一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法，所述实验测试装置包括：可移动装置，其上设有一端与其连接的线缆，所述线缆的另一端伸入至透明水槽内且设有重块；直线运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿直线运动；往复运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿所述直线往复运动；以及，摆动运动机构，其用于驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动。本发明专利技术通过相似比原理，依靠小比尺室内模型实验模拟柔性管缆(海洋柔性管道或者脐带缆)截面弯曲滞回效应对整体线型变形和荷载响应的影响规律，从而揭示原型结构的动态响应机理，避免原型实验操作困难和耗时耗费难题。

An experimental test device and method for the scale-up model of bending hysteresis effect of marine flexible pipe cable

The invention discloses an experimental test device and method for the model of bending hysteresis effect of marine flexible pipe and cable. The experimental test device includes: a movable device, on which one end is provided with a cable connected with the other end, the other end of the cable extends into a transparent water tank and is provided with a weight; a linear motion mechanism, which is used to drive the movable device to move along a straight line; reciprocating motion A mechanism for driving the movable device to and fro along the straight line; and a swing motion mechanism for driving the movable device to and fro in a vertical plane. According to the principle of similarity ratio, the invention simulates the influence law of the bending hysteresis effect of the cross section of the flexible pipe cable (Marine flexible pipe or umbilical cable) on the overall linear deformation and load response by means of the small scale indoor model experiment, so as to reveal the dynamic response mechanism of the prototype structure, and avoid the difficulty of the prototype experiment operation and the time-consuming problem.

