倾角均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置

摘要

本发明公开了一种倾角均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、轴向力往复装置、拖车、应变采集仪和计算机，海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，第一、二端部支撑装置的顶部分别与横向试验支持架的两端连接，横向试验支持架固定于拖车的底部；海洋立管模型的第二圆柱接头连接有一钢丝绳依次连接拉力张紧器、拉力弹簧和拉力传感器后依次绕入轴向力往复装置中的下、上部滑轮后，最终连接至轴向力往复装置中的滑块上；通过调节拉力张紧器使拉力达到平均拉力值，通过变频器调节电机供电电压的频率，使电机达到工况所需的转速，满足轴向力变化的频率要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域的试验装置，具体的说，涉及的是一种倾角均匀来 流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置

背景技术

立管是进行深水石油天然气开采必不可少的设备,它所承受的海洋环境荷载主要来自于 海流的作用。当海流经过立管结构物时,会在立管两侧产生交替的旋涡脱落,诱使涡激振动现 象发生，涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。

海洋立管顶端一般与浮式平台连接。平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位 移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生周期性变化，从而导致立管在水平方向上 发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏。

目前，学术界对海洋立管涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际 的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的 情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与 来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的 正确与否至今仍然存在争议。研究倾角来流条件海洋立管涡激振动最可靠和最有效的手段 是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流的 倾角对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为 工程实际积累经验。

海洋立管的涡激振动与参激振动一般同时发生，并且相互之间存在耦合作用。经过对 现有技术的检索调研发现：倾角均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动发生机制以及振动特 性研究仍存在诸多不足。主要原因是缺乏试验测量装置，特别是无法实现倾角均匀来流涡 激振动与参数振动耦合作用同时观测，并很好的控制倾角来流涡激振动与参数振动的发生 条件。

发明内容

本发明针对倾角均匀来流变轴向力海洋立管涡激-参激耦合振动试验研究存在的难点和 不足，提供了研究倾角均匀来流变轴向力立管涡激-参激耦合振动的试验装置，能够模拟倾 角来流条件，对变轴向力海洋立管开展涡激-参激耦合振动试验研究，探究其振动特性及抑 制措施，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种倾角均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动 试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、轴向力往复装置、拖车、应变采集仪和 计算机，所述海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设 有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向 试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型 包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄 壁铜管的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触 的若干层热缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的 应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一 端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头， 所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架包括主体横梁， 所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支 撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部 连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑 板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设 有一个通孔，所述通孔内设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺 丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头 连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有 水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内 侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个 长方形豁口，所述长方形豁口内设有角度卡板，所述角度卡板上设有一个立管安装孔；该 试验装置中包括有四个角度卡板，每个角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方 向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮，所述滑 轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑 板上位于滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三个滑轮座垫块，每 个滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述 轴向力往复装置包括支座、电机、连接杆、滑轨、滑块、偏心孔盲板、上部滑轮和下部滑 轮，所述支座通过螺丝固定在拖车的边部，所述电机设置在支座的一端，所述滑轨设置在 支座的中部，所述滑块装配在所述滑轨上，所述上部滑轮和下部滑轮均设置在所述支座的 另一端，所述偏心孔盲板设置在电机的输出轴上，所述偏心孔盲板上设有多个不同偏心位 置的偏心孔，所述连接杆的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述 连接杆的另一端与所述滑块连接；位于所述第二端部支撑装置底部的海洋立管模型的第二 圆柱接头连接有一钢丝绳，该钢丝绳穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑 板外侧的滑轮后依次连接拉力张紧器、拉力弹簧和拉力传感器后依次绕入轴向力往复装置 中的下部滑轮和上部滑轮后，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块上；所述钢丝绳和 所述海洋立管模型的轴线在同一平面内；所述电机的输出轴中心、所述连接杆的上下对称 面、所述滑块的上下对称面均与所述上部滑轮的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所 述上部滑轮的滑轮槽边缘与所述下部滑轮的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机连接有变 频器，所述电机转动，通过所述连接杆使所述滑块在所述滑轨上往复运动，往复运动的振 幅是所述连接杆与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化； 在所述滑块的往复运动过程中，通过钢丝绳带动所述拉力弹簧作伸缩运动；所述导线和所 述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了倾角均匀来流变轴向力海洋立管涡激振动-参数振动试验的装备难题，通 过设计可实现简谐变化的轴向力和变化的来流倾角，使得试验条件更加符合实际海洋工程 的复杂工况。本发明可实现涡激振动-变轴向力参激振动耦合，同时本发明装置的设计简单， 安装调试方便，造价低廉，是深海立管涡激振动与参数振动试验研究必不可少的装置设施， 弥补了学术界缺乏倾角均匀来流变轴向力海洋立管涡激振动试验装备的空白，具有重要的 推广应用价值和科学意义。

