专利名称：斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于海洋工程领域，尤其涉及一种斜向均勻流作用下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置。
背景技术：
实际海洋环境中的立管均为细长柔性结构，在洋流的作用下会产生涡激振动。这种振动对整个立管而言，是自激产生的；但如果考虑每一节可以视为刚体的分段，那么这种振动却是受迫振荡。由于柔性立管的每一小部分可以看作为刚性圆柱体，所以要想深入研究细长柔性海洋立管在真实环境的洋流作用下的涡激振动特性，可以从微观的简单的问题入手，即对强迫振荡中的刚性圆柱体在均勻来流作用下的受力、运动响应、尾流形态等进行研究。Ramnarayan Gopalkrishnan 于 1993 年在 MIT 发表的论文‘‘Vortex-Introduced Forces on Oscillating Bluff Cylinders”(圆柱的涡激振动受力研究)是关于刚性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种刚性管件涡激振动模型试验技术，把刚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。经分析，该试验技术的不足之处在于
1、试验用立管分段过于细长，如曾有人取分段直径为2. Mcm，长度为60cm，这就导致其装置只能模拟低雷诺数下的涡激振动，不能对真实�？鱿碌母呃着凳刺心Ｄ猓菀壮鱿殖叨刃вΓ�2、试验只能进行一个自由度的涡激振动模拟，不能很准确的模拟立管涡激振动形式；3、没有对边界进行有效处理，模型边界效应会影响实验结果；4、不能模拟来流不垂直于立管的特殊海况。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，旨在解决现有试验装置只能模拟较低雷诺数�？觯荒苡玫プ杂啥惹科日穸Ｄ馕屑ふ穸荒苣Ｄ饫戳鞑淮怪庇诹⒐艿奶厥夂？觯颐挥卸粤⒐芊侄谓斜呓绱淼奈侍�。本发明是通过以下技术方案实现的，一种斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，包括深海立管模块、第一端部假体�？�、第二端部假体�？�、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动�？椤⒌谝凰交？椤⒌诙交？楹筒饬糠治隹刂颇？椋渲猩詈Ａ⒐苣？榱蕉朔直鹩氲谝欢瞬考偬迥？楹偷诙瞬考偬迥？榱樱谝淮怪被？榉直鹩氲谝欢瞬考偬迥？楹偷谝凰交？榱樱诙怪被？榉直鹩诘诙瞬考偬迥？楹偷诙交？榱樱谝凰交？橛胪铣档撞恳欢斯潭硬⒑偷谝淮怪被？榱樱诙交？橛胪铣档撞苛硪欢斯潭硬⒑偷诙怪被？榱樱詈Ａ⒐苣？橛氲谝淮怪被？�、第二垂直滑动�？槌室欢ń嵌劝沧埃饬糠治隹刂颇？樯柚糜谕铣瞪希直鹩氲谝欢瞬考偬迥？�、第二端部假体�？�、第一垂直滑动�？椤⒌诙怪被？椤⒌谝凰交？�、第二水平滑动�？橄嗔�。
所述的深海立管�？榘礁隽⒐芄潭ń油泛蜕詈Ａ⒐苣Ｐ停渲猩詈Ａ⒐苣Ｐ土蕉朔直鹩肓礁隽⒐芄潭ń油妨樱礁隽⒐芄潭ń油贩直鹩氲谝欢瞬考偬迥？楹偷诙瞬考偬迥？榱�。所述的第一端部假体�？榘偬逋馔�、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与深海立管�？橹械墓潭ń油泛腿至σ枪潭ò逑嗔至σ枪潭ò逡欢擞肴至σ橇樱硪欢擞胄ǹ楣探樱ǹ楣岽┑擦靼澹⒃诘擦靼迥诓嘤弥ё氲擦靼骞探樱擦靼辶硪徊嗟男ǹ橛氲姘辶樱潭ò逋ü姘逵胄ǹ楣探樱髡榧直鹩牍潭ò搴偷谝淮怪被？楣探樱偬逋馔仓嵝南哂氲盗靼迤矫娴姆ㄏ叱梢欢薪牵至σ枪潭ò逯行南呒叭至σ侵行南呔爰偬逋馔仓嵝南咧睾希至σ怯胄ǹ樾辈嗝娲怪惫潭ǎ凰龅牡诙瞬考偬迥？橛氲谝欢瞬考偬迥？槭蔷迪穸猿平峁�。所述的第一水平滑动�？榘ǘψ榧�、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道、支撑架，其中动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一垂直滑动�？橄喙探樱С偶苌隙擞胪铣倒探樱露擞牖斓拦探樱斓榔叫杏谕弦匪爻氐撞⒂氲谝淮怪被？榇怪保凰龅牡诙交？橛氲谝凰交？槌删迪穸猿平峁�。所述的第一垂直滑动�？榘ǘψ榧�、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道和整流罩，其中动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一端部假体�？橄喙探樱换斓来怪庇谕弦匪爻氐撞⒂氲谝凰交？榇怪保渖隙擞氲谝凰交？榱樱露俗杂尚眨换斓赖牧讲喟沧坝姓髡�。所述的第二垂直滑动�？橛氲谝淮怪被？槌删迪穸猿平峁�。所述的测量分析控制�？榘ㄊ莶杉鳌⒃硕刂破骱拖允酒鳎渲惺莶杉鞯氖淙攵松鲜龅谝�、二端部假体模块中的两个三分力仪想连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、二垂直滑动模块和第一、二水平滑动�？橹械乃奶锥ψ榧嗔樱枷裣允径丝谟胂允酒飨嗔�。所述深海立管模型直径为250mm，长度为:3m。本发明具有的优点和积极效果是
