一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置的制作方法

本发明属于深海工程技术领域，具体涉及一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置，在进行立管群耦合干涉效应的涡激振动试验时，该装置能够精确施加及测量顶张力，自由变换立管模型长度，同时，达到角度和间距同步变换的试验目的。

背景技术：

在波、浪、流作用于海洋立管时产生流动分离，近尾迹分离的剪切层相互作用产生漩涡脱落，交替的漩涡脱落在立管上生成周期性变化的流体脉动压力（升力和曳力），引发立管的周期性大幅度振动，这种规律性的振动反过来又改变其尾流漩涡的发放形态。一般深海立管具有较低的自振频率，当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时，系统将在一定流速范围内被激发锁振，导致立管结构失稳产生剧烈的大幅振动并加速疲劳损伤，甚至发生立管间碰撞，危及立管的使用寿命，涡激振动问题已经引起了工程界和学术界的广泛关注。

海洋立管不止以单根的形式出现，多以“串”、“列”及“群”的结构形式广泛存在于实际深水工程中，布置形式多种多样。海流作用下，立管与立管之间产生间隙流，上游立管产生的尾流改变下游立管的动力响应，以致于下游立管的振动是由涡激振动和尾激振动叠加而成，同样地，下游立管对上游立管产生反馈效应。与孤立单管相比，立管之间的干涉作用导致立管群的动力响应、尾涡结构和模态形式截然不同，多管之间的耦合作用和响应机理成为研究热点和重点，无论对于学术界还是工程界都有着重要的研究意义。

实际工程之中，海洋立管的上端通过滑移节与平台或船舶连接，下端通过万向节与采油井口连接，波浪、海流、冰及地震等各种复杂海洋环境荷载作用于平台及立管，导致立管多自由度振动。在模型试验中，立管的连接方式和顶张力的施加是必须考虑的两个重要因素。国内外研究者针对复杂多管的涡激振动问题研究较少，针对孤立单管的试验装置不能满足群管顶张力施加的要求。本发明为立管群耦合干涉效应试验提供了新思路与技术方法，对实际工程具有指导意义。

技术实现要素：

本发明一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置能够准确地施加、测量立管的顶张力，同时实现立管长度的改变、排列角度以及间距的变化，保证耦合干涉效应下的立管群涡激振动试验顺利开展。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置包括顶张力施加系统、变角度和变间距联合装置、固定装置、立管群模型四个部分。其中，顶张力施加系统由施力装置、牵引钢丝绳、不锈钢连接环、铝合金导力板、铝合金固定板、导力杆以及外置数显张力计组成；变角度和变间距联合装置包括刻度盘、可伸缩连接杆、磁力座、球形铰；固定装置包括支撑、sbr光轴直线导轨、sbr滑块、铝合金固定板、万向节、丝杆锁紧螺母、直角角件、t型高强螺栓及法兰螺母；立管群模型两端分别连接能够保证立管能在顺流向、横流向自由振动的万向节。

1、试验装置的支撑是由直角角件、t型高强螺栓及法兰螺母将铝合金型材连接固定，四个斜支撑的作用在于确保整体稳定性。

2、采用万向节将立管与固定装置进行连接，保证立管在横流向、顺流向自由振动。

3、采用sbr光轴直线导轨能够保证铝合导力板和铝合金固定板上下滑动，在进行试验时可以自由变换立管模型的长度，方便更换试验工况，并简化操作流程。

4、针对立管群的顶张力施加系统是本发明的核心，通过施力装置由牵引钢丝绳以及不锈钢连接环对铝合金导力板施力，施加的张力通过16根导力杆传导至上部铝合金固定板，使上部固定板四边处于水平位置以确保每根立管模型顶张力的大小相同。在铝合金固定板之下连接外置数显张力计，精确测量顶张力的大小。