附图说明

图1是本发明中没有抑制结构的单根立管涡激振动试验装置的结构示意图；

图2是本发明中没有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图3是本发明中带有抑制结构的单根立管涡激振动试验装置的结构示意图；

图4是本发明中带有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图5是图1中所示支撑板14结构示意图；

图6是图1中所示导流板11的结构示意图；

图7是横向试验支持架结构俯视图；

图8是图7所示横向试验支持架的右视图；

图9是角度盘的结构示意图；

图10是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；

图11是图10所示横向试验支持架与拖车相互位置一的的右视图；

图12-1横向试验支持架与拖车相互位置二的俯视图；

图12-2是横向试验支持架与拖车相互位置三的俯视图；

图12-3是横向试验支持架与拖车相互位置四的俯视图；

图13-1是图12-1所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图13-2是图12-2所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图13-3是图12-3所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图14-1是滑轮垫块的主视图；

图14-2是图14-1所示滑轮垫块的左视图；

图14-3是图14-1所示滑轮垫块的俯视图；

图15是带有螺旋列板抑制装置的海洋立管模型结构示意图；

图16是轴向力往复装置的主视图；

图17是轴向力往复装置的俯视图。

图中：

1-海洋立管模型2-第一、第二端部支撑装置3-横向试验支持架

4-角度盘5-第一圆柱接头6-第二圆柱接头

7-销钉51-薄壁铜管9-斜撑管

10-万向联轴节11-第一、第二导流板12-加强架

13-第一、第二支撑管14-第一、第二支撑板15-万向联轴节螺丝

16-滑轮17-钢丝绳18-导流板固定螺丝

19-弹簧20-拖车21-角度板

22-角度卡板23-滑轮垫块24-拉力张紧器

25-拉力传感器27-硅胶带(螺旋列板)28-电机

29-支座30-偏心孔盲板31-连接杆

32-滑块33-滑轨34-上部滑轮

35-下部滑轮53-应变片55-热缩管

56-硅胶管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施 例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1和图3所示，本发明提出的一种倾角均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验 装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和计 算机，所述海洋立管模型1的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型1的另一端 设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横 向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部，所述轴向力往复 装置安装在拖车边部，通过钢丝绳与海洋立管模型1相连。

所述海洋立管模型1可以是裸管，如图2所示；也可以是带有抑制结构的，如图4所 示。如图15所示，若海洋立管模型1是裸管，它包括若干条导线和一薄壁铜管51，所述导 线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管51的外径为8mm、壁厚为1mm； 自所述薄壁铜管51的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管55和一层硅胶管 56，所述薄壁铜管51与所述热缩管55之间设有多片用于采集应变的应变片53，所述应变 片53通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管51的一端或分别与 所述薄壁铜管51的两端固定；所述薄壁铜管51的一端通过销钉7连接有第一圆柱接头5， 所述薄壁铜管51的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6。若海洋立管模型1是带有抑 制结构的，则在上述裸管的基础上，在所述硅胶管56外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶 带27，所述硅胶带27的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同。

