模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置制造方法
【專利摘要】一種模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，包括深海立管模塊、頂部邊界模塊、底部邊界模塊、固定模塊、頂部滑動模塊、底部沙板模塊、測量分析控制模塊，其中：深海立管模塊兩端分別與頂部邊界模塊和底部邊界模塊相連接，固定模塊與頂部邊界模塊和頂部滑動模塊相連接，頂部滑動模塊和拖車底部固定端相連接，底部沙板模塊與底部邊界模塊和水池小假底相連接，測量分析控制模塊分別與深海立管模塊、頂部邊界模塊、底部邊界模塊、固定模塊、頂部滑動模塊、底部沙板模塊相連接。本發(fā)明裝置，可模擬海底管土作用與水平強迫振蕩狀態(tài)下頂端可運動立管的渦激振動測試。
【專利說明】 模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋工程領(lǐng)域，具體地涉及一種可模擬海底管土作用與水平強迫振蕩下測量細長立管動力響應(yīng)，同時監(jiān)測渦激振動(VIV)的實驗裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在風(fēng)浪流的作用下，海洋浮式結(jié)構(gòu)物將帶動懸鏈線立管在水中作周期性往復(fù)運動，從而在立管運動方向上產(chǎn)生相對振蕩來流，這種振蕩來流將激勵立管懸垂段發(fā)生“間歇性”的渦激振動。在浮體運動和環(huán)境載荷作用下，立管與海床的相互作用，會使立管產(chǎn)生非常大的彎曲應(yīng)力，容易發(fā)生疲勞破壞。近幾年來，隨著深海石油系統(tǒng)的開發(fā)，工程上開始大量采用懸鏈?zhǔn)搅⒐堋Ｉ钏h(huán)境中的立管可視為細長柔性結(jié)構(gòu)，此時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，因此對于細長柔性立管頂部平臺與海床作用下的整體渦激振動響應(yīng)特性的分析是其能否應(yīng)用于工程實踐的關(guān)鍵所在。
[0003]以往預(yù)報細長海洋結(jié)構(gòu)物的渦激振動危害最常用的方法是數(shù)值計算SHEAR7、VIVA、VIVANA，這種通過理論公式來預(yù)測荷載和響應(yīng)的方法至今仍具有很大的不確定性。目前為止，對柔性管渦激振動現(xiàn)象的研宄最重要的方法之一就是模型試驗方法。模型試驗中觀察到的現(xiàn)象更接近于自然界的真實情況。通過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索，立管模型試驗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的測試。發(fā)表于 “Applied Ocean Research (2013) ” 43 刊中的論文 “Experiments with asteel catenary riser model in a towing tank”(拖曳水池中的細長柔性立管模型實驗)，在拖曳水池中通過運行與立管相連接的車廂來模擬立管周圍的穩(wěn)定流場，在立管上安裝微型加速度測量儀監(jiān)測立管的狀態(tài)。分析此種測試技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其不足點在于:1、考慮到拖曳水池的深度，一般只能模擬小尺度管件的渦激振動，難以有效地進行實雷諾數(shù)下的渦激振動測試；2、無法通過實驗?zāi)M立管與海床的相互作用；3、不易于布置立管周圍的水下監(jiān)控設(shè)備，在進行緩波型立管模型測試時不能調(diào)節(jié)立管的形狀；4、不能進行一定流速下的強迫振蕩實驗；5、在實驗中安裝立管過程較復(fù)雜；6、不能有效模擬海洋平臺的運動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種可模擬海底管土作用與水平強迫振蕩下測量細長立管動力響應(yīng)，同時監(jiān)測VIV的裝置，旨在提供一種可模擬海底管土作用與水平強迫振蕩狀態(tài)下頂端可運動立管的渦激振動測試裝置，能夠模擬實際尺寸立管、海洋平臺運動，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測試裝置。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，包括深海立管模塊、頂部邊界模塊、底部邊界模塊、固定模塊、頂部滑動模塊、底部沙板模塊、測量分析控制模塊，其中:深海立管模塊兩端分別與頂部邊界模塊和底部邊界模塊相連接，固定模塊與頂部邊界模塊和頂部滑動模塊相連接，頂部滑動模塊和拖車底部固定端相連接，底部沙板模塊與底部邊界模塊和水池小假底相連接，深海立管模塊分別與固定模塊、頂部滑動模塊和底部沙板模塊在同一個平面內(nèi)，測量分析控制模塊分別與深海立管模塊、頂部邊界模塊、底部邊界模塊、固定模塊、頂部滑動模塊、底部沙板模塊相連接。
