一种研究海洋立管在流场中涡激振动特征的试验装置

1.本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种研究海洋立管在流场中涡激振动特征的试验装置。


背景技术：

2.海洋立管连接浮式平台与海底井口，输送石油、天然气等海底油气资源，是海底资源开采系统中的重要组成部分。立管造价较高，且一旦发生破坏，石油、天然气泄漏，将造成严重的经济损失和环境污染，因而立管的安全性至关重要。立管在海洋来流的作用下会发生涡激振动，涡激振动是立管疲劳损伤甚至结构破坏的关键因素之一。
3.海洋立管顶部一般与浮式平台相连。浮式平台在波浪作用下会发生横向振荡，并带动立管横向振荡，产生振荡流。振荡流与稳定的海洋来流叠加会形成复杂的组合流。立管的涡激振动响应与水流的实时流速密切相关，组合流中流速不停变化，使立管的涡激振动特征变得更为复杂，难以用理论或数值方法准确预报，为立管的设计带来了很大挑战。立管设计阶段不得不选取较大的安全系数，导致成本增加。
4.试验方法是研究立管涡激振动的重要手段，可对立管模型在特定流场中的实际响应进行直接测量，揭示涡激振动规律，并为数值方法的修正提供指导。立管在组合流中的涡激振动机理尚不清晰。均匀流与振荡流的叠加流场是典型的时变组合流场。然而目前的立管涡激振动试验研究大多只考虑定常流，时变组合流场的模拟较难通过试验手段实现。
5.因此，本领域的技术人员致力于开发一种研究海洋立管在均匀流-振荡流组合流场中涡激振动特征的试验装置。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种研究海洋立管在组合流场中涡激振动特征的试验装置，能够使海洋立管模块相对拖动模块振荡以产生振荡流场，振荡流场与拖动模块匀速拖航产生的均匀流场叠加形成时变组合流场，从而可以对组合流场中海洋立管模块的涡激振动响应开展试验研究，以探究海洋立管模块在组合流中涡激振动的机理，为海洋工程实际提供参考和借鉴。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种研究海洋立管在流场中涡激振动特征的试验装置，其特征在于，包括海洋立管模块、运动模块、电动模块、拖动模块、固定模块、振荡模块和力施加模块；所述固定模块将所述运动模块固定在所述拖动模块底部，所述电动模块固定在所述运动模块的端部，所述振荡模块与所述运动模块滑动连接，并与所述电动模块电性连接，所述海洋立管模块两端与所述振荡模块相连，所述力施加模块固定在所述振荡模块上并与所述海洋立管模块的端部相连。
8.在本发明的一个优选实施例中，所述固定模块包括顶部横梁和运动机构固定连接件；所述运动模块通过运动机构固定连接件与所述顶部横梁固定连接，所述顶部横梁的两端各设置有顶部纵梁、顶部吊挂、光轴、吊挂夹紧件、梁间固定连接件，所述顶部吊挂与所述
顶部纵梁固定连接，并通过所述吊挂夹紧件与所述拖动模块固定连接，所述顶部纵梁通过所述梁间固定连接件与所述顶部横梁固定连接，所述光轴两端与所述顶部纵梁两端固定连接。
9.在本发明的一个优选实施例中，所述振荡模块包括中部横梁、左端上折弯件、左端下折弯件、侧板、扰流板、右端竖板、套筒、运动机构滑块、垫块、直线轴承和l形板，所述中部横梁左端与所述左端上折弯件通过l形板固定，右端与所述右端竖板通过l形板固定，所述垫块固定连接在所述中部横梁的顶侧中间，所述运动机构滑块表面设置圆柱凸起与所述垫块设置的插孔相配合插接，所述运动机构滑块与所述运动模块的轨道滑动连接，并与所述电动模块电性连接，所述侧板安装在所述左端上折弯件和所述右端竖板两侧。所述直线轴承安装在所述侧板上，所述光轴穿过所述直线轴承，所述左端上折弯件的折弯面板与所述左端下折弯件的折弯面板叠放固定，两者接触面积可调，所述扰流板安装在所述左端下折弯件和右端竖板偏底部位置，所述套筒安装在所述右端竖板的外侧。
10.在本发明的一个优选实施例中，所述直线轴承的轴心与光轴的轴心对齐。
