专利名称：均匀流和阶梯均匀流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种竖置于海洋工程深水 池中柔性立管模型在均勻流下和阶梯流下的涡激振动旋转测试装置。
背景技术：
根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替 泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是 弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。 这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流的作用下，悬置于海中的海洋 平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象， 将会导致柔性管件的疲劳破坏。由于海洋油气开采向深水推进，深水环境中的立管可视为细长柔性结构，小变形 理论不再适用，这使得立管的涡激振动问题更加突出。目前为止，对柔性管件涡激振动现象 的研究最重要的方法之一就是模型测试方法。测试中模拟的现象更加接近于自然界中的真 实情况，采用先进的测试装置可以保证测试数据的可靠性。通过模型测试的方法可以设计 出更好的抑制海洋立管涡激振动的抑振装置。经过对现有技术的检索发现，目前的涡激振动测试装置一般在拖曳海洋工程深水 池中进行，有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动测试。在第14届国IMXfM^il "Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and PolarEngineering Conference"中白勺论文"Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研 究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型测试技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖 车拖动立管模型产生均勻流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运动，在 立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。经分析，该测试技术的不足之处在于1. 一般 只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动测试。2.受拖曳 海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较�。獾玫牟馐允萁仙�。3. —般只能 模拟均勻流场中立管的涡激振动，不能模拟阶梯流场中立管的涡激振动。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种均勻流和阶梯均勻流下竖置立管 的涡激振动旋转测试装置，能够模拟实际尺寸立管、均勻或者阶梯流�。铱梢猿な奔渲糜� 海洋工程深水池中进行柔性立管模型的涡激振动旋转测试。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括立管模型机构、测量分析系统平 台�？�、驱动�？椤⒍ゲ啃勰？�、圆筒轴分段�？�、底部悬臂�？楹偷撞恐С拍？椋渲� 立管模型机构固定设置于底部悬臂�？楹投ゲ啃勰？橹洌餐仓岱侄文？榇怪敝糜诤� 洋工程深水池中并分别与底部支撑�？�、驱动�？楹偷撞啃勰？楹投ゲ啃勰？榇怪绷樱撞恐С拍？楣潭ㄉ柚糜诤Ｑ蠊こ躺钏氐纳档咨希？榉直鹩朐餐仓岱侄文� 块和顶部悬臂�？橄嗔硬⑹涑龆Γゲ啃勰？榈淖笥伊蕉朔直鹩朐餐仓岱侄文？橄� 连，测量分析系统平台�？榉直鹩肓⒐苣Ｐ汀⒍ゲ啃勰？橐约暗撞啃勰？橄嗔⒔邮� 检测数据。所述的立管模型机构包括立管模型、万向节、三分力传感器、滑动轴、连接板、立 管固定接头、直线轴承、缓冲弹簧和伺服驱动电机，其中第一立管固定接头的两端分别与 立管模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固定设置于立 管固定座上。第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节的一端相连， 第二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承与滑动轴相连，直线轴承和缓 冲弹簧相连。所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 1。所述的测量分析系统平台�？榘ú饬康ピ�、水下录像单元、计算单元和无线传 输单元，其中计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连接以 传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线测量 信号进行存储和处理。