本发明采用特殊的端部假体装置，其中的第一、二端部假体�？楣潭ㄔ诨樯希胫屑淠Ｐ拖嗷ザ懒ⅲ⒐苣Ｐ土蕉送ü饬浦苯庸潭ㄔ诨樯希虼瞬饬撇饬康玫降氖菔侵屑淠Ｐ蜕鲜导仕艿降牧Γ谝�、二端部假体�？槠鸬搅酥圃炷Ｄ饬鞒〉淖饔茫欢圆饬孔爸弥苯硬跋欤饩隽耸笛橹心Ｐ土奖叱鱿直呓缧вΦ奈侍�。本发明采用的立管分段直径可达250mm，长度可达:3m，细长比达到了 1/12，这样子在正常的拖车运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数IO6范围，有效的避免了尺度效应。本发明采用两组动力装置，可以在两个方向上进行不同振幅不同频率的强迫振动，且能模拟来流不垂直于立管的特殊�？觯媸档哪Ｄ馕屑ふ穸缘玫礁媸档氖匝榻峁�。
图1是本发明实施例提供的实验装置在拖车上的安装示意图。图2是本发明实施例提供的实验装置的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的实验装置的俯视图。图4是本发明实施例提供的深海立管�？榈慕峁故疽馔�。图5是本发明实施例提供的端部假体�？榈慕峁故疽馔�。图6是本发明实施例提供的垂直滑动模块的结构示意图。图7是本发明实施例提供的垂直滑动�？榈牟嗍油�。图8是本发明实施例提供的水平滑动模块的结构示意图。图9是本发明实施例提供的水平滑动模块的俯视图。图10是本发明实施例提供的测量分析控制�？榈慕峁箍蛲�。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1、图2和图3所示，本装置包括深海立管�？�1、第一端部假体�？�2、第二端部假体�？�3、第一垂直滑动�？�4、第二垂直滑动模块5、第一水平滑动�？�6、第二水平滑动模块7和测量分析控制�？�8，其中深海立管�？�1两端分别与第一端部假体�？�2 和第二端部假体�？�3连接，第一垂直滑动�？�4分别与第一端部假体�？�2和第一水平滑动�？�6连接，第二垂直滑动�？�5分别与第二端部假体�？�3和第二水平滑动�？�7 连接，第一水平滑动�？�6与拖车9 一端底部固定连接并和第一垂直滑动�？�4连接，第二水平滑动模块7与拖车9另一端底部固定连接并和第二垂直滑动模块5连接，深海立管�？�1与第一垂直滑动�？�4、第二垂直滑动�？�5之间呈一定角度安装，测量分析控制�？� 8设置于拖车9上，分别与第一端部假体�？�2、第二端部假体�？�3、第一水平滑动�？�6、 第二水平滑动�？�7、第一垂直滑动�？�4、第二垂直滑动�？�5相连接。拖车9以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行。如图2和图4所示，所述的深海立管模块1包括两个立管固定接头102、103和深海立管模型101，其中深海立管模型101两端分别与两个立管固定接头102、103连接，两个立管固定接头102、103分别与第一端部假体�？�2和第二端部假体�？�3连接。立管固定接头102、103为固定连接，避免立管模型在实验时发生松动。如图2和图5所示，所述的第一端部假体�？�2包括假体外筒201、三分力仪202、 三分力仪固定板203、楔块204、支座205、调整组件206、固定板207、垫板208、挡流板209， 其中假体外筒201与挡流板209固定，三分力仪202分别与深海立管模块1中的固定接头102、103和三分力仪固定板203相连，三分力仪固定板203 —端与三分力仪202连接，另一端与楔块204固接，楔块204贯穿挡流板209，并在挡流板209内侧用支座205与挡流板 209固接，挡流板209另一侧的楔块204与垫板208连接，固定板207通过垫板208与楔块 204固接，调整组件206分别与固定板207和第一垂直滑动�？�4固接，假体外筒201轴心线与档流板209平面的法线成一定夹角，三分力仪固定板203中心线及三分力仪202中心线均与假体外筒201轴心线重合，三分力仪202与楔块204斜侧面垂直固定。