[發(fā)明專利]大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物渦激振動(dòng)行波的測(cè)試系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410162672.2
• 申請(qǐng)日: 2014-04-22
• 公開（公告）號(hào): CN103954418A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武曉東;張祺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M7/02
• 分類號(hào): G01M7/02
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 江淑蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，具體地說，涉及的是一種測(cè)試大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物渦激振動(dòng)行波特性的測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，由于世界各國(guó)對(duì)油氣資源的大量需求，離岸的油氣開發(fā)已經(jīng)逐漸從近海邁向深海區(qū)域。在深海區(qū)域內(nèi)服役的海洋結(jié)構(gòu)物如海洋立管和輸油管面臨較為突出的渦激振動(dòng)問題，這些結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度與直徑比達(dá)到102到103量級(jí)，屬于大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物。同樣地，水中懸浮隧道的重要組成部分錨索也是面臨渦激振動(dòng)問題的一類大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物。渦激振動(dòng)是由漩渦脫落誘發(fā)的流體力激發(fā)的結(jié)構(gòu)物振動(dòng)，是上述大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)物發(fā)生疲勞破壞的主要誘因之一，研究此類結(jié)構(gòu)物的渦激振動(dòng)，對(duì)其安全性顯得尤為重要。?

與小長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物相比，大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物的渦激振動(dòng)有著鮮明的不同，其中行波振動(dòng)是其最顯著特征之一。研究行波振動(dòng)有著重要的意義，首先，由于判斷行波是否出現(xiàn)是大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物疲勞壽命預(yù)測(cè)的前提。以往絕大多數(shù)渦激振動(dòng)預(yù)測(cè)模型都是基于結(jié)構(gòu)物僅發(fā)生駐波振動(dòng)這一假設(shè)，當(dāng)發(fā)生行波振動(dòng)時(shí)，這些預(yù)測(cè)模型無法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物的疲勞壽命。其次，結(jié)構(gòu)物發(fā)生行波振動(dòng)時(shí)，其動(dòng)力學(xué)特征明顯不同于駐波，而且這些特征對(duì)于結(jié)構(gòu)物安全性的影響不同于駐波。

目前，模型試驗(yàn)是研究大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物渦激振動(dòng)行波特征最可靠和最主要的研究手段之一。通過模型試驗(yàn)，可以較為全面地觀察到渦激振動(dòng)行波現(xiàn)象及其特征，獲得較為可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)試驗(yàn)可用來檢驗(yàn)理論分析和數(shù)值模擬的精度。

振動(dòng)波包括行波和駐波，根據(jù)已有的一些結(jié)論，響應(yīng)是由行波和駐波迭加而成，行波傳播到模型邊界處發(fā)生反射，反射波和入射波在模型邊界處迭加成駐波，而且隨著駐波逐漸靠近模型頂端，駐波的幅值逐漸增加。麻省理工學(xué)院Vandiver教授等指出，可使用波動(dòng)參數(shù)?來預(yù)測(cè)響應(yīng)的波動(dòng)類型，其中?是水動(dòng)力學(xué)阻尼，是模態(tài)階數(shù)。他們建議，如果這個(gè)參數(shù)小于0.2，響應(yīng)就呈清晰的駐波，如果參數(shù)大于2，行波就成了典型的特征，當(dāng)參數(shù)值在0.2到2時(shí)，響應(yīng)就是行波和駐波的迭加。根據(jù)此結(jié)論，渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，行波往往發(fā)生在結(jié)構(gòu)物的高階模態(tài)中，結(jié)構(gòu)物模型的長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)度和直徑之比很大，需要較為復(fù)雜和昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這就使得實(shí)施這一類型的實(shí)驗(yàn)顯得較為困難。這些實(shí)驗(yàn)中，一般將應(yīng)變響應(yīng)作為響應(yīng)的首要來源，部分原因是由于應(yīng)變響應(yīng)直接和結(jié)構(gòu)物疲勞相關(guān)。加速度和位移響應(yīng)一般作為輔助的測(cè)量。測(cè)量設(shè)備需要高測(cè)量采樣率以及良好的時(shí)間同步。另外傳感器的空間分布也需要仔細(xì)考慮。

渦激振動(dòng)行波實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)能夠展現(xiàn)模型行波傳播的重要特性。為了使模型發(fā)生行波振動(dòng)，需要仔細(xì)選擇模型材料、模型結(jié)構(gòu)、模型頂端張力、模型端部約束，此外模型周圍的流場(chǎng)也需要仔細(xì)考慮。

目前，國(guó)內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)開展了一系列渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，但觀察到行波振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)并不多。由于行波振動(dòng)需要實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈L(zhǎng)徑比較大，故此類實(shí)驗(yàn)一般是在大尺度水池或是實(shí)際海洋中進(jìn)行，這些實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)徑比可作為關(guān)鍵參數(shù)來考量。比如：麻省理工學(xué)院Vandiver教授課題組在墨西哥灣中進(jìn)行了大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物渦激振動(dòng)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀察到了行波振動(dòng)，模型長(zhǎng)徑比超過了3000，模型一端采用萬向節(jié)連接，并用張力計(jì)和傾角計(jì)測(cè)量張力和傾斜角度，模型另一端連接有重物來施加張力。Trim等在執(zhí)行NDP項(xiàng)目的過程中，實(shí)施了一系列大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)物渦激振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過程中觀察到了行波振動(dòng)，模型長(zhǎng)度為38m，直徑為0.027m，兩端采用萬向節(jié)連接。經(jīng)分析，以上代表性的實(shí)驗(yàn)工作并不是為了系統(tǒng)地觀察行波現(xiàn)象，模型端部的約束方式、張力控制方式以及傳感器布置沒有考慮到觀察行波現(xiàn)象的需求，例如，沒有采用完全彈簧連接的約束方式，模型張力也不能任意調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)觀察渦激振動(dòng)行波現(xiàn)象并研究行波振動(dòng)特性的測(cè)試系統(tǒng)。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：