[0007]所述深海立管模塊包括:深海立管模型、光纖傳感器，其中光纖傳感器布置在深海立管上，立管的頂端和頂部邊界模塊相連接，立管的底部和底部邊界模塊相連接。
[0008]所述的頂部邊界模塊包括:頂部夾具外緣、頂部夾具底板、第一墊板、第一萬向節(jié)固定板、萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、第二萬向節(jié)固定板、三分力儀固定板、三分力儀、第一調(diào)整組件、第一楔塊，其中，頂部夾具外緣和深海立管模型相連接，兩者在同一平面內(nèi)，頂部夾具底板與頂部夾具外緣固接，并與第一墊板相連接，第一萬向節(jié)固定板與第一墊板和萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置相連接，萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置與第一萬向節(jié)固定板和第二萬向節(jié)固定板固接，第二萬向節(jié)固定板和三分力儀固定板一側(cè)連接，三分力儀固定板的另一側(cè)和三分力儀連接，三分力儀的末端與第一調(diào)整組件相連接，第一調(diào)整組件的另一側(cè)固接在第一楔塊上，第一楔塊的側(cè)面固定在固定模塊中的垂直固定塊上。
[0009]所述的底部邊界模塊包括:底部夾具外緣、底部夾具底板、底部連接件、單分力儀、第二調(diào)整組件、第二墊板、第三萬向節(jié)固定板、萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、第四萬向節(jié)固定板、底部固定板，其中，底部夾具外緣和深海立管模型相連接，兩者在同一平面內(nèi)，底部夾具底板與底部夾具外緣固接，與底部連接件固接，底部連接件另一頭與單分力儀相連接，單分力儀與底部連接件和第二調(diào)整組件相連接，第二調(diào)整組件與第二墊板相連接，第二墊板與第三萬向節(jié)固定板固接，第三萬向節(jié)固定板與萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置相固接，萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置的另一側(cè)和第四萬向節(jié)固定板相固接，第四萬向節(jié)固定板的另一側(cè)和底部固定板相固接，底部固定板焊接在底部沙板模塊的變沙板面板上。
[0010]所述的固定模塊包括:整流罩、垂直固定板和垂直固定塊；所述的垂直固定板安裝在頂部滑動模塊的第一滑塊上，其上滑動安裝有垂直固定塊，兩側(cè)分別安裝有整流罩，所述的垂直固定塊與頂部邊界模塊中的第一楔塊相固接。
[0011]所述的頂部滑動模塊包括:第一動力組件、第一法蘭裝置、第一滑塊、第一導(dǎo)鏈、第一滑動軌道、第一支撐架，其中，第一動力組件通過第一法蘭裝置與第一滑動軌道相連接，其旋轉(zhuǎn)軸通過第一導(dǎo)鏈連接至第一滑塊上，第一滑塊滑動支撐在第一滑動軌道上，并且與固定模塊上的垂直固定板相連接。
[0012]所述的底部沙板模塊包括:變沙板面板，面板補板，面板連接塊，第二連接塊，底部固定軌道，第二支撐架，其中變沙板面板的底端連接在底部邊界模塊中的底部固定板上，面板補板焊接在小假底的正下方，并與兩塊面板連接塊相連接，面板連接塊與面板補板上的第二連接塊固接，面板補板焊接在底部固定軌道上，底部固定軌道焊接在第二支撐架上。
[0013]所述的測量分析控制模塊包括:數(shù)據(jù)采集處理器，運動控制器和顯示器，其中:數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端與所述頂部邊界模塊中的三分力儀和底部邊界模塊中的單分力儀，以及光纖傳感器相連接，其輸出端與顯示器相連接；運動控制器包括運動控制輸出窗口和圖像顯示端口，運動控制輸出窗口與所述頂部滑動模塊、底部沙板模塊的相連接，圖像顯示端口與顯示器相連接。