【技术实现步骤摘要】
一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法
本专利技术涉及一种能够针对大型管缆状试件实现拉伸、弯曲组合状态下挤压接触与摩擦行为对结构体宏观整体变形影响的实验测试装置与方法，具体说是一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法。
技术介绍
我国海洋油气资源储量丰富，且大多数分布于南海等深水海域。而海缆、脐带缆以及柔性管道等是深海油气开采中不可或缺的装备之一。这类装备可统称为海洋柔顺性管缆，其结构通常由相应的功能构件及加强构件如铠装钢丝等组成。针对不同的工程需求，选用相应功能的管缆；海缆主要负责为海底采油设备提供电能；脐带缆连接于水上浮体与海底装备之间，为海底管汇提供电力、信号传输等实现远程控制；柔性管道主要负责装备之间的油气输送。海洋柔性管缆在安装或者在位工况时，由于风浪流的作用，以及平台在复杂海洋环境下的往复运动，连接于浮体的管缆将呈现反复弯曲的行为。同时，由于数百米甚至上千米长的柔性管缆自身重力作用，柔性管缆所遭受到的力学行为典型的拉伸弯曲组合行为。考虑到柔顺性管缆自身为复杂的螺旋缠绕结构，弯曲荷载下构件间的相互摩擦行为将明显受到拉力大小的影响，而且，柔性管缆截面呈现显著的弯曲滞回效应，如图1所示。其导致柔性管缆的力学行为非常复杂，同时影响着与浮体连接处管缆段的变形形态，以及柔性管缆在预定海况下的极值(张力和弯曲曲率)响应。柔性管缆极值响应预测问题的研究是管缆设计流程中不可忽视的重要环节。由于柔性管缆螺旋缠绕结构的特征，通过理论和数值方法往往难以准确描述截面弯曲滞回效应对柔性管缆整体变形形态和极值响应的影响。因此，为了详细研究柔性管缆的上述力学行为特征，需要采用试验方法模拟海洋柔性管缆顶端与浮体连接段在船体运行牵引下的拉弯组合力学行为。通过实验探究弯曲滞回效应对柔性管缆结构响应的影响机理，降低管缆使用过程中破坏概率，从而保证整个管缆使用寿命，进而提出结构优化的设计方案。由于国内海洋柔性管缆的研究尚处于起步状态，无相关类似模拟真实海况下柔性管缆运动的实验装置，因此，亟需逐渐构建完善的实验装置和方法对海洋柔性管缆进行实验测试，研究海洋柔性管缆的弯曲滞回力学行为特征以及对线型整体响应的影响规律，从而全面掌握柔性管缆相关力学性能的实验试验关键技术，进而为实现我国海洋高端设备柔性管缆的设计提供实验方法支撑。
技术实现思路
根据上述海洋柔性管缆设计分析面临的问题，提供一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置与方法。拉伸和弯曲是管缆在位运行时常见的力学行为特征以及失效发生的主要诱导因素。在上述荷载作用下管缆层间及层内构件之间存在挤压接触与摩擦行为。当弯曲曲率较小时，构件之间依靠摩擦力牵制在一起，摩擦力足够抵抗其相对位移，呈现绑定状态。当曲率达到一定程度时，构件之间相互作用挣脱静摩擦力开始发生相对滑动；各构件绕其相应中轴线发生复杂弯曲行为，直到进入全滑动状态，使整个管缆结构呈现非线性力学行为特征。而且，由于受到海洋环境荷载的往复作用，弯曲行为常常伴随滞回效应。因此试验设备需要能够还原柔性管缆在真实海洋环境下的受力状态，一方面可以模拟浮体牵引管缆的往复运动或水平运动，另一方面也可以模拟海浪作用下柔性管缆与浮体连接处的摆动状态。考虑到海洋柔性管缆和浮体的结构尺寸通常较大，实验室无法实现原型结构复现。因此，实验装置和方法需要采用缩比模拟实验。一方面基于几何相似性模拟船体和柔性管缆结构，另一方面，基于动力相似模拟波浪作用下的海洋环境。采用截面尺寸较小的线缆(钢丝绳或者其它塑料材料构成的螺旋缠绕结构)模拟海洋柔性管缆结构，采用滑动块模拟顶端与浮体连接处的船体。上部运动装置可以模拟浮体的转动和漂移，下部重力块用来模拟海洋柔性管缆重力引起的张力，上述装置均置于透明水槽(表面具有刻度可用于标记线缆变形形态)中，用于模拟海洋环境。同时采用具有相同截面刚度的细长结构模拟忽略弯曲滞回效应的整体动态响应。对于缩比模型的几何相似，确保与长度相关的参量具有相同的比例。，其中下标p表示原型，m表示模型，则结构原型和模型的长度、面积和体积之间有如下关系：而对于运动相似，模型流场和原型流场具有相同的速度场，流场中对应的某一空间质点的速度方向相同，速度大小比例设定为ξ。相应时间和加速度的对应关系如下：因此，在保证原型和模型动力响应(如图2所示)一致的情况下，存在假定模拟1000水深柔性管缆的应用情况，模型截面几何比尺λ＝10。根据实际工程经验，假定柔性管缆单位长度重量100kg/m，因此，下部重力块质量范围为0～100kg/m。根据大型船体RAO响应，可知上部用于模拟船体运动的滑动块速度变化范围为0～1m/s。此外，为了实现上述转速，所配置的转动电机提供的扭矩需要满足500N·m。实验过程中，为了测试弯曲滞回效应对线缆整体动态响应的影响，需要配置相关物理量测量设备。在给定可移动装置运动时程的情况下，全程录像记录线缆变形形态，通过水槽表面刻度描点测算线缆最大弯曲曲率。同时，采用张力、应变片、加速度、倾角等传感器以便提取线缆相关力学性能参数指标(中间或直接物理量)。在确保上述传感器设备防水性能优良，可实现相应测量功能后，实时采集设备上的相关数据随时间的变化。最后，对所得数据进行分析处理并通过比较分析，分析线缆截面弯曲行为滞回效应对整体动态响应的影响规律。本专利技术采用的技术手段如下：一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置，包括：可移动装置，其上设有一端与其连接的线缆，所述线缆的另一端伸入至透明水槽内且设有重块；直线运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿直线运动；往复运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿所述直线往复运动；以及，摆动运动机构，其用于驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动。所述直线运动机构和所述往复运动机构不同时与所述可移动装置连接。所述可移动装置包括可与所述直线运动机构连接的第一平动板、可与所述往复运动机构连接的第二平动板和位于所述第一平动板和所述第二平动板之间摆动板；所述摆动板的两端分别通过转轴与所述第一平动板和所述第二平动板旋转连接；所述摆动板的下端设有与所述线缆一端连接的防弯器；所述第一平动板和所述第二平动板远离所述摆动板的一端通过滑块与直线滑轨滑动连接。所述直线运动机构包括直线电机，所述直线电机的输出端与丝杆螺杆连接，所述丝杆螺杆上设有与所述第一平动板连接的滑块可拆连接的丝杆螺母。所述往复运动机构包括：第一旋转圆盘，所述第一旋转圆盘上设有沿其半径延伸的第一滑槽，所述第一滑槽设有一端位于所述第一滑槽内且垂直于所述第一旋转圆盘旋转平面的第一外延柱，所述第一外延柱可沿所述第一滑槽调整其轴线与所述第一旋转圆盘旋转轴线之间的距离；还包括用于驱动所述第一旋转圆盘旋转的第一电机以及L型连杆，所述L型连杆的其中一个支杆与所述第一外延柱旋转连接且轴线互相垂直，所述L型连杆的另外一个支杆与所述第二平动板连接的滑块旋转且可拆连接；所述直线平行于所述第一旋转圆盘旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置，其特征在于，包括：可移动装置，其上设有一端与其连接的线缆，所述线缆的另一端伸入至透明水槽内且设有重块；/n直线运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿直线运动；/n往复运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿所述直线往复运动；/n以及，摆动运动机构，其用于驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动。/n

