实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，包括：物理实验系统包括作动器模块

【技术实现步骤摘要】
实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置


[0001]本专利技术涉及海洋工程
，具体地，涉及一种是实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置
。

技术介绍

[0002]海洋立管是典型的圆柱状细长结构物，该结构在洋流的作用下会发生显著的涡激振动现象，涡激振动是导致这类结构物结构疲劳的损伤的重要原因
。
[0003]为了揭示这种细长圆柱体涡激振动特性，目前主要通过机理性模型实验进行探究
。
尽管目前工业和学术界开展大量的刚性圆柱体自激振荡实验研究，然而，超高实尺度雷诺数下刚性圆柱体的涡激振动力学行为认识仍不清楚
。
经过现有技术文献的检索发现，当前对刚性圆柱体涡激振动现象的研究大多局限在低雷诺数
(Re
～
104)
量级
。
在
1999
年第
13
期
《Journal of Fluids and Structures》
杂志中的论文“Motions,Forces and Mode Transitions in Vortex
‑
induced Vibrations at Low Mass
‑
damping”(
低质量比下涡激振动运动，载荷和模式转换
)
关于圆柱体涡激振动的实验研究
。
文中提到的实验装置和实验方法，采用单个三分力传感器，一端与空气轴承法兰相连，一端固定连接刚性圆柱体模型
。
模型直径为
5.08cm
，长度为
43.18cm
，实验中为了调节约化速度范围，不得不改变流速，致使雷诺数也发生改变
。
[0004]经分析，上述实验装置和实验方法的不足之处为：
(1)
传统悬臂式的实验装置，传感器在测量过程中会受到弯矩作用，在高雷诺数刚性柱体实验中，将极大影响实验精度；
(2)
传统自激振荡实验只能被动接受真实物理模型真实的质量，以及边界采用物理弹簧所具有的刚度和整体系统的阻尼情况，更换刚性圆柱体
、
弹簧以及降低或增大系统阻尼等将消耗大量时间，影响实验进度；
(3)
实验当中，由于无法更换弹簧等物理构建，约化速度调节方式仅能通过改变流速方式进行，导致无法开展定雷诺数下系列参数实验；
(4)
受实验装置尺寸限制，模型管径较小，尺度效应较大；
(5)
真实大质量比刚性圆柱体实际物理模型质量巨大，将导致实验装置强度和刚度要求极高
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置
。
[0006]根据本专利技术提供的一种实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，包括：数值控制系统和物理实验系统；
[0007]所述物理实验系统包括作动器模块
、
滑架模块以及刚性圆柱体测试模块，所述作动器模块与滑架模块连接，并驱动滑架模块运动，所述刚性圆柱体测试模块与所述滑架模块固定连接；所述数值控制系统包括上位机和运动传递函数解算模块，所述上位机实时采集所述刚性圆柱体测试模块采集的水动力载荷，通过运动传递函数解算模块实时将水动力载荷换算为刚性圆柱体弹性系统动态运动响应，并产生刚性圆柱体实时运动响应指令，所
述作动器模块根据刚性圆柱体实时运动响应指令实时响应
。
[0008]优选地，所述数值控制系统还包括运动控制器和伺服驱动器；
[0009]所述上位机获取输入的刚性圆柱体虚拟质量
、
边界虚拟刚度和系统阻尼参数，所述运动控制器将刚性圆柱体实时运动响应指令下达至伺服驱动器，所述伺服驱动器控制所述作动器模块产生响应
。
[0010]优选地，所述运动传递函数解算模块根据第
i
时刻测量的水动力载荷
F(t
i
)
以及第
i
时刻的杜哈梅积分系数
A(t
i
)
和
B(t
i
)
，解算第
i+1
时刻的运动指令
X(t
i+1
)
和杜哈梅积分系数
A(t
i+1
)
和
B(t
i+1
)
：
[0011][0012][0013]X(t
i+1
)
＝
A(t
i+1
)sin
ω
D
t
i+1
‑
B(t
i+1
)cos
ω
D
(t
i+1
)
[0014]其中，
[0015][0016]m
，
c
，
k
