[发明专利]一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，具体地涉及一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应，同时监测涡激振动(VIV)的实验装置。

背景技术

在风浪流的作用下，海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运动，从而在立管运动方向上产生相对振荡来流，这种振荡来流将激励立管悬垂段发生“间歇性”的涡激振动。近几年来，随着深海石油系统的开发，工程上开始大量采用悬链式立管。深水环境中的立管可视为细长柔性结构，此时小变形理论不再适用，这使得立管的涡激振动问题更加突出，因此对于细长柔性立管顶部平台作用下的整体涡激振动响应特性的分析是其能否应用于工程实践的关键所在。

以往预报细长海洋结构物的涡激振动危害最常用的方法是数值计算SHEAR7、VIVA、VIVANA，这种通过理论公式来预测荷载和响应的方法至今仍具有很大的不确定性。目前为止，对柔性管涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。模型试验中观察到的现象更接近于自然界的真实情况。通过对现有技术的检索，立管模型试验一般在拖曳海洋工程深水池中进行，有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动的测试。发表于“Applied Ocean Research(2013)”43刊中的论文“Experiments with a steel catenary riser model in a towing tank”(拖曳水池中的细长柔性立管模型实验),在拖曳水池中通过运行与立管相连接的车厢来模拟立管周围的稳定流场，在立管上安装微型加速度测量仪监测立管的状态。分析此种测试技术，发现其不足点在于：1、考虑到拖曳水池的深度，一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效地进行实雷诺数下的涡激振动测试；2、不易于布置立管周围的水下监控设备，在进行缓波型立管模型测试时不能调节立管的形状；3、不能进行一定流速下的强迫振荡实验；4、在实验中安装立管过程较复杂；5、不能有效模拟海洋平台的运动。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应，同时监测VIV的装置，旨在分析细长柔性立管在斜向水平强迫振荡作用下的整体涡激振动响应特性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种水平斜向强迫振荡下测量细长立管动力响应装置，包括深海立管模块，顶部边界模块，底部边界模块，固定模块，顶部滑动模块，底部固定模块，测量分析控制模块，其中：深海立管模块两端分别与顶部边界模块和底部边界模块相连接，且立管所在平面与底部固定模块中的底部固定轨道所在平面成一定夹角，固定模块与顶部边界模块和顶部滑动模块相连接，顶部滑动模块和拖车底部固定端相连接，底部固定模块与底部边界模块和水池小假底相连接，深海立管模块分别与固定模块、顶部滑动模块和底部固定模块成一定夹角，测量分析控制模块分别与深海立管模块、顶部边界模块、底部边界模块、固定模块、顶部滑动模块、底部固定模块相连接。

所述深海立管模块包括：深海立管模型，光纤传感器，其中光纤传感器布置在深海立管上，立管的顶端和顶部边界模块相连接，立管的底部和底部边界模块相连接，且立管所在平面与底部固定轨道所在平面成一定夹角。

所述的顶部边界模块包括：顶部夹具外缘、顶部夹具底板、第一垫板、第一万向节固定板、第一万向节转动装置、第二万向节固定板、第一三分力仪固定板、第一三分力仪、第一调整组件、第一楔块，其中，顶部夹具外缘和深海立管模型相连接，两者成一定夹角，顶部夹具底板与顶部夹具外缘固接，并与第一垫板相连接，第一万向节固定板与第一垫板和第一万向节转动装置相连接，第一万向节转动装置与第一万向节固定板和第二万向节固定板固接，第二万向节固定板和第一三分力仪固定板一侧连接，第一三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接，三分力仪的末端与第一调整组件相连接，第一调整组件的另一侧固接在第一楔块上，第一楔块的侧面固定在固定模块上。

所述的底部边界模块包括：底部夹具外缘、，底部夹具底板、第二垫板、第三万向节固定板、第二万向节转动装置、第四万向节固定板、第二三分力仪固定板、第二三分力仪、底部固定板，其中，底部夹具外缘和深海立管模型相连接，两者成一定夹角，底部夹具底板与底部夹具外缘固接，并与第二垫板固接，第三万向节固定板与第二垫板和第二万向节转动装置相连接，第二万向节转动装置与第三万向节固定板和第四万向节固定板固接，第四万向节固定板和第二三分力仪固定板一侧连接，第二三分力仪固定板的另一侧和第二三分力仪连接，第二三分力仪的末端与底部固定板相连接，底部固定板焊接在底部固定模块上。