所述的驱动�？槲鱿低程峁┒Σ⒍宰爸玫淖俣冉芯房刂疲们� 模块包括电机、齿轮传动机构、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴和可调节支撑底座，其中 电机与变速齿轮箱相连接，变速齿轮箱与驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，电机、 变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴，都将固定于可调节支撑底座，实现封装。可调节支撑底座安 装于海洋工程深水池拖车的钢架上。所述的变速齿轮箱的减速比为40 1 ；所述的该齿轮传动机构的减速比为7。所述的顶部悬臂�？榘ㄐ�、斜拉锁、斜撑和套筒，其中悬臂上部使用斜拉 锁和顶部悬臂圆筒轴相连接，为悬臂提供预应力，悬臂下部使用斜撑和顶部悬臂圆筒轴相 连接，悬臂的末端将与立管模型机构中的固定装置连接，数据线通过试件的末端和悬臂进 入圆筒轴并通过顶部悬臂圆筒轴向上连接到测量分析系统平台�？椋淄蔡捉佑诹⒐苣Ｐ� 的右端。所述的套筒具体套接于立管模型的上端点及整个上部的外侧，使带套筒部分的立 管模型在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯流。当套筒被完全拆除时，整 个立管模型各剖面在实验装置旋转中受到均勻水流的作用，又可模拟均勻流场。套筒的固 定位置以及长度可以根据需要沿立管模型轴向改变，以模拟不同流场的阶梯均勻流。所述的悬臂采用预应力矩形钢桁架结构；桁架采用�？樯杓疲鲨旒芊侄渭庸ぃ� 使用矩形板连接，以此改变桁架的长度，以适应在不同的水深情况下使用。所述的悬臂的长度为18m和9m。所述的圆筒轴分段模块具体为若干段由连接法兰固定相连的圆筒轴分段机构，每 个圆筒轴分段机构的两个端部均环形布置有螺栓孔，圆筒轴分段机构与海洋工程深水池的 升降底相垂直。所述的底部支撑�？榘ǖ撞恐С欧ɡ寂�、底部固定轴承、底部固定轴和底部基 座，其中圆筒轴的上部与圆筒轴分段�？榛虻撞啃勰？榱樱餐仓岬南虏坑氲撞抗潭� 轴连接，底部固定轴承位于圆筒轴的外部并密封连接，底部固定轴承和底部基座依次固定设置于海洋工程深水池的升降底上。与现有技术相比，本发明的优点包括1.本发明可以实现立管在阶梯来流作用下(有套筒)和均勻来流作用下(无套 筒)的涡激振动测试；2.其旋转装置可以大大延长测试时间，增加了实验数据的准确性；3.本发明可以充分利用海洋工程深水池的深度模拟大型管件的实雷诺数涡激振 动；4.本发明采用�？榛杓疲诺阍谟诒阌诎沧埃阌谏队敫模⒙悴煌墓� 能要求；5.本发明能够更加真实的模拟海洋真实环境的流�。纫酝谕弦泛Ｑ蠊こ躺钏� 池以及拖船上测试有显著的进步。
图1是本发明结构示意图；其中(a)为含套筒，(b)为不含套筒。图2是驱动�？榈慕峁拐油�。图3是驱动�？榻峁故疽馔�。图4是顶部悬臂�？榈慕峁故疽馔�。图5是顶部悬臂�？橹械谝恍劢峁沟氖疽馔肌Ｍ�6是底部支撑�？榈慕峁故疽馔�。图7是立管模型机构中底部固定端的侧视图。图8是立管模型机构中底部固定端的仰视图。图9是立管模型机构中顶部固定端的结构示意图。图10是立管模型机构结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括立管模型机构1、测量分析系统平台模块2、驱动�？� 3、顶部悬臂�？�4、圆筒轴分段�？�5、底部悬臂�？�6、底部支撑�？�7，其中立管模型机 构1固定设置于底部悬臂�？楹投ゲ啃勰？橹洌餐仓岱侄文？�5垂直置于海洋工程 深水池中并分别与底部支撑模块7、驱动�？�3和顶部悬臂模块4垂直连接，底部支撑�？� 7固定设置于海洋工程深水池的升降底8上，驱动�？�3分别与圆筒轴分段�？�5和顶部悬 臂�？�4相连接并输出动力，顶部悬臂�？�4的左右两端分别与圆筒轴分段模块5相连，测 量分析系统平台�？�2分别与立管模型31、顶部悬臂�？�4以及底部悬臂底部支撑�？�7 相连并接收检测数据。所述的测量分析系统平台�？�2包括测量单元10、水下录像单元11、计算单元 12和无线传输单元13，其中计算单元设置于海洋工程深水池的拖车9机房内并与无线传输单元相连接以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接 收到的无线测量信号进行存储和处理。如图2和图3所示，所述的驱动�？�3包括变速齿轮箱14、伺服驱动电机15、传 递齿轮16、驱动轴17、可调节支撑底座18和驱动齿轮19，其中伺服驱动电机15与变速齿 轮箱14相连接，变速齿轮箱14与驱动轴17相连接，驱动轴17与驱动齿轮18相连接，伺服 驱动电机15、变速齿轮箱14、驱动齿轮18、驱动轴17，都将固定于可调节支撑底座，实现封 装。可调节支撑底座安装于海洋工程深水池拖车9的钢架上。所述的变速齿轮箱的减速比为40 1。