【技术特征摘要】
1.一种海洋柔性管缆弯曲滞回效应缩比模型实验测试装置，其特征在于，包括：可移动装置，其上设有一端与其连接的线缆，所述线缆的另一端伸入至透明水槽内且设有重块；
直线运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿直线运动；
往复运动机构，其用于驱动所述可移动装置沿所述直线往复运动；
以及，摆动运动机构，其用于驱动所述可移动装置在竖直平面内往复旋转摆动。


2.根据权利要求1所述的实验测试装置，其特征在于：所述直线运动机构和所述往复运动机构不同时与所述可移动装置连接。


3.根据权利要求1或2所述的实验测试装置，其特征在于，所述可移动装置包括可与所述直线运动机构连接的第一平动板、可与所述往复运动机构连接的第二平动板和位于所述第一平动板和所述第二平动板之间摆动板；
所述摆动板的两端分别通过转轴与所述第一平动板和所述第二平动板旋转连接；
所述摆动板的下端设有与所述线缆一端连接的防弯器；
所述第一平动板和所述第二平动板远离所述摆动板的一端通过滑块与直线滑轨滑动连接。


4.根据权利要求3所述的实验测试装置，其特征在于，所述直线运动机构包括直线电机，所述直线电机的输出端与丝杆螺杆连接，所述丝杆螺杆上设有与所述第一平动板连接的滑块可拆连接的丝杆螺母。


5.根据权利要求3所述的实验测试装置，其特征在于，所述往复运动机构包括：
第一旋转圆盘，所述第一旋转圆盘上设有沿其半径延伸的第一滑槽，所述第一滑槽设有一端位于所述第一滑槽内且垂直于所述第一旋转圆盘旋转平面的第一外延柱，所述第一外延柱可沿所述第一滑槽调整其轴线与所述第一旋转圆盘旋转轴线之间的距离；
还包括用于驱动所述第一旋转圆盘旋转的第一电机以及L型连杆，所述L型连杆的其中一个支杆与所述第一外延柱旋转连接且轴线互相垂直，所述L型连杆的另外一个支杆与所述第二平动板连接的滑块旋转且可拆连接；
所述直线平行于所述第一旋转圆盘旋转平面。


6.根据权利要求3所述的实验测试装置，其特征在于，所述摆动运动机构包括与所述第一平动板或所述第二平动板连接的高台平板，所述高台平板上设有驱动第二旋转圆盘旋转的第二电机；
所述第二旋转圆盘上设有沿...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志勋，秦安壮，阎军，史冬岩，卢青针，杨钰城，陈金龙，吴尚华，胡海涛，英玺蓬，周保顺，苏琦，步宇峰，何东泽，岳前进，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23