本发明专利技术公开了一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，主要包括海洋立管模型、双层支持装置、双自由度气浮滑轨系统、循环波流水槽和数据测量采集系统。双层支持装置的支持框架横跨于循环波流水槽之上并将支持框架下端与水槽外侧下边缘固定；两套带有空气轴承的双自由度气浮滑轨分别通过螺栓固定在支持框架的上下层，上下两层位置对齐且平行；海洋立管模型竖直固定，且可在竖直方向调节高度；用于数据测量采集的各类传感器分散布置于海洋立管模型、横向滑动的空气轴承的下端和双层的支持框架之中；竖向布置的海洋立管模型部分浸没于循环波流水槽之中。本发明专利技术中在每层各安装一套双自由度气浮滑轨系统从而实现两根海洋立管模型独立的双自由度运动。独立的双自由度运动。独立的双自由度运动。
【技术实现步骤摘要】
海洋立管束涡激振动碰撞测试系统
[0001]本专利技术涉及的是一种海洋工程
的试验装置，具体而言是一套海洋立管束涡激振动碰撞测试系统。
技术介绍
[0002]随着海洋强国战略的提出，加快培育海洋工程发展成为了实现我国海洋强国建设的长远战略抓手。以海洋立管系统为代表的油气资源输送设备是连接海底油气田与上部作业平台的重要媒介，长期服役于恶劣的海洋环境中。随着立管作业水深的增加，深水海流逐渐取代了上层波浪和海面浮体运动，成为了立管系统长期面临的重大环境载荷。在流体力学中，置于一定速度来流中的柱体会在漩涡生成与脱落的作用下受到横向和流向的脉动压力进而引发振动。当漩涡脱落频率与柱体的自振频率相近时，柱体会发生类似于机械振动中的共振现象，产生较大的振幅。柱体的振动又会反过来干涉漩涡脱落与尾流场形态，这种流体
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结构的相互作用问题被称作涡激振动。例如海洋平台立管、拖缆、海底管线和系泊缆索等在海流的作用下都会发生涡激振动，造成显著的疲劳破坏。
[0003]对于由多根立管组成的立管系统而言，涡激振动所导致的管束相互碰撞是在孤立立管研究中所无法考虑的重大结构问题。相较于涡激振动诱发的疲劳累积损伤问题，管束碰撞有着更显著的表现和更严峻的后果，有学者早在上个世纪就提出海洋管束的碰撞破坏能够占到结构总体破坏的30％。因此研究两根或多根立管双自由度涡激振动碰撞具有重大的学术和工程意义。尽管国内外许多科研工作者正在进行海洋立管束涡激振动碰撞的相关研究，理论推导、经验或半经验公式、数值模拟成为了当前该课题研究的主要方法。然而，具有较强非线性的碰撞问题在理论经验和数值模拟层面很难得到全方位的解决，因此开展立管束涡激振动碰撞模型试验成为了该课题研究的重要方法。
[0004]目前，研究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面地观测到涡激振动及其所诱导的碰撞现象、力学响应、发生概率以及尾流结构，进而获得较为可靠的试验结果。试验结果又可用来校验理论经验公式和数值模型的精度。通过试验测试的方式可以更好的探究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的相关机理，为工程实际积累经验。
[0005]经对现有技术文献的检索发现，国内外对于海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的试验研究非常少，实现双自由度涡激振动碰撞试验研究的最大难点在于：1.如何实现多根立管不相互干扰能够独立地振动；2.对每根立管如何实现其能够独立地在横向与流向完成双自由度涡激振动；3.如何实现多根立管在多排布方式，多间距比条件下的相互碰撞。
技术实现思路
[0006]针对海洋立管束双自由度涡激振动碰撞试验研究存在的难点，本专利技术提供了研究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的试验装置，能够实现多圆柱的双自由度振动和碰撞，对海洋立管束的碰撞现象开展试验研究，探究涡激振动碰撞机理、碰撞响应及碰撞概率对
圆柱涡激振动响应和尾流结构的影响，为工程实际提供参考和借鉴。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，包括双层支持装置、循环波流水槽、两个结构相同的海洋立管模型和数据测量采集系统；并设测试中的水流方向为X方向，垂直于水流方向的横向为Y方向；
[0008]所述双层支持装置包括支持框架，所述支持框架上设有两层双自由度气浮滑轨系统，所述两层双自由度气浮滑轨系统包括上层双自由度气浮滑轨系统和下层双自由度气浮滑轨系统，所述上层双自由度气浮滑轨系统包括第一组直线导轨和第二组直线导轨，每组直线导轨包括两个相互平行的直线导轨，
[0009]第一组直线导轨通过导轨支撑座固定在支持框架上，第一组直线导轨的两个直线导轨上均分别设有一个第一空气轴承，所述第一空气轴承与两侧的导轨支撑座之间分别连接有为X方向振动提供恢复刚度的X方向拉簧；
[0010]第二组直线导轨的两个直线导轨固定在第一组直线导轨中的两个第一空气轴承之间，第一组直线导轨与第二组直线导轨正交且处于水平面内，第二组直线导轨的两个直线导轨上均分别设有一个第二空气轴承，两个第二空气轴承之间设有立管模型夹持装置，所述立管模型夹持装置与两个第一空气轴承之间分别连接有为Y方向振动提供恢复刚度的Y方向拉簧；所述立管模型夹持装置的一端设有用于夹持其中一个海洋立管模型的通孔，所述通孔的轴向与水平面垂直；
