專利名稱：均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種海洋工程技術領域的裝置，具體是一種豎置于海洋工程深水 池中柔性立管模型在均勻流下和階梯流下的渦激振動旋轉測試裝置。
背景技術：
根據流體力學知識，將柱狀結構物置于一定速度的來流當中，其兩側會發(fā)生交替 瀉渦。與漩渦的生成和瀉放相關聯(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構。 這種流體結構物相互作用的問題稱為渦激振動。例如在海流的作用下，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渦激振動現象， 將會導致柔性管件的疲勞破壞。由于海洋油氣開采向深水推進，深水環(huán)境中的立管可視為細長柔性結構，小變形 理論不再適用，這使得立管的渦激振動問題更加突出。目前為止，對柔性管件渦激振動現象 的研究最重要的方法之一就是模型測試方法。測試中模擬的現象更加接近于自然界中的真 實情況，采用先進的測試裝置可以保證測試數據的可靠性。通過模型測試的方法可以設計 出更好的抑制海洋立管渦激振動的抑振裝置。經過對現有技術的檢索發(fā)現，目前的渦激振動測試裝置一般在拖曳海洋工程深水 池中進行，有的在環(huán)形水槽中進行，有的用拖船拖動立管進行渦激振動測試。在第14屆國IMXfM^il "Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and PolarEngineering Conference"中白勺論文"Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(長立管渦激振動響應的實驗研究)是關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測試技術，把柔性立管橫置于拖曳水池中，拖 車拖動立管模型產生均勻流場。用布置在立管內部的加速度傳感器來測量立管的運動，在 立管壁內布置光柵測量立管壁內的應變量。經分析，該測試技術的不足之處在于1. 一般 只能模擬小尺度管件的渦激振動，難以有效的進行實雷諾數下的渦激振動測試。2.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，測得的測試數據較少。3. —般只能 模擬均勻流場中立管的渦激振動，不能模擬階梯流場中立管的渦激振動。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種均勻流和階梯均勻流下豎置立管 的渦激振動旋轉測試裝置，能夠模擬實際尺寸立管、均勻或者階梯流場，且可以長時間置于 海洋工程深水池中進行柔性立管模型的渦激振動旋轉測試。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括立管模型機構、測量分析系統(tǒng)平 臺模塊、驅動模塊、頂部懸臂模塊、圓筒軸分段模塊、底部懸臂模塊和底部支撐模塊，其中 立管模型機構固定設置于底部懸臂模塊和頂部懸臂模塊之間，圓筒軸分段模塊垂直置于海 洋工程深水池中并分別與底部支撐模塊、驅動模塊和底部懸臂模塊和頂部懸臂模塊垂直連接，底部支撐模塊固定設置于海洋工程深水池的升降底上，驅動模塊分別與圓筒軸分段模 塊和頂部懸臂模塊相連接并輸出動力，頂部懸臂模塊的左右兩端分別與圓筒軸分段模塊相 連，測量分析系統(tǒng)平臺模塊分別與立管模型、頂部懸臂模塊以及底部懸臂模塊相連并接收 檢測數據。所述的立管模型機構包括立管模型、萬向節(jié)、三分力傳感器、滑動軸、連接板、立 管固定接頭、直線軸承、緩沖彈簧和伺服驅動電機，其中第一立管固定接頭的兩端分別與 立管模型的頂端和第一萬向節(jié)的一端相連，第一萬向節(jié)的另一端固定設置于固定設置于立 管固定座上。