[發明專利]大長徑比結構物渦激振動行波的測試系統

有效

• 申請號: 201410162672.2
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN103954418A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 武曉東;張祺
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 江淑蘭

技術領域

本發明涉及一種海洋工程技術領域的實驗測試系統，具體地說，涉及的是一種測試大長徑比結構物渦激振動行波特性的測試系統。

背景技術

近年來，由于世界各國對油氣資源的大量需求，離岸的油氣開發已經逐漸從近海邁向深海區域。在深海區域內服役的海洋結構物如海洋立管和輸油管面臨較為突出的渦激振動問題，這些結構物的長度與直徑比達到102到103量級，屬于大長徑比結構物。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問題的一類大長徑比結構物。渦激振動是由漩渦脫落誘發的流體力激發的結構物振動，是上述大長徑比結構物結構物發生疲勞破壞的主要誘因之一，研究此類結構物的渦激振動，對其安全性顯得尤為重要。?

與小長徑比結構物相比，大長徑比結構物的渦激振動有著鮮明的不同，其中行波振動是其最顯著特征之一。研究行波振動有著重要的意義，首先，由于判斷行波是否出現是大長徑比結構物疲勞壽命預測的前提。以往絕大多數渦激振動預測模型都是基于結構物僅發生駐波振動這一假設，當發生行波振動時，這些預測模型無法預測結構物的疲勞壽命。其次，結構物發生行波振動時，其動力學特征明顯不同于駐波，而且這些特征對于結構物安全性的影響不同于駐波。

目前，模型試驗是研究大長徑比結構物渦激振動行波特征最可靠和最主要的研究手段之一。通過模型試驗，可以較為全面地觀察到渦激振動行波現象及其特征，獲得較為可靠的實驗結果。同時試驗可用來檢驗理論分析和數值模擬的精度。

振動波包括行波和駐波，根據已有的一些結論，響應是由行波和駐波迭加而成，行波傳播到模型邊界處發生反射，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。麻省理工學院Vandiver教授等指出，可使用波動參數?來預測響應的波動類型，其中?是水動力學阻尼，是模態階數。他們建議，如果這個參數小于0.2，響應就呈清晰的駐波，如果參數大于2，行波就成了典型的特征，當參數值在0.2到2時，響應就是行波和駐波的迭加。根據此結論，渦激振動實驗中，行波往往發生在結構物的高階模態中，結構物模型的長徑比，即長度和直徑之比很大，需要較為復雜和昂貴的實驗設備，這就使得實施這一類型的實驗顯得較為困難。這些實驗中，一般將應變響應作為響應的首要來源，部分原因是由于應變響應直接和結構物疲勞相關。加速度和位移響應一般作為輔助的測量。測量設備需要高測量采樣率以及良好的時間同步。另外傳感器的空間分布也需要仔細考慮。

渦激振動行波實驗模型裝置的設計目標是，測得的振動響應能夠展現模型行波傳播的重要特性。為了使模型發生行波振動，需要仔細選擇模型材料、模型結構、模型頂端張力、模型端部約束，此外模型周圍的流場也需要仔細考慮。

目前，國內外不同機構開展了一系列渦激振動實驗，但觀察到行波振動的實驗并不多。由于行波振動需要實驗模型的長徑比較大，故此類實驗一般是在大尺度水池或是實際海洋中進行，這些實驗中長徑比可作為關鍵參數來考量。比如：麻省理工學院Vandiver教授課題組在墨西哥灣中進行了大長徑比結構物渦激振動的外場實驗，實驗中觀察到了行波振動，模型長徑比超過了3000，模型一端采用萬向節連接，并用張力計和傾角計測量張力和傾斜角度，模型另一端連接有重物來施加張力。Trim等在執行NDP項目的過程中，實施了一系列大長徑比結構物渦激振動，實驗過程中觀察到了行波振動，模型長度為38m，直徑為0.027m，兩端采用萬向節連接。經分析，以上代表性的實驗工作并不是為了系統地觀察行波現象，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節。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了一種系統觀察渦激振動行波現象并研究行波振動特性的測試系統。

本發明采用如下技術方案：