如图7和图8所示，所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部 均分别设有角度盘4，角度盘4结构如图9所示，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车 支撑在槽钢上。

如图1和图3所示，所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管13，所述第一 支撑管13的顶部连接有水平布置的第一角度板21，所述第一支撑管13的底部连接有第一 支撑板14，所述第一支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板14平行的第一导 流板11，所述第一导流板11的下部设有一个通孔，所述通孔内设有一个万向联轴节10，所 述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在第一支撑板上，所述万向联轴节10 的另一端与所述海洋立管模型1中的第一圆柱接头5连接；

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管13，所述第二支撑管13的顶部连接 有水平布置的第二角度板21，所述第二支撑管13的底部连接有第二支撑板14，所述第二 支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板14平行的第二导流板11，所述第二导 流板11的下部设有一个长方形豁口，长方形豁口内设有角度卡板22，如图6所示，所述角 度卡板22上设有一个立管安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板22，每个角度卡板 22上的立管安装孔的轴线与角度卡板22厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；

所述第二支撑板14的外侧设有一个滑轮16，所述滑轮16的滑轮座与第二支撑板14之 间设有滑轮座垫块23，如图14-1、图14-2和图14-3所示，所述滑轮座垫块23为楔形块， 所述第二支撑板14上位于滑轮座的下方设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三个滑轮 座垫块23，每个滑轮座垫块23上的斜面与第二支撑板14接触面之间的夹角分别为15度、 30度、45度。

所述第一支撑管13的内侧与主体横梁上之间及所述第二支撑管13的内侧与主体横梁 上之间均分别连接有斜撑管9；所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板 和所述第二导流板上分别设有加强架12。

如图16和图17所示，所述轴向力往复装置设置在所述拖车20上，所述轴向力往复装 置包括支座29、电机28、连接杆31、滑轨33、滑块32、偏心孔盲板30、上部滑轮34和 下部滑轮35，所述支座29通过螺丝固定在拖车20的边部，所述电机28设置在支座29的 一端，所述滑轨33设置在支座29的中部，所述滑块32装配在所述滑轨33上，所述上部 滑轮34和下部滑轮35均设置在所述支座29的另一端，所述下部滑轮35需要垫上相应角 度的滑轮垫块即当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为15度时，安装楔形面夹 角为15度的滑轮垫块，以此类推，当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为30 度时，安装30度的滑轮垫块；当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为45度时， 安装45度的滑轮垫块。所述偏心孔盲板30设置在电机28的输出轴上，偏心孔盲板所述偏 心孔盲板30上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆31一端连接偏心孔盲板30， 即所述连接杆31的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，根据变轴向力 的幅值选择合适距离的偏心孔与连接杆端部的径向杆连接，例如：该径向杆是螺丝，偏心 孔为螺丝孔，其偏心孔的偏心距就是幅值。所述连接杆31的另一端与所述滑块32连接；

位于所述第二端部支撑装置底部的海洋立管模型1的第二圆柱接头6连接有一钢丝绳 17，该钢丝绳17穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑板外侧的滑轮16后 依次连接有拉力张紧器24、拉力弹簧19和拉力传感器25后再依次绕入轴向力往复装置中 的下部滑轮35和上部滑轮34后，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块32上；

所述钢丝绳17和所述海洋立管模型1的轴线在同一平面内；所述电机28的输出轴中 心、所述连接杆31的上下对称面、所述滑块32的上下对称面均与所述上部滑轮34的滑轮 槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮34的滑轮槽边缘与所述下部滑轮35的滑 轮槽边缘在一条直线上，所述电机28连接有变频器，通过变频器改变供电电压的频率可以 调节电机28至需要的转速，满足轴向力变化的频率，偏心孔盲板30距离电机28轴中心相 应位置开螺丝孔，连接杆31一端通过螺丝拧入螺丝孔，所述电机28转动，通过所述连接 杆31使所述滑块32在所述滑轨33上往复运动，往复运动的振幅是所述连接杆31与所述 偏心孔盲板30上连接螺丝的偏心距，通过改变偏心距实现轴向力幅值的变化；在所述滑块 32的往复运动过程中，通过钢丝绳17带动所述拉力弹簧19作伸缩运动。