11.在本发明的一个优选实施例中，所述力施加模块包括直线电机、力传感器、万向节、可调螺母、直线电机滑块、滑块盖板、带钩螺栓、钢丝绳、端部滑轮、内侧滑轮、端部连接件和弹簧，所述直线电机与所述右端竖板固定连接，所述直线电机滑块通过滑动锁定机构与所述直线电机轨道连接，所述滑块盖板固定于所述直线电机滑块表面，所述带钩螺栓与所述滑块盖板固定连接，所述可调螺母的一端通过万向节与所述海洋立管模块的右端连接，另一端与所述力传感器的一端连接，所述力传感器另一端与所述端部连接件的一端连接，所述端部连接件的另一端伸入所述套筒并与所述弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端与所述钢丝绳的一端连接，所述钢丝绳的另一端依次经过所述端部滑轮和所述内侧滑轮后与所述带钩螺栓的钩子相连。
12.在本发明的一个优选实施例中，所述带钩螺栓的钩子设置为弯钩状、圆钩状或其它能固定所述钢丝绳的钩状物。
13.在本发明的一个优选实施例中，所述海洋立管模块包括管件、应变片、热缩管和介质，所述应变片贴在所述管件的外表面，位于所述管件和所述热缩管之间，所述热缩管套在所述管件的外表面，加热缩小后与所述管件和所述应变片紧贴，所述管件内部充满所述介质。
14.在本发明的一个优选实施例中，所述管件材质包括但不限于为ppr、钢管、铜管、硅胶管。
15.在本发明的一个优选实施例中，所述介质包括但不限于固体、液体、气体或多相混合物。
16.在本发明的一个优选实施例中，所述应变片和所述力传感器与动态信号采集仪连接后再与计算机连接。
17.本发明的有益效果是：
18.1、提出了可以模拟均匀流和振荡流组合时变外流场的立管涡激振动试验装置，克服了现有技术通常只能模拟定常流场的不足，通过运动模块和光轴，使得海洋立管模块在被拖动模块匀速拖动模拟均匀流的同时，还能稳定地往复运动模拟需要的振荡流，两种流场叠加实现对复杂组合流场的模拟。
19.2、本发明技术方案中部横梁联立运动机构滑块、左端上折弯件和右端竖板，使用单个电机就可控制立管两端同步振荡，大大降低试验成本。直线电机与右端竖板固定，随海洋立管模块同步振荡，通过精确控制弹簧长度来控制施加给海洋立管模块的张力，配合力传感器对力的监测，实现海洋立管模块试验过程中张力的稳定、精确施加。左端上折弯件与左端下折弯件的接触面积可调，万向节与力传感器间的间距可通过可调螺母改变，使试验装置对不同长度的海洋立管模块都有较好的适应性，配合直线电机使张力的调节更加容易，并提高了能提供的张力范围。
20.3、本发明提出的试验装置所需构件通用性强、安装和拆卸方便、成本较低、易维护、调试方便、易推广。
21.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
22.图1为本发明实施例中试验装置整体结构示意图；
23.图2为本发明实施例中试验装置主视图；
24.图3为本发明实施例中试验装置俯视图；
25.图4为本发明实施例中试验装置右视图；
26.图5为本发明实施例中试验装置底部示意图；
27.图6为本发明实施例中固定模块示意图；
28.图7为本发明实施例中固定模块局部示意图；
29.图8为本发明实施例中振荡模块示意图；
30.图9为本发明实施例中运动模块与中部横梁连接示意图；
31.图10为本发明实施例中振荡结构左侧示意图(内侧和外侧视角)；
32.图11为本发明实施例中振荡结构右侧示意图(内侧和外侧视角)；
33.图12为本发明实施例中力施加模块结构示意图；
34.图13为本发明实施例中海洋立管模块结构示意图；
35.图中：1-运动模块；2-电动模块；3-顶部横梁；4-顶部纵梁；5-顶部吊挂；6-中部横梁；7-光轴；8-左端上折弯件；9-左端下折弯件；10-侧板；11-扰流板；12-右端竖板；13-直线电机；14-套筒；15-力传感器；16-可调螺母；17-万向节；18-立管模型；19-吊挂夹紧件；20-梁间固定连接件；21-运动机构固定连接件；22-运动机构滑块；23-垫块；24-直线轴承；25-l形板；26-直线电机滑块；27-滑块盖板；28-带钩螺栓；29-钢丝绳；30-端部滑轮；31-内侧滑轮；32-端部连接件；33-管件；34-应变片；35-热缩管；36-介质；37-拖动模块；38-弹簧。
