[發明專利]模擬斜向均勻流下深海立管橫向自激振動的試驗裝置

有效

• 申請號: 201210437190.4
• 申請日: 2012-11-06
• 公開（公告）號: CN102967437A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 付世曉;陳希恰;許玉旺;鐘芊;位巍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01N29/34
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及海洋工程領域，具體是一種模擬斜向均勻流下深海立管橫向自激振動的試驗裝置。

背景技術

實際海洋環境中的立管為長細柔性結構，在洋流的作用下會產生渦激振動，振動引起的結構疲勞或可能的共振等將對海洋結構物的安全造成極大威脅。

渦激振動對于處在海洋的立管而言是自激產生的。由于實尺度試驗條件的限制，目前主要通過模型試驗和數值模擬對柔性立管的渦激振動現象進行研究。模型試驗將柔性立管分為多段，假設每一段為剛性圓柱體，對圓柱進行強迫振蕩試驗或者自激振蕩試驗，但是帶有縮尺比的模型試驗并不能準確地預報真實海況下的圓柱的動力響應；數值模擬手段則缺乏試驗驗證其計算結果的可靠性，且其中對流體粘性等問題的處理目前仍不完善。

現有的傳統自激振蕩試驗研究裝置普遍存在以下不足：（1）局限于立管分段模型的實際結構性能，只能測得具有既定結構性能參數的立管的渦激振動響應，降低了普適性，而更換立管、彈簧、阻尼器等將消耗大量時間，拖延試驗進度；（2）只能依照設定的工況使分段模型以既定的周期強迫振動，無法測得分段模型在來流作用下真實的響應；（3）只能進行一個自由度的振動模擬，難以反映立管真實的運動特性；（4）難以模擬來流不垂直于結構物等特殊海況；（5）受試驗裝置尺寸限制，模型的長細比較小，尺度效應較大。

發明內容

本發明針對上述現有技術中存在的問題，提供一種模擬斜向均勻流下深海立管橫向自激振動的試驗裝置，旨在結合模型試驗與數值模擬，通過力的測量和高帶寬反饋，實時數值模擬具有虛擬結構參數的立管的運動特性，解決現有試驗裝置局限于模型實際結構性能，只能進行既定周期的強迫振動，局限于順流單自由度振動的模擬，尺度效應較大，簡而言之無法較真實的模擬立管處于實際海況中的運動問題。

本發明是通過以下技術方案實現的，一種模擬斜向均勻流下深海立管橫向自激振動的試驗裝置，設置在拖車上，包括：深海立管模塊、第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動模塊、第二垂直滑動模塊、第一水平滑動模塊、第二水平滑動模塊和實時控制系統模塊，深海立管模塊兩端分別與第一端部假體模塊和第二端部假體模塊連接；第一端部假體模塊和第二端部假體模塊分別與第一垂直滑動模塊和第二垂直滑動模塊連接，且第一垂直滑動模塊和第二垂直滑動模塊均與深海立管模塊呈一定角度；第一水平滑動模塊與第一垂直滑動模塊連接，并固接至拖車底部一端，第二水平滑動模塊與第二垂直滑動模塊連接，并固接至拖車底部另一端；實時控制系統模塊設置于拖車上，分別與第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動模塊、第二垂直滑動模塊、第一水平滑動模塊以及第二水平滑動模塊連接，其進一步包括：RTOS系統、數據采集處理器、數值模擬運算器、運動控制器和顯示器，其中：

RTOS系統依次連接數據采集處理器、數值模擬運算器、運動控制器和顯示器，用以負責數據采集處理器、數值模擬運算器、運動控制器和顯示器之間的數據傳輸；

數據采集處理器的輸入端分別與第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動模塊和第二垂直滑動模塊連接，輸出端與RTOS系統相連接，用以采集深海立管模塊在均勻流中的受力和實時運動速度，并經過實時濾波、降噪以及作用力成分分析，得到力參量和速度參量發送至RTOS系統；

數值模擬運算器與RTOS系統連接，用以設定深海立管模塊的虛擬質量、阻尼剛度系數等參數并發送至RTOS系統，以及，接收RTOS系統發送由數據采集處理器得到的力參量和速度參量，并求解運動方程，得到深海立管模塊下一時刻的運動速度發送至RTOS系統；

所述運動控制器的輸入端與所述RTOS系統連接，輸出端分別與第一垂直滑動模塊、第二垂直滑動模塊、第一水平滑動模塊和第二水平滑動模塊連接，用以根據接收到的所述RTOS系統發出的由所述數值模擬運算器得到的設定結果以及計算結果，分別向所述第一垂直滑動模塊、第二垂直滑動模塊、第一水平滑動模塊和第二水平滑動模塊輸出運動指令。

顯示器與RTOS系統連接，用以對RTOS系統發出的由數據采集處理器得到的力參量和速度參量，以及運動控制器發出的控制指令進行顯示。

優選地，該深海立管模塊包括：深海立管模型和兩個用以連接第一端部假體模塊和第二端部假體模塊的立管固定接頭，兩個立管固定接頭分別連接在海立管模型的兩端。

優選地，該深海立管模型直徑150毫米-300毫米，長度為1米-3米。