另一端和支架安裝座連接，支架安裝座與直線軸承連接，彈性滑動組件穿過支架安裝座且與若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)連接，若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)分別與若干個深海立管模塊一一對應(yīng)連接，若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)和測量分析控制模塊連接；所述的彈性滑動組件包括前支撐板、滑動軸、緩沖彈簧和后支撐板，其中緩沖彈簧套在滑動軸外部且分別與后支撐板和直線軸承連接，前支撐板、滑動軸、后支撐板依次串聯(lián)連接，前支撐板分別與若干個底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)連接；所述的底部轉(zhuǎn)動傳感結(jié)構(gòu)包括傳感器和萬向節(jié)，其中傳感器分別與彈性滑動組件、 萬向節(jié)和測量分析控制模塊連接，萬向節(jié)與對應(yīng)的深海立管模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的垂直軌道模塊由垂直軌道，滑塊和頂部連接塊組成，該垂直軌道垂直于水平軌道和拖曳水池池底且分別與水平軌道、整流罩模塊連接，每個垂直軌道模塊的頂部安裝有一個電機(jī)模塊，若干個深海立管模塊可以在垂直軌道模塊的作用下做垂直方向上的往復(fù)運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的水平軌道模塊由水平軌道和支撐梁組成，該水平軌道垂直于垂直軌道，平行于拖曳水池池底，且分別與拖車和垂直軌道相連，水平軌道模塊的兩端安裝有兩個電機(jī)模塊，若干個深海立管模塊可以在水平軌道模塊的作用下做水平方向的往復(fù)運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的整流罩模塊由固定連接的整流罩外殼和整流罩邊板組成，整流罩外殼與整流罩邊板連接，四個整流罩邊板分別與兩個垂直軌道的外表面連接，每個垂直軌道上安裝兩個整流罩模塊，二者呈對稱布置，整流罩外殼呈機(jī)翼型剖面，該結(jié)構(gòu)能夠大大減小整個試驗裝置運動過程中的阻力和興波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的電機(jī)模塊為已有試驗設(shè)備，四個電機(jī)模塊分為兩組，其中的兩個電機(jī)模塊安裝在水平軌道模塊上來控制兩個垂直軌道模塊的運動，剩余的兩個電機(jī)模塊分別安裝在兩個垂直軌道模塊的頂部來控制兩個垂直軌道模塊上的滑塊的運動，從而控制頂部支撐模塊和底部支撐的運動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的套筒模塊由固定連接的套筒連接桿和套筒件組成，套筒件套在若干個深海立管模塊的外側(cè)，套筒連接桿與底部支撐模塊件連接，套筒模塊使帶套筒件部分的若干個深海立管模塊在試驗中不受水流的作用，從而模擬階梯流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的測量分析控制模塊包括光纖數(shù)據(jù)采集單元、力數(shù)據(jù)采集單元和電機(jī)控制單元，其中光纖數(shù)據(jù)采集單元分別與若干個深海立管模塊連接，力數(shù)據(jù)采集單元分別與頂部支撐模塊和底部支撐模塊連接，電機(jī)控制單元與四個電機(jī)模塊連接， 光纖數(shù)據(jù)采集單元、力數(shù)據(jù)采集單元和電機(jī)控制單元各自獨立，均位于拖車上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，其特征是，所述的光纖數(shù)據(jù)采集單元和力數(shù)據(jù)采集單元含有實時采集分析軟件，能夠記錄和分析試驗中立管模型的應(yīng)變和受力；所述拖車實現(xiàn)雙向的不同速度下的勻速直線運動，所述拖曳水池裝有水，為海底立管列陣模型提供水環(huán)境，二者相對運動即可模擬不同流速的階梯流。
全文摘要
一種海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的可考慮頂部運動影響的階梯流下深海立管列陣模型渦激振動模擬試驗裝置，包括若干個深海立管模塊、頂部支撐模塊、底部支撐模塊、兩個垂直軌道模塊、水平軌道模塊、四個整流罩模塊、套筒模塊、四個電機(jī)模塊和測量分析控制模塊。本發(fā)明能夠安裝大尺度立管模型，從而避免尺度效應(yīng)，本發(fā)明能夠充分利用垂直軌道模塊和水平軌道模塊來模擬大尺度立管模型在海洋平臺的影響下的渦激振動，本發(fā)明能夠根據(jù)實際需要模擬深海立管模塊所形成的不同陣列。本發(fā)明由于在立管模型外部設(shè)置套筒，使得套筒內(nèi)部立管試驗中不受水流的作用，實現(xiàn)階梯流的模擬，使得模擬立管模型的外部環(huán)境更加真實，本發(fā)明采用模塊化設(shè)計，安裝和拆卸均非常方便。
文檔編號G01M7/06GK102305696SQ201110219628
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者付世曉, 彭濤, 楊建民, 汪學(xué)鋒 申請人:上海交通大學(xué)