[发明专利]一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置

说明书

本发明涉及一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，该装置主要包括连接支撑系统、采集与控制系统、三自由度驱动系统。连接支撑系统中的油气管柱刚性体受到流体作用力，称重传感器和扭力传感器将流体作用力信息传入采集与控制系统，采集与控制系统根据虚拟设定的质量、阻尼、刚度等参数，开展海洋油气管柱刚性体动力学仿真，并根据动力学仿真结果控制三自由度驱动系统驱动油气管柱刚性体运动。本发明融合数值仿真法与水槽试验法，数值仿真法实现刚性体结构参数的可调可控，水槽试验法可快速测试刚性体的流体载荷，进而快速实现不同参数下的海洋油气管柱刚性体流固耦合试验，为海洋油气管柱流固耦合研究提供重要支撑。

技术领域

本发明涉及一种管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，尤其是一种用于海洋油气管柱刚性体领域的流固耦合半物理仿真试验装置。

背景技术

海洋油气管柱是连接海面平台海底井口的关键装备，当海流流经海洋油气管柱时，海水会在油气管柱后方产生漩涡释放，释放的漩涡引起油气管柱的振动，反过来油气管柱的振动又影响漩涡脱落，形成复杂的流固耦合现象。海洋油气管柱作为大变形非线性柔性体，其流固耦合问题十分复杂，为了逐步简化开展海洋油气管柱流固耦合研究，一般先取一段海洋油气管柱作为刚性体，开展海洋油气管柱刚性体与海水之间的流固耦合研究，作为海洋油气管柱柔性体流固耦合研究的基础。海洋油气管柱刚性体的流固耦合研究方法主要包括数值仿真法和水槽试验法，采用数值仿真法时可以任意控制刚性体的质量、刚度、阻尼等参数，但流场分析效率低，水槽试验法的优缺点恰好与数值仿真法相反。为了集成数值仿真法和水槽试验法的优点，提出一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，通过数值仿真模拟刚性体在不同质量、刚度和阻尼下的响应，实现了参数可调可控；通过水槽试验直接测试刚性体在海水中的响应，实现了流场分析的快速性；进而可快速实现不同参数下的海洋油气管柱刚性体流固耦合仿真与试验测试，为海洋油气管柱刚性体流固耦合研究提供重要支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种流体与固体耦合作用时能模拟固体运动的半物理仿真试验装置。

一种海洋油气管柱刚性体流固耦合半物理仿真试验装置，其特征在于：它包含三自由度驱动系统，连接支撑系统，采集与控制系统。

所述三自由度驱动系统包含电机、电机座、夹持件、工字型二轴滑台，可以实现沿X轴、Y轴以及绕Z轴转动的运动，所述X轴、Y轴、Z轴为三维空间坐标轴，所述电机共三个，分别为电机X、电机Y、电机R_Z，所述工字型二轴滑台分为滑台X、滑台Y，所述滑台X和所述滑台Y均包含导轨、丝杠、丝杠滑块、支撑座、轴承端板、联轴器、底座，所述电机X与所述滑台X上的所述轴承端板通过螺钉固定，所述电机X的电机轴通过所述滑台X上的所述联轴器与所述丝杠连接，驱动所述连接支撑系统沿所述X轴的直线运动，所述电机Y与所述滑台Y上的所述轴承端板通过螺钉固定，所述电机Y的电机轴通过所述滑台Y上的所述联轴器与所述丝杠连接，驱动所述连接支撑系统沿所述Y轴的直线运动，所述电机R_Z与所述电机座通过螺钉固定，所述电机座通过螺钉与所述滑台Y上的所述支撑座通过螺钉固定，所述电机R_Z的电机轴与所述锥形防振架上部通过所述夹持件连接，驱动所述连接支撑系统绕所述Z轴的旋转运动。

所述连接支撑系统包含锥形防振架、承载板、夹紧套、环形滚珠运动件、定位架、连接管柱，所述锥形防振架下端与所述承载板一侧通过焊接固定，所述承载板另一侧与所述定位架通过螺钉连接固定，所述承载板中间有一通孔，所述通孔的直径大于所述连接管柱外径，所述连接管柱从所述承载板中间的所述通孔穿过，所述环形滚珠运动件穿过所述连接管柱，在所述承载板两侧各放置一个所述环形滚珠运动件，由所述环形滚珠运动件的滚珠与所述承载板接触，所述夹紧套有两个，穿过所述连接管柱并分别与两个所述环形滚珠运动件焊接在一起，所述夹紧套夹紧所述连接管柱。