具体实施方式
36.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
37.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定
每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
38.如图1～图5所示，本发明的一个实施例提供了一种研究海洋立管在流场中涡激振动特征的试验装置，包括海洋立管模块18、运动模块1、电动模块2、拖动模块37、固定模块、振荡模块和力施加模块；所述固定模块将所述运动模块1固定在所述拖动模块37底部，所述电动模块2固定在所述运动模块1的端部，所述振荡模块与所述运动模块1滑动连接，所述海洋立管模块18两端与所述振荡模块相连，所述力施加模块固定在所述振荡模块上并与所述海洋立管模块18的端部相连，为海洋立管模块18提供张力。
39.所述拖动模块37可带着所述试验装置在拖曳水池中匀速直线运动以模拟均匀流。
40.如图6、图7所示，所述固定模块包括顶部横梁3和运动机构固定连接件21；所述运动模块1通过运动机构固定连接件21与所述顶部横梁3固定连接，所述顶部横梁3的两端各设置有顶部纵梁4、顶部吊挂5、光轴7、吊挂夹紧件19、梁间固定连接件20，顶部纵梁4有左右两根，平行排列并位于同一水平面内。每根顶部纵梁4上固定有两个顶部吊挂5。顶部吊挂主体结构是螺栓，下端穿过顶部纵梁4并通过螺母与之固定，上端与吊挂夹紧件19固定。吊挂夹紧件19通过螺丝、螺母与所述拖动模块底部结构的面板固定。顶部横梁3有前后两根，平行排列并位于同一水平面内，叠放在顶部纵梁4下面，四根梁构成“井”字形。梁两两相接触的部位通过梁间固定连接件20固定。梁间固定连接件20主体是两块带孔板和四根螺栓，通过螺母将顶部横梁3和顶部纵梁4的端部固定。梁间固定连接件20下面板还连接有带孔夹紧结构，光轴7可从中穿过并被紧固。光轴7位于顶部纵梁4的正下方并与之平行。运动机构固定连接件21的主体结构是带孔板和螺栓，两个运动机构固定连接件21分别位于两根顶部横梁3的中间位置，将图5中运动模块1的两端与顶部横梁3通过螺母固定。所述固定模块将整个试验装置固定在拖动模块底部，使其可随拖动模块一起匀速运动。所述固定模块将运动模块1固定，为所述振荡模块提供稳定的振荡轨道。
41.如图8～图11所示，所述振荡模块包括中部横梁6、左端上折弯件8、左端下折弯件9、侧板10、扰流板11、右端竖板12、套筒14、运动机构滑块22、垫块23、直线轴承24和l形板25。左端上折弯件8的折弯面板与左端下折弯件9的折弯面板叠放，左端上折弯件8的折弯面板上有两道平行长条孔，左端下折弯件9的折弯面板上有与长条孔对正的若干圆孔，将左端下折弯件9向左或向右沿着长条孔长度方向平移，位置定好后，用若干螺丝穿过长条孔和圆孔通过螺母将左端上折弯件8和左端下折弯件9的面板固定，从而两者接触面积可调。两块圆形扰流板11分别固定在左端下折弯件9和右端竖板12偏底部的位置，且两块扰流板11的中心对齐。圆柱套筒14安装在右端竖板12的外侧，且套筒14的截面中心与扰流板11的中心对齐。侧板10安装在左端上折弯件8和右端竖板12两侧，共有四个侧板10，每个侧板上安装有直线轴承24，直线轴承24的轴心与光轴7的轴心对齐，且光轴7穿过直线轴承24。左侧光轴7穿过左侧侧板10上的两个直线轴承24将左端上折弯件8吊起，右侧光轴7穿过右侧侧板10上的两个直线轴承将右端竖板12吊起。左端上折弯件8上有一方形孔，可让中部横梁6穿过。中部横梁6左端穿过左端上折弯件8的方形孔，固定位置确定后在中部横梁6左端上下表面布置两块l形板25，l形板25的另一面板贴在左端上折弯件8表面，通过l形板25和螺丝、螺母将中部横梁6的左端和左端上折弯件8固定。中部横梁6的右端贴右端竖板12表面，类似左端的固定方式，通过l形板25和螺丝、螺母将中部横梁6的右端和右侧竖板12固定。中部横梁6的中间位置上表面固定有一垫块23。运动机构滑块22表面上有一圆柱凸起，垫块23有一圆
