模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，该装置测量得到圆柱体的速度和受力，通过求解圆柱体运动方程，得到其在水流作用下的真实运动响应信号，再将此实际运动信号通过伺服电机施加到模型上使其运动，从而模拟了自激振荡运动。试验中通过水平滑动模块用于模拟斜向流，垂直滑动模块用于模拟垂直方向上的涡激振动。本发明专利技术设定参数模拟模型结构性能，取代了传统自激振荡装置中繁琐的试验操作，加快了试验进度，并为振动系统参数的选择提供了很大的自由度；真实模拟立管横向的涡激振动；模拟斜向流特殊工况；采用大尺度立管分段，减小尺度效应；采用端部假体装置，解决模型边界效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋工程领域，具体是一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置。
技术介绍
实际海洋环境中的立管为长细柔性结构，在洋流的作用下会产生涡激振动，振动引起的结构疲劳或可能的共振等将对海洋结构物的安全造成极大威胁。涡激振动对于处在海洋的立管而言是自激产生的。由于实尺度试验条件的限制，目前主要通过模型试验和数值模拟对柔性立管的涡激振动现象进行研究。模型试验将柔性立管分为多段，假设每一段为刚性圆柱体，对圆柱进行强迫振荡试验或者自激振荡试验，但是带有缩尺比的模型试验并不能准确地预报真实海况下的圆柱的动力响应；数值模拟手段则缺乏试验验证其计算结果的可靠性，且其中对流体粘性等问题的处理目前仍不完善。现有的传统自激振荡试验研究装置普遍存在以下不足：（1）局限于立管分段模型的实际结构性能，只能测得具有既定结构性能参数的立管的涡激振动响应，降低了普适性，而更换立管、弹簧、阻尼器等将消耗大量时间，拖延试验进度；（2）只能依照设定的工况使分段模型以既定的周期强迫振动，无法测得分段模型在来流作用下真实的响应；（3）只能进行一个自由度的振动模拟，难以反映立管真实的运动特性；（4）难以模拟来流不垂直于结构物等特殊海况；（5）受试验装置尺寸限制，模型的长细比较小，尺度效应较大。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中存在的问题，提供一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，旨在结合模型试验与数值模拟，通过力的测量和高带宽反馈，实时数值模拟具有虚拟结构参数的立管的运动特性，解决现有试验装置局限于模型实际结构性能，只能进行既定周期的强迫振动，局限于顺流单自由度振动的模拟，尺度效应较大，简而言之无法较真实的模拟立管处于实际海况中的运动问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的，一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，设置在拖车上，包括：深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和实时控制系统模块，深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接；第一端部假体模块和第二端部假体模块分别与第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块连接，且第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块均与深海立管模块呈一定角度；第一水平滑动模块与第一垂直滑动模块连接，并固接至拖车底部一端，第二水平滑动模块与第二垂直滑动模块连接，并固接至拖车底部另一端；实时控制系统模块设置于拖车上，分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块以及第二水平滑动模块连接，其进一步包括：RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，其中：RTOS系统依次连接数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，用以负责数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器之间的数据传输；数据采集处理器的输入端分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块连接，输出端与RTOS系统相连接，用以采集深海立管模块在均匀流中的受力和实时运动速度，并经过实时滤波、降噪以及作用力成分分析，得到力参量和速度参量发送至RTOS系统；数值模拟运算器与RTOS系统连接，用以设定深海立管模块的虚拟质量、阻尼刚度系数等参数并发送至RTOS系统，以及，接收RTOS系统发送由数据采集处理器得到的力参量和速度参量，并求解运动方程，得到深海立管模块下一时刻的运动速度发送至RTOS系统；所述运动控制器的输入端与所述RTOS系统连接，输出端分别与第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块连接，用以根据接收到的所述RTOS系统发出的由所述数值模拟运算器得到的设定结果以及计算结果，分别向所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块输出运动指令。显示器与RTOS系统连接，用以对RTOS系统发出的由数据采集处理器得到的力参量和速度参量，以及运动控制器发出的控制指令进行显示。优选地，该深海立管模块包括：深海立管模型和两个用以连接第一端部假体模块和第二端部假体模块的立管固定接头，两个立管固定接头分别连接在海立管模型的两端。优选地，该深海立管模型直径150毫米-300毫米，长度为1米-3米。优选地，该第一端部假体模块和第二端部假体模块包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、连接圆管、楔块、传感器固定板、挡流板、滑块固定块和滑块固定板，其中：假体外筒与传感器固定板固定，三分力仪分别与深海立管模块中对应的立管固定接头和三分力仪固定板的一端相连；三分力仪固定板的另一端与连接圆管固接，连接圆管另一端与楔块固接；楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧通过传感器固定板与挡流板固接，滑块固定块的一端与挡流板另一侧的楔块连接；另一端固接于滑块固定板内侧，滑块固定板的外侧和垂直滑动模块固接；假体外筒轴心线与档流板平面的法线成一定夹角，三分力仪固定板中心线及三分力仪中心线均与假体外筒轴心线重合。优选地，该第一端部假体模块和第二端部假体模块成镜像对称结构。优选地，该第一水平滑动模块和第二水平滑动模块包括：齿条、第一动力组件、第一法兰装置、滑架、滑架连板、固定座、水平滑动轨道和支撑架组，其中：第一动力组件通过第一法兰装置与水平滑动轨道相连，其传动轴穿过滑架连接至齿条；滑架的一侧滑动支撑在水平滑动轨道上，另一侧与滑架连板的一侧固接；滑架连扳滑动支撑在水平滑动轨道上，且与对应的垂直滑动模块固接；支撑架组上端与拖车固接，下端通过固定座与滑动轨道固接；水平滑动轨道平行于拖曳水池池底，并与对应的垂直滑动模块垂直。优选地，该第一水平滑动模块和第二水平滑动模块成镜像对称结构。优选地，该第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块包括：第二动力组件、第二法兰装置、滑块、导链、垂直滑动轨道、整流罩、固定支架和加强杆，其中：第二动力组件通过第二法兰装置与垂直滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在垂直滑动轨道上，并与对应的端部假体模块的调整组件相固接；垂直滑动轨道垂直于两水平滑动模块构成的平面，其后侧与固定支架连接，两侧安装有整流罩；加强杆两端分别安装在固定支架与对应的水平滑动模块中上。优选地，该第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块成镜像对称结构。本专利技术公开了一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，该...