第二立管固定接頭的兩端分別與立管模型的底端和第二萬向節(jié)的一端相連， 第二萬向節(jié)的另一端固定設置于三分力傳感器上，直線軸承與滑動軸相連，直線軸承和緩 沖彈簧相連。所述的立管模型的單位長度質量與其單位長度排開水的質量之比為1 1。所述的測量分析系統(tǒng)平臺模塊包括測量單元、水下錄像單元、計算單元和無線傳 輸單元，其中計算單元設置于海洋工程深水池的拖車機房內并與無線傳輸單元相連接以 傳輸水下錄像單元和測量單元輸出的無線測量信號，計算單元實時地對接收到的無線測量 信號進行存儲和處理。所述的驅動模塊為整個系統(tǒng)提供動力并對裝置的轉動速度進行精確控制，該驅動 模塊包括電機、齒輪傳動機構、變速齒輪箱、驅動齒輪、驅動軸和可調節(jié)支撐底座，其中 電機與變速齒輪箱相連接，變速齒輪箱與驅動軸相連接，驅動軸與驅動齒輪相連接，電機、 變速齒輪箱、驅動齒輪、驅動軸，都將固定于可調節(jié)支撐底座，實現封裝。可調節(jié)支撐底座安 裝于海洋工程深水池拖車的鋼架上。所述的變速齒輪箱的減速比為40 1 ；所述的該齒輪傳動機構的減速比為7。所述的頂部懸臂模塊包括懸臂、斜拉鎖、斜撐和套筒，其中懸臂上部使用斜拉 鎖和頂部懸臂圓筒軸相連接，為懸臂提供預應力，懸臂下部使用斜撐和頂部懸臂圓筒軸相 連接，懸臂的末端將與立管模型機構中的固定裝置連接，數據線通過試件的末端和懸臂進 入圓筒軸并通過頂部懸臂圓筒軸向上連接到測量分析系統(tǒng)平臺模塊，套筒套接于立管模型 的右端。所述的套筒具體套接于立管模型的上端點及整個上部的外側，使帶套筒部分的立 管模型在測試裝置旋轉中不受水流的作用，從而實現模擬階梯流。當套筒被完全拆除時，整 個立管模型各剖面在實驗裝置旋轉中受到均勻水流的作用，又可模擬均勻流場。套筒的固 定位置以及長度可以根據需要沿立管模型軸向改變，以模擬不同流場的階梯均勻流。所述的懸臂采用預應力矩形鋼桁架結構；桁架采用模塊設計，整個桁架分段加工， 使用矩形板連接，以此改變桁架的長度，以適應在不同的水深情況下使用。所述的懸臂的長度為18m和9m。所述的圓筒軸分段模塊具體為若干段由連接法蘭固定相連的圓筒軸分段機構，每 個圓筒軸分段機構的兩個端部均環(huán)形布置有螺栓孔，圓筒軸分段機構與海洋工程深水池的 升降底相垂直。所述的底部支撐模塊包括底部支撐法蘭盤、底部固定軸承、底部固定軸和底部基 座，其中圓筒軸的上部與圓筒軸分段模塊或底部懸臂模塊連接，圓筒軸的下部與底部固定 軸連接，底部固定軸承位于圓筒軸的外部并密封連接，底部固定軸承和底部基座依次固定設置于海洋工程深水池的升降底上。與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括1.本發(fā)明可以實現立管在階梯來流作用下(有套筒)和均勻來流作用下(無套 筒)的渦激振動測試；2.其旋轉裝置可以大大延長測試時間，增加了實驗數據的準確性；3.本發(fā)明可以充分利用海洋工程深水池的深度模擬大型管件的實雷諾數渦激振 動；4.本發(fā)明采用模塊化設計，優(yōu)點在于便于安裝，便于升級與更改，并滿足不同的功 能要求；5.本發(fā)明能夠更加真實的模擬海洋真實環(huán)境的流場，比以往在拖曳海洋工程深水 池以及拖船上測試有顯著的進步。


