[发明专利]一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置

说明书

本发明属于自由站立式立管试验技术领域，具体涉及一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置。本发明通过顶部运动模块设定立管顶部激励的幅值和频率，通过预张力调节装置设定立管顶部的张力，通过顶部多管相对位置调节模块和底部多管相对位置调节模块设定立管之间的间距，以此实现模拟真实海洋环境中立管和顶部浮体的连接状态。本发明可根据实验的需要，设定外部条件参数，通过立管周围的电阻应变计和测量分析模块采集到立管各观测点的应变信息，经过进一步的数据处理，即可得到立管的振动位移、频率和模态等相关信息。本发明相对于其它同类装置，更加简化，拆卸方便，工况转化容易。

技术领域

本发明属于自由站立式立管试验技术领域，具体涉及一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置。

背景技术

随着社会进步，经济的迅猛发展，人类对化石能源的需求与日俱增。为了满足经济发展的需要和解决近年来陆上常规资源枯竭导致的能源危机，人们在开发新能源的同时，将油气勘探开发延伸向深海。

我国70％海洋油气资源藏于深海，其中南海所藏石油和天然气资源占据了相当大的份额。但是截止2016年底，我国在南海开发依然止步于浅水区，千米深的深水区油气资源开发依然很少。

自由站立式混合立管(Free Standing Hybrid Riser,FSHR)适合深水开采，其综合刚性和柔性立管优势，具备快速解脱和再连接能力，对浮式平台运动性能要求低(即对锚泊定位精度要求低)，对铺管要求低，可以通过浮式钻井装置安装，受风、波、流等外环境影响小，这些优点使得自由站立式混合立管适合中国南海海域，并特别适合浮式生产储运系统模式。因此，发展自由站立式混合立管适合中国国情，具有重要理论和应用价值。

自由站立式立管是一个运动形式复杂的刚柔耦合多体系统，对于管线顶部，受浮力筒涡激运动主导的动态边界条件影响，对于其管线系统，其受到洋流的作用会发生涡激振动(vortex-induced vibration，简称VIV)现象。因此，基于模型试验探究动态边界耦合效应对立管涡激振动的影响规律，将是一项兼具理论与实际意义的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供能模拟均匀流作用下立管动态边界条件下的涡激振动，并研究其响应特性的一种动态边界条件下海洋柔性结构动力响应实验装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：包括实验装置框架模块、顶部运动模块、顶部多管相对位置调节模块、底部多管相对位置调节模块、测量分析模块和立管；所述的实验装置框架模块包括顶部框架和底部框架，顶部框架与底部框架之间通过支撑框架连接；所述的顶部框架上设有横流向滑动轨道；所述的顶部运动模块包括顺流向滑动轨道和牵引机构；所述的顺流向滑动轨道安装于横流向滑动轨道上方；所述的牵引机构包括顺流向牵引机构和横流向牵引机构；所述的顶部多管相对位置调节模块包括顶部顺流向运动滑块和预张力调节装置；所述的顶部顺流向运动滑块安装在顺流向滑动轨道上；所述的顺流向牵引机构与顶部顺流向运动滑块连接；所述的横流向牵引机构与顺流向滑动轨道连接；所述的顶部顺流向运动滑块上开设有滑槽；所述的预张力调节装置安装于顶部顺流向运动滑块上的滑槽中；所述的底部多管相对位置调节模块包括底部安装板和底部顺流向运动滑块；所述的底部安装板设置在底部框架上；所述的底部安装板上开设有滑槽；所述的底部顺流向运动滑块安装在底部安装板上的滑槽中；所述的立管上端通过连接机构与预张力调节装置连接；立管下端通过连接机构与底部顺流向运动滑块连接；所述的立管上端与预张力调节装置连接处设有拉力传感器；所述的立管表面均匀布置有电阻应变计。

本发明还可以包括：

所述的预张力调节装置包括张紧器、调节螺杆及底部连接件；所述的张紧器包括张紧器底板和张紧器顶板，张紧器底板和张紧器顶板之间通过弹簧连接；所述的张紧器底板设置在顶部顺流向运动滑块上的滑槽上方；所述的调节螺杆的下端穿过张紧器顶板，伸入到弹簧内侧；所述的底部连接件上端与调节螺杆下端连接，底部连接件下端穿过张紧器底板与顶部顺流向运动滑块，并通过连接机构与立管上端连接。