5、变角度和变间距联合装置是满足试验创新点需要的关键，在刻度盘上标定0°、30°、45°、60°、90°，以满足每个试验工况所需的角度，并在对应位置布设与可伸缩连接杆同样截面积的凹槽，可伸缩连接杆一端通过球形铰固定在铝合金固定板上，另一端可以根据试验工况固定在铝合金固定板0°、30°、45°、60°、90°位置的凹槽内。在变换试验工况时，可伸缩连接杆处于收缩状态（末端1/2收缩在近端的套筒内），当其转到试验工况所要求的角度时，拉动可伸缩连接杆末端使其卡在对应的凹槽，保证在水环境中立管模型能够固定在要求位置。

6、采用磁力座和可伸缩连接杆固定立管，可伸缩连接杆的下侧放置磁力座，打开磁力座开关，张力计及立管依靠磁力与可伸缩连接杆牢牢固定；关闭磁力座开关，张力计及立管脱离可伸缩连接杆，可实现立管之间间距为任意值，方便工况更换，并将试验操作流程简易化。

7、本发明一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置能够实现立管群顶张力的精确施加、立管长度变换、变角度和间距同步实现的目标，为模拟立管群涡激振动干涉规律、得到准确的试验数据提供技术支持。。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明顶张力施加系统示意图；

图3是本发明变角度和变间距联合装置示意图；

图4是本发明变角度和变间距联合装置局部俯视图；

图中1—施力装置，2—牵引钢丝绳，3—不锈钢连接环，4—铝合金导力板，5—上部铝合金固定板，6—sbr光轴直线导轨，7—张力计显示屏，8—立管群模型，9—斜撑，10—铝合金型材支撑，11—丝杆锁紧螺母，12—导力杆，13—直角角件，14—外置数显张力计，15—万向节，16—可伸缩连接杆，17—凹槽，18—磁力座，19—球形铰，20—下部铝合金固定板，21—刻度盘，22—t型高强螺栓及法兰螺母具体实施方式

具体实施方式:

通过直角角件13与t型高强螺栓及法兰螺母22将铝合金型材支撑10连接固定，并设置四个斜支撑9以确保整体稳定性。将支架底座放入水槽中，调整上、下部铝合金固定板5、20的位置，采用万向节15将立管群8上下连接固定，将下部铝合金固定板20降到最底处，采用丝杆锁紧螺母11锁定下部铝合金固定板20，上部固定板5采用相同方式进行连接。本发明通过施力装置1经牵引钢丝绳2以及不锈钢连接环3对铝合金导力板4施力，施加的力通过导力杆12传导至上部铝合金固定板5并连接外置数显张力计14，进而将力施加在立管群8上，使上部固定板5四边处于水平位置以确保每根立管模型顶张力的大小相同。通过观察张力计显示屏7的示数从而调节施力装置1所施加的力，准确施加每根立管的顶张力。铝合金导力板4、上、下部铝合金固定板5、20可以沿着sbr光轴直线导轨6上下滑动，并在指定位置用丝杆锁紧螺母11将板固定，在进行涡激振动试验时可以自由变换立管模型的长度，方便工况更换，并将试验操作流程简易化。

为解决立管群变角度的试验难题，在上、下部铝合金固定板5、20上均安装刻度盘21，用来标定0°、30°、45°、60°、90°刻度以对应每个试验工况所需的角度，并在各个位置开设与可伸缩连接杆16同样截面积的凹槽17，可伸缩连接杆16一端通过球形铰19固定于下部铝合金固定板20，另一端可以根据试验工况固定在刻度盘21所对应角度的凹槽17内。在变换试验工况时，可伸缩连接杆16处于收缩状态（末端1/2收缩在近端的凹槽17内），当其转到试验工况所要求的0°、30°、45°、60°、90°等位置时，拉动可伸缩连接杆16末端使其卡在对应的凹槽17内，保证在水环境中立管能够牢固布置。

为解决立管群变间距的试验难题，本装置采用磁力座18和可伸缩连接杆16固定立管，可伸缩连接杆16的下侧放置磁力座18，打开磁力座18的开关，外置数显张力计14及立管群8依靠磁力与可伸缩连接杆16牢牢固定；关闭磁力座18的开关，张力计14及立管8脱离可伸缩连接杆16。可伸缩连接杆16的一端标有刻度，保证立管之间的间距足够准确。本发明为立管群耦合干涉效应的研究方向提供试验技术方法，为获取准确数据奠定基础。