分别为用户在上位机设定的刚性圆柱体虚拟质量，系统阻尼系数和边界弹性刚度；
m
a
为虚拟刚性圆柱体物理模型的真实质量；
dt
为运动控制器运动指令刷新的时间步长
。
[0017]优选地，所述顶部固定结构模块包括框架结构工件，长条定位法兰板
、
直线轨道和第一滑块，多个所述长条定位法兰板平行设置在所述框架结构工件上，所述直线轨道固定设置在所述长条定位法兰板上，每个直线轨道上均设置有多个第一滑块，所述滑架模块与第一滑块固定连接
。
[0018]优选地，所述作动器模块包括伺服电机
、
减速机
、
电机转接法兰和直线模组，所述伺服电机的驱动端通过减速机与电机转接法兰连接，所述电机转接法兰与所述直线模组连接，驱动直线模组运动，所述直线模组与所述滑架模块固定连接，所述伺服驱动器与所述伺服电机电连接
。
[0019]优选地，所述刚性圆柱体模块包括测试模块包括端部桁架结构
、
第三法兰板
、
上部挡流板
、
刚性圆柱体模块
、
下部挡流板以及第四法兰；
[0020]所述端部桁架结构的一端与所述滑架模块固定连接，所述端部桁架结构的另一端与第三法兰板固定连接，所述上部挡流板固定安装在所述第三法兰板上，所述刚性圆柱体模块的一端固定安装在所述第三法兰板上，所述刚性圆柱体模块的另一端与所述下部挡流板以及第四法兰固定连接
。
[0021]优选地，所述刚性圆柱体模块包括水动力圆管
、
泡沫圆管
、
内支撑方管
、
第一限位件
、
第一端部铰接法兰板
、
第一三分力传感器
、
第一内固定件
、
第一外夹法兰板
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，其特征在于，包括：数值控制系统和物理实验系统；所述物理实验系统包括作动器模块
、
滑架模块以及刚性圆柱体测试模块，所述作动器模块与滑架模块连接，并驱动滑架模块运动，所述刚性圆柱体测试模块与所述滑架模块固定连接；所述数值控制系统包括上位机和运动传递函数解算模块，所述上位机实时采集所述刚性圆柱体测试模块采集的水动力载荷，通过运动传递函数解算模块实时将水动力载荷换算为刚性圆柱体弹性系统动态运动响应，并产生刚性圆柱体实时运动响应指令，所述作动器模块根据刚性圆柱体实时运动响应指令实时响应
。2.
根据权利要求1所述的实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，其特征在于，所述数值控制系统还包括运动控制器和伺服驱动器；所述上位机获取输入的刚性圆柱体虚拟质量
、
边界虚拟刚度和系统阻尼参数，所述运动控制器将刚性圆柱体实时运动响应指令下达至伺服驱动器，所述伺服驱动器控制所述作动器模块产生响应
。3.
根据权利要求1所述的实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，其特征在于，所述运动传递函数解算模块根据第
i
时刻测量的水动力载荷
F(t
i
)
以及第
i
时刻的杜哈梅积分系数
A(t
i
)
和
B(t
i
)
，解算第
i+1
时刻的运动指令
X(t
i+1
)
和杜哈梅积分系数
A(t
i+1
)
和
B(t
i+1
)
：：
X(t
i+1
)
＝
A(t
i+1
)sin
ω
D
t
i+1
‑
B(t
i+1
)cos
ω
D
(t
i+1
)
其中，
m
，
c
，
k
分别为用户在上位机设定的刚性圆柱体虚拟质量，系统阻尼系数和边界弹性刚度；
m
a
为虚拟刚性圆柱体物理模型的真实质量；
dt
为运动控制器运动指令刷新的时间步长
。4.
根据权利要求1所述的实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，其特征在于，所述顶部固定结构模块包括框架结构工件，长条定位法兰板
、
直线轨道和第一滑块，多个所述长条定位法兰板平行设置在所述框架结构工件上，所述直线轨道固定设置在所述长条定位法兰板上，每个直线轨道上均设置有多个第一滑块，所述滑架模块与第一滑块固定连接
。5.
根据权利要求2所述的实尺度雷诺数刚性圆柱体自激振动混合虚拟实验装置，其特征在于，所述作动器模块包括伺服电机
、
减速机
、
电机转接法兰和直线模组，所述伺服电机的驱动端通过减速...

【专利技术属性】
技术研发人员：任浩杰，许玉旺，张萌萌，任浩，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：