柱孔，将运动机构滑块22的圆柱凸起插入垫块23的孔内以将运动机构滑块22与中部横梁6固定。运动机构滑块22可沿着运动模块1的轨道直线运动并锁定在某一指定位置。运动机构滑块22可带动所述振荡模块沿着运动模块1的轨道和光轴7往复直线运动。
42.如图11和图12所示，所述力施加模块包括直线电机13、力传感器15、可调螺母16、直线电机滑块26、滑块盖板27、带钩螺栓28、钢丝绳29、端部滑轮30、内侧滑轮31、端部连接件32和弹簧38等。直线电机13固定在右端竖板12外侧。直线电机滑块26设置有滑动锁止机构，可沿着直线电机13轨道直线运动并锁定在某一指定位置。滑块盖板27固定在直线电机滑块26的表面。带钩螺栓28与滑块盖板27通过螺栓固定，并伸出钩子或环来连接钢丝绳29。端部连接件32穿过右侧扰流板11并与之固定。端部连接件32的左侧依次连力传感器15、可调螺母16和万向节17。端部连接件32的右侧与弹簧38的左端连接。弹簧38的右端与钢丝绳29的一端连接，钢丝绳依次经过端部滑轮30和内侧滑轮31后竖直向上固定在带钩螺栓28上。弹簧38位于套筒14内，端部滑轮30和内侧滑轮31固定在套筒14上。如图10所示，左侧扰流板11的中心固定有万向节17。海洋立管模块18的两端分别插入左右两侧的万向节17内固定。可调螺母16可以调整右侧万向节17与力传感器15之间的距离。通过可调螺母16和直线电机滑块26可以调节海洋立管模块18的张力，力传感器15可以实时监测海洋立管模块18的张力。
43.如图13所示，本发明的一个实施例中，所述海洋立管模块18包括管件33、应变片34、热缩管35和水36。本实施例中管件33为ppr管，还可以是钢管、铜管、硅胶管等。首先在管件33的外表面沿轴向画四条直线，相邻直线间隔90度。然后确定需要采集应变的若干截面，在每个选定截面与所画直线的四个交点粘贴四片应变片，并涂上蜜月胶或硅橡胶等具有防水功能的材料。应变片贴好并做好防水处理后，将热缩管35套在ppr管件33外表面，并加热热缩管35使其收缩贴紧ppr管件33以防水。海洋立管模块18端部ppr管件33和热缩管35的缝隙处也应做好防水处理。ppr管件33内部充满水36，也可根据需求换成其它物质，包括但不限于固体、液体、气体或多相混合物。海洋立管模块18与万向节17安装时，应保证所画的两条直线与拖动模块37拖航方向位于同一水平面，所画的另两条直线位于与上述水平面垂直的平面内。
44.在进行海洋立管涡激振动试验时，安装好试验装置及海洋立管模块18后，首先改变直线电机滑块26的位置并通过可调螺母16调节右端万向节17与力传感器15之间的距离来调整海洋立管模块18的张力，通过力传感器15监测实际张力，调整到实际张力等于试验要求张力为止。随后通过电动模块2控制运动机构滑块22沿着运动模块1的轨道按照试验要求的振幅和周期往复直线运动，以模拟振荡流。然后控制拖动模块37拖动整个试验装置匀速直线运动，以模拟均匀流。振荡流与均匀流叠加成为时变组合流。分别通过应变片34和力传感器15采集试验过程中海洋立管模块18的实时应变信息和实时力信息。应变片34和力传感器15与动态信号采集仪连接将试验过程中的实时应变信息和实时力信息传输储存到电脑上。试验结束后对采集到的数据进行处理、分析，以探究均匀流-振荡流组合流场中海洋立管的涡激振动特征和机理，为海洋工程实际提供参考和借鉴。值得注意的是，本发明提供的试验装置也可以进行纯均匀流或纯振荡流中海洋立管的涡激振动试验。
45.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员
依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。