圖1是本發(fā)明結構示意圖；其中(a)為含套筒，(b)為不含套筒。圖2是驅動模塊的結構正視圖。圖3是驅動模塊結構示意圖。圖4是頂部懸臂模塊的結構示意圖。圖5是頂部懸臂模塊中第一懸臂結構的示意圖。圖6是底部支撐模塊的結構示意圖。圖7是立管模型機構中底部固定端的側視圖。圖8是立管模型機構中底部固定端的仰視圖。圖9是立管模型機構中頂部固定端的結構示意圖。圖10是立管模型機構結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括立管模型機構1、測量分析系統(tǒng)平臺模塊2、驅動模塊 3、頂部懸臂模塊4、圓筒軸分段模塊5、底部懸臂模塊6、底部支撐模塊7，其中立管模型機 構1固定設置于底部懸臂模塊和頂部懸臂模塊之間，圓筒軸分段模塊5垂直置于海洋工程 深水池中并分別與底部支撐模塊7、驅動模塊3和頂部懸臂模塊4垂直連接，底部支撐模塊 7固定設置于海洋工程深水池的升降底8上，驅動模塊3分別與圓筒軸分段模塊5和頂部懸 臂模塊4相連接并輸出動力，頂部懸臂模塊4的左右兩端分別與圓筒軸分段模塊5相連，測 量分析系統(tǒng)平臺模塊2分別與立管模型31、頂部懸臂模塊4以及底部懸臂底部支撐模塊7 相連并接收檢測數據。所述的測量分析系統(tǒng)平臺模塊2包括測量單元10、水下錄像單元11、計算單元 12和無線傳輸單元13，其中計算單元設置于海洋工程深水池的拖車9機房內并與無線傳輸單元相連接以傳輸水下錄像單元和測量單元輸出的無線測量信號，計算單元實時地對接 收到的無線測量信號進行存儲和處理。如圖2和圖3所示，所述的驅動模塊3包括變速齒輪箱14、伺服驅動電機15、傳 遞齒輪16、驅動軸17、可調節(jié)支撐底座18和驅動齒輪19，其中伺服驅動電機15與變速齒 輪箱14相連接，變速齒輪箱14與驅動軸17相連接，驅動軸17與驅動齒輪18相連接，伺服 驅動電機15、變速齒輪箱14、驅動齒輪18、驅動軸17，都將固定于可調節(jié)支撐底座，實現封 裝。可調節(jié)支撐底座安裝于海洋工程深水池拖車9的鋼架上。所述的變速齒輪箱的減速比為40 1。所述的齒輪傳動機構的減速比為7。如圖4所示，所述的頂部懸臂模塊4包括斜拉鎖20、第一懸臂21、斜撐22、頂部 懸臂圓筒軸23和套筒42，其中第一懸臂21上部使用斜拉鎖20和頂部懸臂圓筒軸23相 連接，為第一懸臂提供預應力，第一懸臂21下部使用斜撐22和頂部懸臂圓筒軸23相連接。 第一懸臂21的末端將與立管模型機構1中的頂端固定裝置連接。如圖5所示，第一懸臂21采用預應力矩形鋼桁架結構。桁架分段間使用連接板連 接。桁架的腹桿和弦桿的尺寸分別為，腹桿外徑0. 05m,厚度0. 004m,弦桿外徑0. 03m,厚 度0. 004m。所述的第一懸臂長度為18m。所述的底部懸臂模塊包括第二懸臂、桁架。底部懸臂模塊的第二懸臂和桁架結構 與頂部懸臂模塊類似。所述的第二懸臂長度為9m。所述的套筒42具體套接于立管模型的上端點及整個上部的外側，使帶套筒部分 的立管模型在測試裝置旋轉中不受水流的作用，從而實現模擬階梯流。當套筒被完全拆除 時，整個立管模型各剖面在實驗裝置旋轉中受到均勻水流的作用，又可模擬均勻流場。如圖6所示，所述的底部支撐模塊7包括圓筒軸連接法蘭盤24、圓筒軸25、底部 支撐法蘭盤26、底部固定軸承27、底部固定軸28和底部基座29，其中圓筒軸25上部通過 連接法蘭盤24與圓筒軸分段模塊5或底部懸臂模塊6連接，下部通過底部支撐法蘭盤26 與底部固定軸28連接，然后將整體插入到底部固定軸承27內，軸承實現油密，底部固定軸 承27焊接在底部基座29上，底部基座29通過30個高強度螺絲與海洋工程深水池升降底 8連接。所述的圓筒軸分段模塊5具體為若干段由連接法蘭固定相連的圓筒軸分段機構， 每個圓筒軸分段機構的兩個端部均環(huán)形布置有螺栓孔，圓筒軸分段機構與海洋工程深水池 的升降底8相垂直。 如圖7、圖8、圖9和圖10所示，所述的立管模型機構1包括連接板30、緩沖彈簧 31、直線軸承32、滑動軸33、三分力傳感器34、萬向節(jié)35、立管固定接頭36、立管模型37、驅 動伺服電機38、軌道39、滑塊40、立管固定座41。