模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡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均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，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。本发明专利技术设定参数模拟模型结构性能，取代传统自激振荡装置中繁琐的试验操作，加快了试验进度，并为模型选择提供了很大的自由度；模拟两立管之间相互干扰下的自激振荡的特殊工况；采用大尺度立管分段，减小尺度效应；采用端部假体装置，解决模型边界效应问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋工程
，具体是一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置。
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。由于实际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。另外，在海洋结构物中，存在着多个临近圆柱相互干扰的情况，比如半潜平台的四个立柱，以及张力腿平台的众多张力腿。由于圆柱体之间的相互影响，双圆柱体或者多圆柱体的涡激振动的振动机理及现象相对于单圆柱体而言更加复杂。目前国内外研究者对双圆柱体的涡激振动激励及现象进行了一定的研究，发现用理论进行准确预测几乎是不可能的，试验才是最有效的研究方式。但是，现有的研究装置普遍存在以下不足：（1）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）难以模拟两个圆柱相互干扰等特殊海况；（4）受试验装置尺寸限制，模型的长细比较小，尺度效应较大。（5）由于试验装置的复杂性，双圆柱体的自激振荡试验很少。
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，提供了一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，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，简而言之无法较真实地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。根据本专利技术提供的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，包括第一深海立管模块、第二深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、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，所述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，所述第二深海立管模块两端分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块连接；所述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，所述第二垂直滑动模块分别与第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，所述第三垂直滑动模块分别与第三端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第四垂直滑动模块分别与第四端部假体模块和第二水平滑动模块连接；所述实时控制系统分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块相连接；所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括三分力仪，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括动力组件，所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括动力组件，所述实时控制系统模块包括：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；数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块的三分力仪、第二端部假体模块的三分力仪、第三端部假体模块的三分力仪、第四端部假体模块的三分力仪、第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件以及第二水平滑动模块的动力组件相连接，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与所述第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件和第二水平滑动模块的动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接；其中，所述运动控制器用于指挥第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块执行垂直方向上的涡激振动。优选地，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均包括：两个立管固定接头和深海立管模型，所述两个立管固定接头分别连接在深海立管模型的两端，所述第一深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块相连接，所述第二深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块相连接；所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第一水平滑动模块垂直安装，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第二水平滑动模块垂直安装。优选地，所述深海立管模型直径为250毫米，其长度为2米。优选地，所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪与三分力仪固定板相连；三分力仪固定板的一端与三分力仪连接，三分力仪固定板的另一端与楔块固接；楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和固定模块固接，假体外筒轴心线与挡流板平面的法线重合，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，三分力仪与楔块侧面垂直固定；第一端部假体模块的三分力仪和第二端部假体模块的三分力仪分别连接在第一深海立管模块的两端，第三端部假体模块的三分力仪和第四端部假体模块的三分力仪分别连接在第二深海立管模块的两端。优选地，所述第二端部假体模块与第一端部假体模块成镜像对称结构，其中，第一端部假体模块的调整组件与第一垂直滑块模块固接，第二端部假体模块的调整组件与第二垂直滑块模块固接；所述第三端部假体模块与第一端部假体模块为同向结构；所述第...

【技术保护点】
一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，包括第一深海立管模块、第二深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、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，所述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，所述第二深海立管模块两端分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块连接；所述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，所述第二垂直滑动模块分别与第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，所述第三垂直滑动模块分别与第三端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第四垂直滑动模块分别与第四端部假体模块和第二水平滑动模块连接；所述实时控制系统分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二水平滑动模块相连接；所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块均包括三分力仪，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括动力组件，所述第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括动力组件，所述实时控制系统模块包括：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；数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块的三分力仪、第二端部假体模块的三分力仪、第三端部假体模块的三分力仪、第四端部假体模块的三分力仪、第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件以及第二水平滑动模块的动力组件相连接，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接；运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与所述第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件和第二水平滑动模块的动力组件相连接；显示器与RTOS系统相连接；其中，所述运动控制器用于指挥第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块执行垂直方向上的涡激振动。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装置，其特征在于，
包括第一深海立管模块、第二深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、
第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三
垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、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，所述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，所述第二深海立管模块两端分别与第三端部假体模块和第四端部假体模块连
接；所述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，所述第
二垂直滑动模块分别与第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，所述第三垂直滑动
模块分别与第三端部假体模块和第一水平滑动模块连接，所述第四垂直滑动模块分别与
第四端部假体模块和第二水平滑动模块连接；所述实时控制系统分别与第一端部假体模
块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模块、第一垂直滑动模块、
第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块、第一水平滑动模块和第二
水平滑动模块相连接；
所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第四端部假体模
块均包括三分力仪，所述第一水平滑动模块和第二水平滑动模块均包括动力组件，所述
第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块均包括
动力组件，所述实时控制系统模块包括：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；数据采集处理器的输入端分别与所述第一端部假体模块的三分力仪、
第二端部假体模块的三分力仪、第三端部假体模块的三分力仪、第四端部假体模块的三
分力仪、第一垂直滑动模块的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动
模块的动力组件、第四垂直滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件以及第
二水平滑动模块的动力组件相连接，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接；运
动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与所述第一垂直滑动模块
的动力组件、第二垂直滑动模块的动力组件、第三垂直滑动模块的动力组件、第四垂直
滑动模块的动力组件、第一水平滑动模块的动力组件和第二水平滑动模块的动力组件相
连接；显示器与RTOS系统相连接；其中，所述运动控制器用于指挥第一垂直滑动模块、
第二垂直滑动模块、第三垂直滑动模块、第四垂直滑动模块执行垂直方向上的涡激振动。
2.根据权利要求1所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装
置，其特征在于，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均包括：两个立管固定接
头和深海立管模型，所述两个立管固定接头分别连接在深海立管模型的两端，所述第一
深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块
相连接，所述第二深海立管模块通过两端的立管固定接头分别与第三端部假体模块和第
四端部假体模块相连接；所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第一水平滑动
模块垂直安装，所述第一深海立管模块和第二深海立管模块均与第二水平滑动模块垂直
安装。
3.根据权利要求2所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装
置，其特征在于，所述深海立管模型直径为250毫米，其长度为2米。
4.根据权利要求1所述的模拟均匀流下两立管模型相互干扰下自激振荡的试验装
置，其特征在于，所述第一端部假体模块、第二端部假体模块、第三端部假体模块、第
四端部假体模块均包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组
件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪与三分力仪固定
板相连；三分力仪固定板的一端与三分力仪连接，三分力仪固定板的另一端与楔块固接；
楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连
接，固定板通过垫板与楔块...

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