本发明专利技术公开了一种模拟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。本发明专利技术所公开的试验装置，通过设定质量、阻尼、刚度参数模拟模型结构性能，加快了试验进度，并为立管分段模型的选择提供了很大的自由度；采用大尺度立管分段，减小尺度效应；采用端部假体装置，解决了模型边界效应的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋工程领域，具体地涉及一种模拟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。目前现有的研究装置普遍存在以下不足(I)传统自激振荡试验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)难以模拟来流不垂直于结构物等特殊海况；(4)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，尺度效应较大，无法较真实的模拟立管处于实际海况中的问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的，模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，包括第一深海立管模块、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，其中 第一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，第一垂直滑动模块分别与第一端部假体模块和第一水平滑动模块连接，第二垂直滑动模块分别与第二端部假体和第二水平滑动模块连接，第一水平滑动模块与拖车底部一端固定连接并和第一垂直滑动模块连接，第二水平滑动模块与拖车另一端底部固定连接并和第二垂直滑动模块连接，深海立管模块与水平滑动模块垂直安装，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、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块相连接。优选地，所述的深海立管模块包括两个立管固定接头和深海立管模型，其中深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与两个端部假体模块连接。优选地，所述第一端部假体模块包括第一假体外筒、第一三分力仪、第一三分力仪固定板、第一楔块、第一支座、第一调整组件、第一固定板、第一垫板、第一挡流板，其中第一假体外筒与第一挡流板固定，第一三分力仪分别与深海立管模块中的两个固定接头和第一三分力仪固定板相连，第一三分力仪固定板一端与第一三分力仪连接，另一端与第一楔块固接，第一楔块贯穿第一挡流板，并在第一挡流板内侧用第一支座与第一挡流板固接，第一挡流板另一侧的第一楔块与第一垫板连接，第一固定板通过第一垫板与第一楔块固接，第一调整组件分别与第一固定板和第一垂直滑动模块固接，第一假体外筒轴心线与第一档流板平面的法线重合，第一三分力仪固定板中心线及第一三分力仪中心线均与第一假体外筒轴心线重合，第一三分力仪与第一楔块侧面垂直固定；所述第二端部假体模块与第一端部假体模块是镜像对称结构。优选地，所述第一水平滑动模块包括第一齿条、第一水平动力组件、第一水平法兰装置、第一滑架、第一滑架连板、第一水平滑动轨道和第一支撑架组，其中第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑架相连，其传动轴穿过第一滑架连接至第一齿条，第一滑架滑动支撑在第一水平滑动轨道上，并与第一垂直滑动模块相固接，第一滑架连板滑动支撑在第一水平滑动轨道上，与第一滑架连接，并与第一垂直滑动模块固定；第一支撑架组上端与拖车固接，下端与第一水平滑动轨道固接，第一水平滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块垂直。所述第二水平滑动模块与第一水平滑动模块成镜像对称结构。优选地，所述第一垂直滑动模块包括第一垂直动力组件、第一垂直法兰装置、第一滑块、第一导链、第一垂直滑动轨道、第一整流罩、第一固定支架、第一加强杆，其中第一垂直动力组件通过第一垂直法兰装置与第一垂直滑动轨道相连，其旋转轴通过第一导链连接至第一滑块，第一滑块滑动支撑在第一垂直滑动轨道上，并与第一端部假体模块的第一调整组件相固接；第一垂直滑动轨道垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，其另一侧与第一固定支架连接，下端自由悬空，第一垂直滑动轨道的两侧安装有第一整流罩；第一加强杆两端分别安装在第一固定支架与第一水平滑动模块中的第一滑架连板上；所述第二垂直滑动模块与第一垂直滑动模块成镜像对称结构。优选地，所述实时控制系统模块包括RT0S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RT0S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；数据采集处理器的输入端与所述第一端部假体模块的第一三分力仪、第二端部假体模块的第二三分力仪、第一垂直滑动模块中的第一垂直动力组件以及第二垂直滑动模块中的第二垂直动力组件相连接，其输出端与RTOS系统相连接；数值模拟运算器与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，输出端与所述第一垂直滑动模块的第一垂直动力组件和第二垂直滑动模块的第二垂直动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接。本专利技术具有的优点和积极效果是本专利技术将模型试验和数值模拟相结合，采用实时控制系统，实时测量得到模型受来流的作用力、运动的速度和加速度，在反馈程序中定义圆柱体的质量、弹性系数、阻尼系数，通过求解运动方程，得到模型受力后的真实运动特性，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，实现力反馈循环，模拟了模型的自激振动。本专利技术采用的数据采集处理器，可高频采集数据并进行实时滤波、降噪、运算等处理，保证结构物模型运动平稳，逼近结构物真实运动；本专利技术采用的数值模拟运算器，可设定质量、阻尼、刚度系数等结构性能参数，而不涉及到实际的物理模型，因此可以利用同一套试验模型对不同质量、阻尼和弹簧刚度的组合进行更广范围的自激振荡试验，简化了试验操作，加快了试验进度；试验中通过水平滑动模块用于模拟流，垂直滑动模块用于模拟垂直方向上的涡激振动。本专利技术采用20m精密轨道配合运动控制，有利于提高控制精度。此外，本专利技术采用特殊的端部假体装置制造模拟流场，而不直接影响测量装置，解决了试验中模型两边出现的边界效应问题；本专利技术采用的立管分段直径可达250mm，长度可达2m，从而在正常拖车运动速度范围内，雷诺数达106量级,减小了尺度效应。附图说明图1是本专利技术实施例提供的试验装置在拖车上的安装示意图；图2是本专利技术实施例提供的试验装置的结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的试验装置的俯视图；图4是本专利技术实施例提供的深海立管模块的结构示意图；图5是本专利技术实施例提供的端部假体模块的侧视图；图6是本专利技术实施例提供的垂直滑动模块的结构示意图；图7是本专利技术实施例提供的垂直滑动模块的侧视图；图8是本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
模拟均匀流下深海立管横向自激振动的试验装置，其特征在于，所述装置主要由深海立管模块、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，其中：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，第一垂直滑动模块分别与第一端部假体模块和第一水平滑动模块连接，第二垂直滑动模块分别与第二端部假体和第二水平滑动模块连接，第一水平滑动模块与拖车底部一端固定连接并和第一垂直滑动模块连接，第二水平滑动模块与拖车底部另一端固定连接并和第二垂直滑动模块连接，深海立管模块与水平滑动模块垂直安装，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、第二水平滑动模块相连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付世晓，郭飞，许玉旺，张昱，魏汉迪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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