所述的齿轮传动机构的减速比为7。如图4所示，所述的顶部悬臂�？�4包括斜拉锁20、第一悬臂21、斜撑22、顶部 悬臂圆筒轴23和套筒42，其中第一悬臂21上部使用斜拉锁20和顶部悬臂圆筒轴23相 连接，为第一悬臂提供预应力，第一悬臂21下部使用斜撑22和顶部悬臂圆筒轴23相连接。 第一悬臂21的末端将与立管模型机构1中的顶端固定装置连接。如图5所示，第一悬臂21采用预应力矩形钢桁架结构。桁架分段间使用连接板连 接。桁架的腹杆和弦杆的尺寸分别为，腹杆外径0. 05m,厚度0. 004m,弦杆外径0. 03m,厚 度0. 004m。所述的第一悬臂长度为18m。所述的底部悬臂�？榘ǖ诙�、桁架。底部悬臂�？榈牡诙酆丸旒芙峁� 与顶部悬臂�？槔嗨啤Ｋ龅牡诙鄢ざ任�9m。所述的套筒42具体套接于立管模型的上端点及整个上部的外侧，使带套筒部分 的立管模型在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯流。当套筒被完全拆除 时，整个立管模型各剖面在实验装置旋转中受到均勻水流的作用，又可模拟均勻流场。如图6所示，所述的底部支撑�？�7包括圆筒轴连接法兰盘24、圆筒轴25、底部 支撑法兰盘26、底部固定轴承27、底部固定轴28和底部基座29，其中圆筒轴25上部通过 连接法兰盘24与圆筒轴分段�？�5或底部悬臂�？�6连接，下部通过底部支撑法兰盘26 与底部固定轴28连接，然后将整体插入到底部固定轴承27内，轴承实现油密，底部固定轴 承27焊接在底部基座29上，底部基座29通过30个高强度螺丝与海洋工程深水池升降底 8连接。所述的圆筒轴分段�？�5具体为若干段由连接法兰固定相连的圆筒轴分段机构， 每个圆筒轴分段机构的两个端部均环形布置有螺栓孔，圆筒轴分段机构与海洋工程深水池 的升降底8相垂直。 如图7、图8、图9和图10所示，所述的立管模型机构1包括连接板30、缓冲弹簧 31、直线轴承32、滑动轴33、三分力传感器34、万向节35、立管固定接头36、立管模型37、驱 动伺服电机38、轨道39、滑块40、立管固定座41。万向节35、立管固定接头36在立管模型 37底端和顶端各设一个。其中第一立管固定接头36的两端分别与立管模型37的顶端和 第一万向节35的一端相连，第一万向节35的另一端固定设置于立管固定座上。第二立管 固定接头36的两端分别与立管模型37的底端和第二万向节35的一端相连，第二万向节35 的另一端固定设置于三分力传感器34上，直线轴承32与滑动轴33相连缓冲弹簧31和直 线轴承32相连。所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 1。
本装置通过以下方式进行测试先根据海洋工程深水池的尺寸、管件的实际尺寸、 测试工况的具体情况和测试的经济性选择合适的模型缩尺比和测试工况。按照整个测试装 置得强度控制要求以及振动控制要求确定各个�？榈木咛宄叽绾筒牧�。各�？樽急负煤缶� 体的安装过程如下。在地面组装底部支撑�？�7， 组装完成后升高海洋工程深水池的升降底8，将底部 支撑�？�7的底座30用螺栓固定在升降底8上。然后适当降低升降底8安装底部悬臂�？� 6，然后将立管模型机构1也就是测试管件的一端用万向连轴器固定在底部悬臂�？�6上， 另一端搭在池壁上，数据线从连接装置穿过横梁进入圆筒轴中，降低升降底8。根据测试管 件的长度要求确定圆筒轴分段�？�5的长度，然后将圆筒轴分段�？�5用小车吊至海洋工 程深水池中央进行吊装。在安装上述�？榈猛保诘孛孀樽安饬糠治鱿低称教？�2、驱 动�？�3、顶部悬臂�？�4。圆筒轴分段�？�5安装完成后吊装顶部悬臂�？�4，各�？橹� 的连接采用法兰连接，数据线从连接装置穿过横梁进入圆筒轴中。顶部悬臂�？�4吊装完 成后，将立管模型机构1测试管件的另一端穿过套筒固定在顶部悬臂模块4的连接�？樯�。 安装完成后，用小车将3吊至顶部悬臂�？�4正上方，顶部悬臂�？�4与驱动�？�3的连接 要特别注意精度控制，连接后将驱动模块3用螺栓固定在小车上。最后安装测量分析系统 平台�？�2，将圆筒轴中的数据线连接到测量分析系统平台�？�2上。在测量分析系统平台�？�2中的计算机上安装好计算机实时分析软件和图像处 理软件，然后将从测试管件两端导出来的数据线连接到电脑上。同时将测试装置中的测量 仪器导出来的电源线接上电源。整体安装完成后调试装置。调试完成后就可以根据具体工况和测试技术要求启动 测试装置进行测试。
权利要求