萬向節(jié)35、立管固定接頭36在立管模型 37底端和頂端各設一個。其中第一立管固定接頭36的兩端分別與立管模型37的頂端和 第一萬向節(jié)35的一端相連，第一萬向節(jié)35的另一端固定設置于立管固定座上。第二立管 固定接頭36的兩端分別與立管模型37的底端和第二萬向節(jié)35的一端相連，第二萬向節(jié)35 的另一端固定設置于三分力傳感器34上，直線軸承32與滑動軸33相連緩沖彈簧31和直 線軸承32相連。所述的立管模型的單位長度質量與其單位長度排開水的質量之比為1 1。
本裝置通過以下方式進行測試先根據海洋工程深水池的尺寸、管件的實際尺寸、 測試工況的具體情況和測試的經濟性選擇合適的模型縮尺比和測試工況。按照整個測試裝 置得強度控制要求以及振動控制要求確定各個模塊的具體尺寸和材料。各模塊準備好后具 體的安裝過程如下。在地面組裝底部支撐模塊7， 組裝完成后升高海洋工程深水池的升降底8，將底部 支撐模塊7的底座30用螺栓固定在升降底8上。然后適當降低升降底8安裝底部懸臂模塊 6，然后將立管模型機構1也就是測試管件的一端用萬向連軸器固定在底部懸臂模塊6上， 另一端搭在池壁上，數據線從連接裝置穿過橫梁進入圓筒軸中，降低升降底8。根據測試管 件的長度要求確定圓筒軸分段模塊5的長度，然后將圓筒軸分段模塊5用小車吊至海洋工 程深水池中央進行吊裝。在安裝上述模塊得同時，在地面組裝測量分析系統(tǒng)平臺模塊2、驅 動模塊3、頂部懸臂模塊4。圓筒軸分段模塊5安裝完成后吊裝頂部懸臂模塊4，各模塊之間 的連接采用法蘭連接，數據線從連接裝置穿過橫梁進入圓筒軸中。頂部懸臂模塊4吊裝完 成后，將立管模型機構1測試管件的另一端穿過套筒固定在頂部懸臂模塊4的連接模塊上。 安裝完成后，用小車將3吊至頂部懸臂模塊4正上方，頂部懸臂模塊4與驅動模塊3的連接 要特別注意精度控制，連接后將驅動模塊3用螺栓固定在小車上。最后安裝測量分析系統(tǒng) 平臺模塊2，將圓筒軸中的數據線連接到測量分析系統(tǒng)平臺模塊2上。在測量分析系統(tǒng)平臺模塊2中的計算機上安裝好計算機實時分析軟件和圖像處 理軟件，然后將從測試管件兩端導出來的數據線連接到電腦上。同時將測試裝置中的測量 儀器導出來的電源線接上電源。整體安裝完成后調試裝置。調試完成后就可以根據具體工況和測試技術要求啟動 測試裝置進行測試。
權利要求
1.一種均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置，其特征在于，包括 立管模型機構、測量分析系統(tǒng)平臺模塊、驅動模塊、底部懸臂模塊和頂部懸臂模塊、圓筒軸 分段模塊和底部支撐模塊，其中立管模型機構固定設置于底部懸臂模塊和頂部懸臂模塊 之間，圓筒軸分段模塊垂直置于海洋工程深水池中并分別與底部支撐模塊、驅動模塊和頂 部懸臂模塊垂直連接，底部支撐模塊固定設置于海洋工程深水池的升降底上，驅動模塊分 別與圓筒軸分段模塊和頂部懸臂模塊相連接并輸出動力，頂部懸臂模塊的左右兩端分別與 圓筒軸分段模塊相連，測量分析系統(tǒng)平臺模塊分別與立管模型、頂部懸臂模塊以及底部懸 臂模塊相連并接收檢測數據；所述的立管模型機構包括立管模型、萬向節(jié)、三分力傳感器、滑動軸、連接板、立管固 定接頭、直線軸承、緩沖彈簧和伺服驅動電機，其中第一立管固定接頭的兩端分別與立管 模型的頂端和第一萬向節(jié)的一端相連，第一萬向節(jié)的另一端固定設置于固定設置于立管 固定座上，第二立管固定接頭的兩端分別與立管模型的底端和第二萬向節(jié)的一端相連，第 二萬向節(jié)的另一端固定設置于三分力傳感器上，直線軸承與滑動軸相連，直線軸承和緩沖 彈簧相連。