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0015]1、本發(fā)明可以實現(xiàn)立管在均勻來流作用下的渦激振動測試；
[0016]2、本發(fā)明可以模擬不同剛度海床下立管受到頂部平臺影響后的運動情況；
[0017]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(shù)渦激振動；
[0018]4、本發(fā)明可以充分利用海洋工程深水池的寬度在大型管件周邊布置實時監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)不同需要對模型的形狀進行調(diào)整；
[0019]5、本發(fā)明采用模塊化設(shè)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；
[0020]6、本發(fā)明能夠模擬立管頂部海洋平臺運動，進行更為真實的渦激振動測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明提供的實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明提供的實驗裝置的頂部結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3是本發(fā)明提供的實驗裝置的底部結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖4是本發(fā)明提供的深海立管模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5是本發(fā)明提供的頂部邊界模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6是本發(fā)明提供的底部邊界模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖7是本發(fā)明提供的固定模塊的側(cè)視圖；
[0028]圖8是本發(fā)明提供的頂部滑動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖9是本發(fā)明提供的頂部滑動模塊的側(cè)視圖
[0030]圖10是本發(fā)明提供的底部沙板模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖11是本發(fā)明提供的底部沙板模塊的局部示意圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0033]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供的裝置包括:深海立管模塊1，頂部邊界模塊2，底部邊界模塊3，固定模塊4，頂部滑動模塊5，底部沙板模塊6，測量分析控制模塊7，其中:深海立管模塊I中立管的頂端和頂部邊界模塊2相連接，立管的底部和底部邊界模塊3相連接，其中頂部邊界模塊2中的夾具外緣通過螺絲和深海立管模塊I相連接，頂部邊界模塊2固定在固定模塊4上，底部邊界模塊3中的夾具外緣通過螺絲和深海立管模塊I相連接，底部固定板焊接在底部沙板模塊6上，固定模塊4中的一端安裝在頂部滑動模塊5上，垂直固定塊與頂部邊界模塊中的第一楔塊相固接，頂部滑動模塊與拖車的一端相連接，底部沙板模塊6的底端連接在底部邊界模塊3上，拖車上放置測量分析控制模塊7。
[0034]如圖4所示，所述的深海立管模塊I包括深海立管模型9，光纖傳感器8，其中光纖傳感器8布置在深海立管模型9上，深海立管模型9的頂端和頂部邊界模塊2相連接，深海立管模型9的底部和底部邊界模塊3相連接。
[0035]如圖5所示，所述的頂部邊界模塊2包括:頂部夾具外緣10，螺絲11，頂部夾具底板12，第一墊板13，第一萬向節(jié)固定板14，第一萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置15，第二萬向節(jié)固定板16，第一三分力儀固定板17，第一三分力儀18，第一調(diào)整組件19，第一楔塊20，其中頂部夾具外緣10通過螺絲11和深海立管模型9相連接，兩者在同一平面內(nèi)，頂部夾具底板12與頂部夾具外緣11固接，與第一墊板13用螺絲11相連接，第一萬向節(jié)固定板14與第一墊板13和第一萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置15相連接，第一萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置15與第一萬向節(jié)固定板14和第二萬向節(jié)固定板固接16，第二萬向節(jié)固定板16和三分力儀固定板17 —側(cè)連接，三分力儀固定板17的另一側(cè)和三分力儀18連接，三分力儀18的末端與第一調(diào)整組件19相連接，第一調(diào)整組件19的另一側(cè)固接在第一楔塊20上，第一楔塊20的側(cè)面固定在固定模塊4中的垂直固定塊33上。