第二端部假体�？�3与第一端部假体模块2是镜像对称结构，在此不再赘述。如图2、图8和图9所示，所述的第一水平滑动�？�6包括动力组件601、法兰装置602、滑块603、导链604、滑动轨道605和支撑架606，其中动力组件601通过法兰装置 602与滑动轨道605相连，其旋转轴通过导链604连接至滑块603，滑块603滑动支撑在滑动轨道605上，并与第一垂直滑动�？�4相固接，支撑架606上端与拖车9固接，下端与滑动轨道605固接，滑动轨道605平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块4垂直；所述的第二水平滑动�？�7与第一水平滑动模块6成镜像对称结构，在此不再赘述。如图2、图6和图7所示，所述的第一垂直滑动�？�4包括动力组件401、法兰装置402、滑块403、导链404、滑动轨道405和整流罩406，其中动力组件401通过法兰装置 402与滑动轨道405相连，其旋转轴通过导链404连接至滑块403，滑块403滑动支撑在滑动轨道405上，并与第一端部假体模块2中的调整组件206相固接，滑动轨道405垂直于拖曳水池池底并与第一固定�？�6垂直，其上端与第一固定�？�6固定连接，下端自由悬空； 滑动轨道405的两侧安装有整流罩406。所述的第二垂直滑动�？�5与第一垂直滑动�？� 4成镜像对称结构，在此不再赘述。如图10所示，所述的测量分析控制�？�8包括数据采集器801、运动控制器802 和显示器803，其中数据采集器801的输入端与上述第一、二端部假体�？�2、3中的两个三分力仪202相连接，其输出端与显示器803相连接；运动控制器802共有两个输出端口， 运动控制输出端口与上述第一水平滑动�？�6、第二水平滑动�？�7、第一垂直滑动�？�4、 第二滑动�？�5中的四套动力组件601、401相连接，图像显示端口与显示器803相连接。本实施例中，深海立管模型101直径可取250mm，长度可取3m，其细长比达到了 1/12，在拖车9的正常运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数IO6范围，有效的避免了尺度效应。工作原理
试验时，由测量分析控制�？�8中的运动控制器802向动力组件601、401和拖车9发出运动指令拖车9以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，在静水中前进获得相对速度，以模拟深海立管模型101静置于斜向均勻来流中的情形，拖车速度应根据深海立管模型101的尺寸配合实际�？鱿碌睦着凳侠硌∪。欢ψ榧�601、401带动深海立管模块 1以设定的振幅和频率沿顺流方向和垂直来流方向在滑动轨道605、405上做往复振动，以模拟局部分段涡激振动的双自由度振动的情形。试验过程中，第一、二端部假体�？�2、3中的三分力仪202测出深海立管模型101在实验过程中的所受力的大�。⒔荡涞讲饬糠治隹刂颇？�8中的数据采集器801，数据采集器801进而将数据传输到显示器803显示成可视数据。显示器803的另一个作用就是显示运动控制器802发出的控制指令。本装置采用特殊的端部假体装置，其中的第一、二端部假体�？�2、3固定在滑块 403上，与立管模型101相互独立，立管模型101两端通过三分力仪202直接固定在滑块 403上，因此三分力仪202测量得到的数据是立管模型101上实际所受到的力，而第一、二端部假体�？�2、3起到了制造模拟流场的作用，但不对测量装置直接产生影响，能有效解决实验中立管模型101两边出现边界效应的问题。本发明采用的深海立管模型101直径可达250mm，长度可达3m，细长比达到了 1/12，这样子在正常的拖车运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数IO6范围，有效的避免了尺度效应。本发明采用两组动力装置，可以在两个方向上进行不同振幅不同频率的强迫振动，且能模拟来流不垂直于立管的特殊�？觯� 更真实的模拟涡激振动，以得到更真实的试验结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述装置主要由深海立管�？�、第一端部假体�？�、第二端部假体�？�、第一垂直滑动�？椤⒌诙怪被？椤⒌谝凰交？�、第二水平滑动�？楹筒饬糠治隹刂颇？樽槌桑渲� 深海立管�？榱蕉朔直鹩氲谝欢瞬考偬迥？楹偷诙瞬考偬迥？榱樱谝淮怪被？榉直鹩氲谝欢瞬考偬迥？楹偷谝凰交？榱樱诙怪被？榉直鹩氲诙瞬考偬迥？楹偷诙交？榱樱谝凰交？橛胪铣档撞恳欢斯潭硬⒑偷谝淮怪被？榱樱诙交？橛胪铣档撞苛硪欢斯潭硬⒑偷诙怪被？榱樱詈Ａ⒐苣？橛氲谝淮怪被？�、第二垂直滑动�？槌室欢ń嵌劝沧埃饬糠治隹刂颇？樯柚糜谕铣瞪希直鹩氲谝欢瞬考偬迥？�、第二端部假体�？�、第一垂直滑动�？�、第二垂直滑动模块、第一水平滑动�？椤⒌诙交？橄嗔�。