1.一种均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征在于，包括 立管模型机构、测量分析系统平台�？�、驱动�？�、底部悬臂模块和顶部悬臂�？�、圆筒轴 分段�？楹偷撞恐С拍？椋渲辛⒐苣Ｐ突构潭ㄉ柚糜诘撞啃勰？楹投ゲ啃勰？� 之间，圆筒轴分段�？榇怪敝糜诤Ｑ蠊こ躺钏刂胁⒎直鹩氲撞恐С拍？�、驱动�？楹投� 部悬臂�？榇怪绷樱撞恐С拍？楣潭ㄉ柚糜诤Ｑ蠊こ躺钏氐纳档咨希？榉� 别与圆筒轴分段�？楹投ゲ啃勰？橄嗔硬⑹涑龆Γゲ啃勰？榈淖笥伊蕉朔直鹩� 圆筒轴分段�？橄嗔饬糠治鱿低称教？榉直鹩肓⒐苣Ｐ�、顶部悬臂�？橐约暗撞啃� 臂模块相连并接收检测数据；所述的立管模型机构包括立管模型、万向节、三分力传感器、滑动轴、连接板、立管固 定接头、直线轴承、缓冲弹簧和伺服驱动电机，其中第一立管固定接头的两端分别与立管 模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固定设置于立管 固定座上，第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节的一端相连，第 二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承与滑动轴相连，直线轴承和缓冲 弹簧相连。
2.根据权利要求1所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 1。
3.根据权利要求1所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的测量分析系统平台�？榘ú饬康ピ�、水下录像单元、计算单元和无线 传输单元，其中计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连接 以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线测 量信号进行存储和处理。
4.根据权利要求1所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的驱动�？槲鱿低程峁┒Σ⒍宰爸玫淖俣冉芯房刂疲们� 动�？榘ǖ缁�、齿轮传动机构、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴和可调节支撑底座，其中 电机安与变速齿轮箱相连接，变速齿轮箱与驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，电 机、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴，都将固定于可调节支撑底座实现封装，可调节支撑底座 安装于海洋工程深水池拖车的钢架上。
5.根据权利要求4所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的变速齿轮箱的减速比为40 1。
6.根据权利要求1所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的顶部悬臂�？榘ㄐ�、斜拉锁、桁架和套筒，其中六根斜拉锁一端与 圆筒轴分段�？橄嗔硪欢擞胄巯嗔蕴峁┰びαΓ捉佑诹⒐苣Ｐ偷纳隙说慵罢� 上部的外侧。
7.根据权利要求6所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的悬臂采用预应力矩形钢桁架结构，其长度为18m。
8.根据权利要求1所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的圆筒轴分段模块具体为若干段由连接法兰固定相连的圆筒轴分段机构， 每个圆筒轴分段机构的两个端部均环形布置有螺栓孔，圆筒轴分段机构与海洋工程深水池 的升降底相垂直。
9.根据权利要求1所述的均勻流和阶梯均勻流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置， 其特征是，所述的底部支撑模块包括圆筒轴、底部支撑法兰盘、底部固定轴承、底部固定轴 和底部基座，其中圆筒轴的上部与圆筒轴分段�？榛虻撞啃勰？榱樱餐仓岬南虏坑� 底部固定轴连接，底部固定轴承位于圆筒轴的外部并密封连接，底部固定轴承和底部基座 依次固定设置于海洋工程深水池的升降底上。
全文摘要
一种海洋工程技术领域的均匀流和阶梯均匀流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置，包括立管模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂�？椤⒌撞啃勰？椤⒃餐仓岱侄文？楹偷撞恐С拍？椋⒐苣Ｐ突构潭ㄉ柚糜诘撞啃勰？楹投ゲ啃勰？橹洌餐仓岱侄文？榇怪敝糜诤Ｑ蠊こ躺钏刂胁⒎直鹩氲撞恐С拍？�、驱动�？楹投ゲ啃勰？榇怪绷樱撞恐С拍？楣潭ㄉ柚糜谏档咨希？榉直鹩朐餐仓岱侄文？楹投ゲ啃勰？橄嗔樱ゲ啃勰？榈淖笥伊蕉朔直鹩朐餐仓岱侄文？橄嗔饬糠治鱿低称教？榉直鹩肓⒐苣Ｐ�、顶部悬臂�？橐约暗撞啃勰？橄嗔１痉⒚髂芄荒Ｄ馐导食叽缌⒐�、均匀或者阶梯流场。
文档编号G01M7/02GK102053001SQ20101055348
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者付世晓, 任铁, 彭涛, 杨建民 申请人:上海交通大学
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