[0036]如圖6所示，所述的底部邊界模塊3包括:底部夾具外緣21，螺絲22，底部夾具底板23，第二墊板24，第三萬向節(jié)固定板25，第二萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置26，第四萬向節(jié)固定板27，第二三分力儀固定板28，第二三分力儀29，底部固定板30，其中底部夾具外緣21通過螺絲22和深海立管模型9相連接，兩者在同一平面內(nèi)，底部夾具底板23與底部夾具外緣21固接，與第二墊板24固接，第三萬向節(jié)固定板25與第二墊板24和第二萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置26相連接，第二萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置26與第三萬向節(jié)固定板25和第四萬向節(jié)固定板27固接，第四萬向節(jié)固定板27和第二三分力儀固定板28 —側(cè)連接，三分力儀固定板28的另一側(cè)和三分力儀29連接，三分力儀29的末端與底部固定板30相連接，底部固定板30焊接在底部沙板模塊6的變沙板面板40上。
[0037]如圖7所示，所述的固定模塊4包括:整流罩31，垂直固定板32和垂直固定塊33 ；所述的垂直固定板32安裝在頂部滑動模塊5的第一滑塊36上，其上滑動安裝有垂直固定塊33，兩側(cè)分別安裝有整流罩31，所述的垂直固定塊33與頂部邊界模塊2中的第一楔塊20相固接。
[0038]如圖8、圖9所示，所述的頂部滑動模塊5包括:第一動力組件34，第一法蘭裝置35，第一滑塊36，第一導(dǎo)鏈37，第一滑動軌道38，第一支撐架39，其中第一動力組件34通過第一法蘭裝置35與第一滑動軌道38相連接，其旋轉(zhuǎn)軸通過第一導(dǎo)鏈37連接至第一滑塊36上，第一滑塊36滑動支撐在第一滑動軌道38上，并且與固定模塊4上的垂直固定板32相連接，第一支撐架39固接在測量分析控制模塊7上，使其可以連動。
[0039]如圖10、圖11所示，所述的底部沙板模塊6包括:變沙板面板40，面板補板41，面板連接塊42，第二動力組件43，第二法蘭裝置44，第二連接塊45，第二導(dǎo)鏈46，第二滑動軌道47，第二支撐架48，其中變沙板面板40的底端連接在底部邊界模塊3中的底部固定板30上，面板連接塊42焊接在變沙板面板40的正下方，并與兩塊面板補板41相連接，面板補板I焊接在第二連接塊45上，其余底部沙板模塊6形式與頂部滑動模塊5形式類似，具體來講，第二動力組件43通過第二法蘭裝置44與第二滑動軌道47相連接，其旋轉(zhuǎn)軸通過第二導(dǎo)鏈46連接至第二連接塊45上，第二連接塊45固接在第二滑動軌道47上。第二支撐架48支撐在水池假底上。
[0040]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，包括深海立管模塊、頂部邊界模塊、底部邊界模塊、固定模塊、頂部滑動模塊、底部沙板模塊、測量分析控制模塊，其中:深海立管模塊兩端分別與頂部邊界模塊和底部邊界模塊相連接，固定模塊與頂部邊界模塊和頂部滑動模塊相連接，頂部滑動模塊和拖車底部固定端相連接，底部沙板模塊與底部邊界模塊和水池小假底相連接，深海立管模塊分別與固定模塊、頂部滑動模塊和底部沙板模塊在同一個平面內(nèi)，測量分析控制模塊分別與深海立管模塊、頂部邊界模塊、底部邊界模塊、固定模塊、頂部滑動模塊、底部沙板模塊相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述深海立管模塊包括:深海立管模型、光纖傳感器，其中光纖傳感器布置在深海立管上，立管的頂端和頂部邊界模塊相連接，立管的底部和底部邊界模塊相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述的頂部邊界模塊包括:頂部夾具外緣、頂部夾具底板、第一