[发明专利]考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置与方法

说明书

本发明属于海洋工程物理模型实验技术领域，具体地涉及一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置与方法，所述的实验装置包括系统升降装置和垂度调节装置。本发明可灵活地调节实验系统高度以研究结构在距海床不同距离的条件下结构动力响应的区别；本发明可灵活地调节柔性细长结构的垂度以研究结构在不同的垂度条件下涡激振动响应的区别；本发明可消除在测量柔性细长结构端部水平初始张力时系统摩擦阻力的影响。

技术领域

本发明属于海洋工程物理模型实验技术领域，具体地涉及一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置与方法。

背景技术

以铺设在海床上的海底电缆为代表的柔性细长结构由于海床的不平整或在水流的持续冲刷下，在其下方常产生悬空段。当流体流经结构的悬空段时，在管段两侧形成交替脱落的漩涡。由于漩涡的脱落，结构在其横流向上受变化的升力的作用，若漩涡脱落频率即结构所受升力的频率与柔性结构所具有的某一阶固有频率接近时，结构发生“锁定”现象。持续的振动易引发结构的疲劳损伤。在实验室内对柔性细长结构在水流冲刷下的涡激振动开展物理模型实验具有重要的工程和科学意义。柔性细长结构在自重和浮力作用下会呈现一定的垂度，这会对结构的固有频率和振型产生影响。在水流的冲刷下，不同垂度的柔性细长结构悬空段的动力响应机理尚不明确，亟需开展物理模型实验进行相关研究工作。

现今已经有一些关于带有一定垂度的柔性结构涡激振动的实验装置，比如中国专利CN112146837A中的一种模拟海底悬跨管振动拍击耦合响应的实验装置及方法，该装置能够预设结构张紧力并在实验中可实时采集张紧力数据，并且可研究结构与海床的拍击作用。但现今的柔性结构涡激振动实验装置往往为确定张紧力后在实验中并不约束结构水平位移。现实中如海缆被冲刷出来的悬跨段虽然其两端的转角约束基本消失，但其轴向位移约束尚在。且现今结构初张力的测量往往包含摩檫力的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于研究柔性细长结构涡激振动动力响应特性、且可调节结构垂度的物理模型试验装置以及实验方法。

本发明的技术方案：

一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置，包括系统升降装置和垂度调节装置。

所述的系统升降装置为左右对称结构，包括左旋转丝杆1、右旋转丝杆11、左导轨2、右导轨12、左滑块3和右滑块13；左导轨2和右导轨12竖直固定在实验台上，左滑块3和右滑块13分别安装在左导轨2和右导轨12上；左滑块3和右滑块13上设有安装孔，左旋转丝杆1和右旋转丝杆11分别安装在左滑块3和右滑块13的安装孔上；实验台上固定有横梁，横梁位于实验水槽的上方，左旋转丝杆1和右旋转丝杆11的顶端安装在横梁上，旋转丝杠带动滑块沿导轨上下移动，从而调节实验系统的高度。

所述的垂度调节装置位于左导轨2和右导轨12之间，用于调节待进行实验的柔性结构14的垂度同时为柔性结构14提供连接点；所述的垂度调节装置包括滑轮4、拉力计5、钢丝绳6、花篮螺栓7、轴向套筒8、左万向节9和右万向节10；所述的滑轮4和拉力计5安装在左导轨2上，拉力计5位于滑轮4上方；所述的轴向套筒8与左滑块3固定连接，位于左导轨2的内侧；轴向套筒8中的滑轴17，一端与钢丝绳6的一端连接，另一端与左万向节9固定连接；钢丝绳6的另一端绕过滑轮4后通过花篮螺栓7与拉力计5连接；所述的右万向节10与右滑块13固定连接，位于右导轨12的内侧；待进行实验的柔性结构14的两端分别与左万向节9和右万向节10连接。

所述的轴向套筒8筒体上设有顶丝孔，顶丝孔上安装有顶丝18，通过拧紧顶丝18以固定滑轴17。

本发明克服了现有细长结构涡激振动物理模型实验相关技术的不足，主要有益效果是：

(1)本发明可灵活地调节实验系统高度以研究结构在距海床不同距离的条件下结构动力响应的区别；

(2)本发明可灵活地调节柔性细长结构的垂度以研究结构在不同的垂度条件下涡激振动响应的区别；