【技术保护点】
一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，设置在拖车上，其特征在于，包括：深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和实时控制系统模块，所述深海立管模块两端分别与所述第一端部假体模块和第二端部假体模块连接；所述第一端部假体模块和第二端部假体模块分别与所述第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块连接，且所述第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块均与所述深海立管模块呈一定角度；所述第一水平滑动模块与所述第一垂直滑动模块连接，并固接至所述拖车底部一端，所述第二水平滑动模块与所述第二垂直滑动模块连接，并固接至所述拖车底部另一端；所述实时控制系统模块设置于所述拖车上，分别与所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块以及第二水平滑动模块连接，其进一步包括：RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，其中：所述RTOS系统依次连接所述数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，用以负责所述数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器之间的数据传输；所述数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块连接，输出端与RTOS系统相连接，用以采集所述深海立管模块在均匀流中的受力和实时运动速度，并经过实时滤波、降噪以及作用力成分分析，得到力参量和速度参量发送至所述RTOS系统；所述数值模拟运算器与RTOS系统连接，用以设定所述深海立管模块的虚拟质量、阻尼刚度系数等参数并发送至所述RTOS系统，以及，接收所述RTOS系统发送由所述数据采集处理器得到的力参量和速度参量，并求解运动方程，得到所述深海立管模块下一时刻的运动速度发送至所述RTOS系统；所述运动控制器的输入端与所述RTOS系统连接，输出端分别与第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块连接，用以根据接 收到的所述RTOS系统发出的由所述数值模拟运算器得到的设定结果以及计算结果，分别向所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块输出运动指令。所述显示器与RTOS系统连接，用以对所述RTOS系统发出的由数据采集处理器得到的力参量和速度参量，以及所述运动控制器发出的控制指令进行显示。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，设置在拖车上，
其特征在于，包括：深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一
垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和实时
控制系统模块，所述深海立管模块两端分别与所述第一端部假体模块和第二端部假
体模块连接；所述第一端部假体模块和第二端部假体模块分别与所述第一垂直滑动
模块和第二垂直滑动模块连接，且所述第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块均与
所述深海立管模块呈一定角度；所述第一水平滑动模块与所述第一垂直滑动模块连
接，并固接至所述拖车底部一端，所述第二水平滑动模块与所述第二垂直滑动模块
连接，并固接至所述拖车底部另一端；所述实时控制系统模块设置于所述拖车上，
分别与所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直
滑动模块、第一水平滑动模块以及第二水平滑动模块连接，其进一步包括：RTOS系
统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器，其中：
所述RTOS系统依次连接所述数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和
显示器，用以负责所述数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器和显示器之
间的数据传输；
所述数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块、第二端部假体模
块、第一垂直滑动模块和第二垂直滑动模块连接，输出端与RTOS系统相连接，用以
采集所述深海立管模块在均匀流中的受力和实时运动速度，并经过实时滤波、降噪
以及作用力成分分析，得到力参量和速度参量发送至所述RTOS系统；
所述数值模拟运算器与RTOS系统连接，用以设定所述深海立管模块的虚拟质
量、阻尼刚度系数等参数并发送至所述RTOS系统，以及，接收所述RTOS系统发送
由所述数据采集处理器得到的力参量和速度参量，并求解运动方程，得到所述深海
立管模块下一时刻的运动速度发送至所述RTOS系统；
所述运动控制器的输入端与所述RTOS系统连接，输出端分别与第一垂直滑动模
块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块连接，用以根据接

\t收到的所述RTOS系统发出的由所述数值模拟运算器得到的设定结果以及计算结果，
分别向所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平
滑动模块输出运动指令。
所述显示器与RTOS系统连接，用以对所述RTOS系统发出的由数据采集处理器
得到的力参量和速度参量，以及所述运动控制器发出的控制指令进行显示。
2.根据权利要求1所述的模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装
置，其特征在于，所述的深海立管模块包括：深海立管模型和两个用以连接所述第
一端部假体模块和第二端部假体模块的立管固定接头，所述两个立管固定接头分别
连接在海立管模型的两端。
3.根据权利要求2所述的模拟斜向均匀流下深海立管横向自激振动的试验装
置，其特征在于，所述深海立...

【专利技术属性】
技术研发人员：付世晓，陈希恰，许玉旺，钟芊，位巍，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：