墊板、第一萬向節(jié)固定板、萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、第二萬向節(jié)固定板、三分力儀固定板、三分力儀、第一調(diào)整組件、第一楔塊，其中，頂部夾具外緣和深海立管模型相連接，兩者在同一平面內(nèi)，頂部夾具底板與頂部夾具外緣固接，并與第一墊板相連接，第一萬向節(jié)固定板與第一墊板和萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置相連接，萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置與第一萬向節(jié)固定板和第二萬向節(jié)固定板固接，第二萬向節(jié)固定板和三分力儀固定板一側(cè)連接，三分力儀固定板的另一側(cè)和三分力儀連接，三分力儀的末端與第一調(diào)整組件相連接，第一調(diào)整組件的另一側(cè)固接在第一楔塊上，第一楔塊的側(cè)面固定在固定模塊中的垂直固定塊上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述的底部邊界模塊包括:底部夾具外緣、底部夾具底板、底部連接件、單分力儀、第二調(diào)整組件、第二墊板、第三萬向節(jié)固定板、萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、第四萬向節(jié)固定板、底部固定板，其中，底部夾具外緣和深海立管模型相連接，兩者在同一平面內(nèi)，底部夾具底板與底部夾具外緣固接，與底部連接件固接，底部連接件另一頭與單分力儀相連接，單分力儀與底部連接件和第二調(diào)整組件相連接，第二調(diào)整組件與第二墊板相連接，第二墊板與第三萬向節(jié)固定板固接，第三萬向節(jié)固定板與萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置相固接，萬向節(jié)轉(zhuǎn)動裝置的另一側(cè)和第四萬向節(jié)固定板相固接，第四萬向節(jié)固定板的另一側(cè)和底部固定板相固接，底部固定板焊接在底部沙板模塊的變沙板面板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述的固定模塊包括:整流罩、垂直固定板和垂直固定塊；所述的垂直固定板安裝在頂部滑動模塊的第一滑塊上，其上滑動安裝有垂直固定塊，兩側(cè)分別安裝有整流罩，所述的垂直固定塊與頂部邊界模塊中的第一楔塊相固接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述的頂部滑動模塊包括:第一動力組件、第一法蘭裝置、第一滑塊、第一導(dǎo)鏈、第一滑動軌道、第一支撐架，其中，第一動力組件通過第一法蘭裝置與第一滑動軌道相連接，其旋轉(zhuǎn)軸通過第一導(dǎo)鏈連接至第一滑塊上，第一滑塊滑動支撐在第一滑動軌道上，并且與固定模塊上的垂直固定板相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述的底部沙板模塊包括:變沙板面板，面板補板，面板連接塊，第二連接塊，底部固定軌道，第二支撐架，其中變沙板面板的底端連接在底部邊界模塊中的底部固定板上，面板補板焊接在小假底的正下方，并與兩塊面板連接塊相連接，面板連接塊與面板補板上的第二連接塊固接，面板補板焊接在底部固定軌道上，底部固定軌道焊接在第二支撐架上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬海底管土與水平強迫振蕩測量細長立管動力響應(yīng)裝置，其特征在于，所述的測量分析控制模塊包括:數(shù)據(jù)采集處理器，運動控制器和顯示器，其中:數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端與所述頂部邊界模塊中的三分力儀和底部邊界模塊中的單分力儀，以及光纖傳感器相連接，其輸出端與顯示器相連接；運動控制器包括運動控制輸出窗口和圖像顯示端口，運動控制輸出窗口與所述頂部滑動模塊、底部沙板模塊的相連接，圖像顯示端口與顯示器相連接。
【文檔編號】G01N29/04GK104502043SQ201410723481
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】蘇琳, 陳逸凡, 曾亞東, 馬磊鑫, 歐紹武, 蔡曦, 馮輝, 付世曉 申請人:上海交通大學(xué)