2.根據權利要求1所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的立管模型的單位長度質量與其單位長度排開水的質量之比為1 1。
3.根據權利要求1所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的測量分析系統(tǒng)平臺模塊包括測量單元、水下錄像單元、計算單元和無線 傳輸單元，其中計算單元設置于海洋工程深水池的拖車機房內并與無線傳輸單元相連接 以傳輸水下錄像單元和測量單元輸出的無線測量信號，計算單元實時地對接收到的無線測 量信號進行存儲和處理。
4.根據權利要求1所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的驅動模塊為整個系統(tǒng)提供動力并對裝置的轉動速度進行精確控制，該驅 動模塊包括電機、齒輪傳動機構、變速齒輪箱、驅動齒輪、驅動軸和可調節(jié)支撐底座，其中 電機安與變速齒輪箱相連接，變速齒輪箱與驅動軸相連接，驅動軸與驅動齒輪相連接，電 機、變速齒輪箱、驅動齒輪、驅動軸，都將固定于可調節(jié)支撐底座實現封裝，可調節(jié)支撐底座 安裝于海洋工程深水池拖車的鋼架上。
5.根據權利要求4所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的變速齒輪箱的減速比為40 1。
6.根據權利要求1所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的頂部懸臂模塊包括懸臂、斜拉鎖、桁架和套筒，其中六根斜拉鎖一端與 圓筒軸分段模塊相連，另一端與懸臂相連以提供預應力，套接于立管模型的上端點及整個 上部的外側。
7.根據權利要求6所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的懸臂采用預應力矩形鋼桁架結構，其長度為18m。
8.根據權利要求1所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的圓筒軸分段模塊具體為若干段由連接法蘭固定相連的圓筒軸分段機構， 每個圓筒軸分段機構的兩個端部均環(huán)形布置有螺栓孔，圓筒軸分段機構與海洋工程深水池 的升降底相垂直。
9.根據權利要求1所述的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置， 其特征是，所述的底部支撐模塊包括圓筒軸、底部支撐法蘭盤、底部固定軸承、底部固定軸 和底部基座，其中圓筒軸的上部與圓筒軸分段模塊或底部懸臂模塊連接，圓筒軸的下部與 底部固定軸連接，底部固定軸承位于圓筒軸的外部并密封連接，底部固定軸承和底部基座 依次固定設置于海洋工程深水池的升降底上。
全文摘要
一種海洋工程技術領域的均勻流和階梯均勻流下豎置立管的渦激振動旋轉測試裝置，包括立管模型機構、測量分析系統(tǒng)平臺模塊、驅動模塊、頂部懸臂模塊、底部懸臂模塊、圓筒軸分段模塊和底部支撐模塊，立管模型機構固定設置于底部懸臂模塊和頂部懸臂模塊之間，圓筒軸分段模塊垂直置于海洋工程深水池中并分別與底部支撐模塊、驅動模塊和頂部懸臂模塊垂直連接，底部支撐模塊固定設置于升降底上，驅動模塊分別與圓筒軸分段模塊和頂部懸臂模塊相連接，頂部懸臂模塊的左右兩端分別與圓筒軸分段模塊相連，測量分析系統(tǒng)平臺模塊分別與立管模型、頂部懸臂模塊以及底部懸臂模塊相連。本發(fā)明能夠模擬實際尺寸立管、均勻或者階梯流場。
文檔編號G01M7/02GK102053001SQ20101055348
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2010年11月19日
發(fā)明者付世曉, 任鐵, 彭濤, 楊建民 申請人:上海交通大學