本发明中，所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所 述计算机连接。

以下介绍本发明中带有抑制结构的单根立管涡激振动试验装置的制作、安装和试验过 程：在试验前，先根据拖曳水池的尺度，拖车的速度，试验工况的具体情况和试验的经济 性，确定海洋立管模型的具体尺度。根据海洋立管模型的尺度、拖车的尺度以及试验工况 的具体情况和经济性，确定横向试验支持架3，第一和第二端部支撑装置的材料和尺度。

以带有抑制结构的海洋立管模型为例，其制造过程如下：取外径为8mm、壁厚为1mm 的薄壁铜管，在平台平面上沿薄壁铜管的轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线， 确定应变片的粘贴位置。将薄壁铜管的两端分别装上(较为粗的第一圆柱接头和(较为细 的第二圆柱接头。去除应变片粘贴位置铜管表面的氧化层，粘贴应变片，前后应变片互成 一对，上下应变片互成一对，均采用半桥接法，并通过接线端子连接导线，其中，用薄胶 带将应变片同接线端子连接的金属细丝与铜管表面隔开，以实现绝缘，在应变片粘贴处涂 适量硅橡胶，以达到保护和防水的目的，引出各位置的导线至薄壁铜管的一端或两端并用 薄胶带将导线沿铜管轴线方向固定，然后在铜管外侧套上若干层热缩管(使其外表面与硅 胶管内表面紧密接触，在热缩管外侧套上一层硅胶管(至此完成了裸管结构的制作)。从管 的左侧开始，将一个螺距分为若干份，在每个位置使用螺旋线标记定位环确定出螺旋线位 置，使用螺旋线粘接定位环粘接三条硅胶条，处理硅胶管未粘接硅胶条位置的硅胶，使硅 胶条表面干净光滑整洁，最后在模型两端涂适量硅橡胶防止模型进水，从而形成如图15所 示的海洋立管模型。

将横向试验支持架3，第一和第二端部支撑装置2安装好，转动第一和第二端部支撑装 置2使其顶部的角度板21与横向试验支持架3中的角度盘4中相应的角度对应，即使导流 板11与来流方向保持平行。确定海洋立管模型1之间的间距，将相应的角度卡板22安装 在导流板11的相应的长方形豁口中，并将相应角度的滑轮垫块23安装在有钢丝绳17通过 那侧的第二支撑板14上，然后把滑轮16安装在滑轮垫块23上。

将海洋立管模型1两端固定在第一、第二端部支撑装置2上。把海洋立管模型1一端 或两端引出的导线沿第一或第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的一端或分别沿 第一和第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的两端。

将上述连接好的海洋立管模型1、横向试验支持架3和第一、第二端部支撑装置吊入拖 曳水池中，让其漂至拖车底部，用拖车上部的吊机将其吊起，并使其与拖车呈相应角度(15 度、30度、45度)安装在拖车上，如图10、图11、图12-1、图12-2、图12-3、图13-1、 图13-2和图13-3所示。根据变轴向力的幅值选择合适距离的偏心板盲板螺丝孔，螺丝孔的 偏心距即为轴向力变化的幅值，将连接杆通过螺丝安装在此螺丝孔中，将轴向力往复装置 的偏心孔盲板转至平衡位置，即螺丝孔位于最高点或最低点，此时滑块位于往复运动的中 间位置，通过调节拉力张紧器使拉力达到平均拉力值，通过变频器调节电机供电电压的频 率，使电机达到工况所需的转速，满足轴向力变化的频率要求。拉力传感器和导线与应变 仪连接，应变仪连接计算机。

整个装置安装完毕后，进行调试。调试完毕后，可按工况及试验技术要求进行试验。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实 施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明修改 或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围之中。