2.如权利要求1所述的斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的深海立管模块包括两个立管固定接头和深海立管模型，其中深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与第一端部假体�？楹偷诙瞬考偬迥？榱�。
3.如权利要求2所述的斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一端部假体�？榘偬逋馔�、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与深海立管�？橹械墓潭ń油泛腿至σ枪潭ò逑嗔至σ枪潭ò逡欢擞肴至σ橇樱硪欢擞胄ǹ楣探樱ǹ楣岽┑擦靼澹⒃诘擦靼迥诓嘤弥ё氲擦靼骞探樱擦靼辶硪徊嗟男ǹ橛氲姘辶樱潭ò逋ü姘逵胄ǹ楣探樱髡榧直鹩牍潭ò搴偷谝淮怪被？楣探樱偬逋馔仓嵝南哂氲盗靼迤矫娴姆ㄏ叱梢欢薪牵至σ枪潭ò逯行南呒叭至σ侵行南呔爰偬逋馔仓嵝南咧睾希至σ怯胄ǹ樾辈嗝娲怪惫潭ǎ凰龅牡诙瞬考偬迥？橛氲谝欢瞬考偬迥？槭蔷迪穸猿平峁�。
4.如权利要求3所述的斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一水平滑动�？榘ǘψ榧�、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道、支撑架，其中动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一垂直滑动�？橄喙探樱С偶苌隙擞胪铣倒探樱露擞牖斓拦探樱斓榔叫杏谕弦匪爻氐撞⒂氲谝淮怪被？榇怪保凰龅牡诙交？橛氲谝凰交？槌删迪穸猿平峁�。
5.如权利要求4所述的斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一垂直滑动�？榘ǘψ榧⒎ɡ甲爸�、滑块、导链、滑动轨道和整流罩，其中动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一端部假体�？橄喙探樱换斓来怪庇谕弦匪爻氐撞⒂氲谝凰交？榇怪保渖隙擞氲谝凰交？榱樱露俗杂尚眨换斓赖牧讲喟沧坝姓髡郑凰龅牡诙怪被？橛氲谝淮怪被？槌删迪穸猿平峁�。
6.如权利要求5所述的斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的测量分析控制�？榘ㄊ莶杉鳌⒃硕刂破骱拖允酒鳎渲惺莶杉鞯氖淙攵擞肷鲜龅谝�、二端部假体模块中的两个三分力仪相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、二垂直滑动模块和第一、二水平滑动�？橹械乃奶锥ψ榧嗔樱枷裣允径丝谟胂允酒飨嗔�。
7.如权利要求2至6中任一所述的一种斜向均勻流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述深海立管模型直径为250mm，长度为!3m。
全文摘要
本发明适用于海洋工程领域，提供了一种斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，包括深海立管�？�、假体�？�、水平滑动�？�、垂直滑动模块和测量分析控制�？椋渲校詈Ａ⒐苣？榱蕉朔直鹩攵瞬考偬迥？榱樱怪被？榉直鹩攵瞬考偬迥？楹退交？榱樱交？橛胪铣档撞抗潭樱詈Ａ⒐苣？橛氪怪蹦？槌室欢ń嵌劝沧埃饬糠治隹刂颇？橹糜谕铣瞪希攵瞬考偬迥？�、两个滑动�？橄嗔�。本发明采用大尺度立管分段，使试验雷诺数在106范围以避免尺度效应。本发明所公开的实验装置，采用双向强迫运动，且可以模拟来流不垂直于立管的特殊�？觯媸档哪Ｄ饬⒐芪屑ふ穸问剑辈捎枚瞬考偬褰饩隽耸笛橹心Ｐ土奖叱鱿直呓缧вΦ奈侍�。
文档编号G01M7/06GK102359857SQ20111023260
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者付世晓, 宋磊建, 张蒙蒙, 李曼, 王俊高 申请人:上海交通大学
专业数控铣床产品供应商
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