[0011]所述下层双自由度气浮滑轨系统与所述上层双自由度气浮滑轨系统的结构完全相同、仅在X方向上对称布置，所述下层双自由度气浮滑轨系统中的立管模型夹持装置用于夹持另外一个海洋立管模型；两层双自由度气浮滑轨系统中的两个海洋立管模型在X方向上分别位于两个立管模型夹持装置的相邻端；
[0012]所述海洋立管模型包括同轴设置的有机玻璃薄壁管、接头、法兰盘和螺杆，所述有机玻璃薄壁管的下端密封，所述有机玻璃薄壁管的上端为开口端，所述接头的下端与所述开口端的内壁粘接，所述螺杆的上端穿过所在的立管模型夹持装置上的通孔后用螺母固定，所述螺杆的下端紧密旋入法兰盘上端的螺纹开孔；
[0013]所述数据测量采集系统包括激光位移传感装置、两个三向加速度传感器、两个三轴力传感器、多通道数据采集仪和计算机；所述激光位移传感装置用于采集两个海洋立管模型在X方向和Y方向上的位移量；所述三向加速度传感装置用于采集两个海洋立管模型的运动加速度；所述三轴力传感器用于采集两个海洋立管模型的受力情况。
[0014]进一步讲，本专利技术所述的海洋立管涡激振动碰撞测试系统，其中：
[0015]所述的循环波流水槽包括造波/流泵、导流板和消波器，用于提供试验所需的来流条件。
[0016]所述激光位移传感装置、三向加速度传感器和三轴力传感器均连接至所述的多通道数据采集仪，所述多通道数据采集仪与所述计算机相连，所述计算机安装有数据采集分析软件。
[0017]所述数据采集分析软件采用东华测试
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DHDAS动态信号采集分析系统。
[0018]所述激光位移传感装置包括安装在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个第一激光位移传感器和两个第二激光位移传感器，与上述每个激光位移传感器对应的位置设有一个激光反射板，所述的第一激光位移传感器和两个对应位置的激光反射板用于监测两个海
洋立管模型在X方向上的运动位移，两个第二激光位移传感器和两个对应位置的激光反射板用于监测两个海洋立管模型在Y方向上的运动位移。
[0019]所述的第一激光位移传感器通过第一激光位移传感器支座固定在所述支持框架上的支撑横梁上，与所述的第一激光位移传感器位置对应的第一激光反射板与第二组直线导轨平行；所述的第二激光位移传感器通过第二激光位移传感器支座固定在所述支持框架上，与所述的第二激光位移传感器位置对应的第二激光反射板与第一组直线导轨平行。
[0020]两个三向加速度传感器分别固定在两层双自由度气浮滑轨系统中的两个立管模型夹持装置上表面中部。
[0021]两个三轴力传感器分别固定在两个海洋立管模型上。
[0022]所述第一空气轴承和第二空气本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，包括双层支持装置、循环波流水槽、两个结构相同的海洋立管模型(1)和数据测量采集系统；并设测试中的水流方向为X方向，垂直于水流方向的横向为Y方向；其特征在于：所述双层支持装置包括支持框架(2)，所述支持框架(2)上设有两层双自由度气浮滑轨系统，两层双自由度气浮滑轨系统包括上层双自由度气浮滑轨系统和下层双自由度气浮滑轨系统，所述上层双自由度气浮滑轨系统包括第一组直线导轨(31)和第二组直线导轨(32)，每组直线导轨包括两个相互平行的直线导轨；第一组直线导轨(31)通过导轨支撑座(5)固定在支持框架(2)上，第一组直线导轨(31)的两个直线导轨上均分别设有一个第一空气轴承(41)，所述第一空气轴承(41)与两侧的导轨支撑座(5)之间分别连接有为X方向振动提供恢复刚度的X方向拉簧(171)；第二组直线导轨(32)的两个直线导轨固定在第一组直线导轨中的两个第一空气轴承(41)之间，第一组直线导轨(31)与第二组直线导轨(32)正交且处于水平面内，第二组直线导轨的两个直线导轨(32)上均分别设有一个第二空气轴承(42)，两个第二空气轴承(42)之间设有立管模型夹持装置(7)，所述立管模型夹持装置(7)与两个第一空气轴承(41)之间分别连接有为Y方向振动提供恢复刚度的Y方向拉簧(172)；所述立管模型夹持装置(7)的一端设有用于夹持其中一个海洋立管模型(1)的通孔，所述通孔的轴向与水平面垂直；所述下层双自由度气浮滑轨系统与所述上层双自由度气浮滑轨系统的结构相同、且在X方向上对称布置，所述下层双自由度气浮滑轨系统中的立管模型夹持装置用于夹持另外一个海洋立管模型(1)；两层双自由度气浮滑轨系统中的两个海洋立管模型(1)在X方向上分别位于两个立管模型夹持装置(7)的相邻端；所述海洋立管模型(1)包括同轴设置的有机玻璃薄壁管(12)、接头(11)、法兰盘(9)和螺杆(8)，所述有机玻璃薄壁管(12)的下端密封，所述有机玻璃薄壁管(12)的上端为开口端，所述接头(11)的下端与所述开口端的内壁粘接，所述螺杆(8)的上端穿过所在的立管模型夹持装置(7)上的通孔后用螺母固定，所述螺杆(8)的下端紧密旋入法兰盘(9)上端的螺纹开孔；所述数据测量采集系统包括激光位移传感装置、两个三向加速度传感器(15)、两个三轴力传感器(10)、多通道数据采集仪和计算机；所述激光位移传感装置用于采集两个海洋立管模型(1)在X方向和Y方向上的位移量；所述三向加速度传感装置用于采集两个海洋立管模型(1)的运动加速度；所述三轴力传感器用于采集两个海洋立管模型(...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐万海，李宇寒，艾化楠，李明鎏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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