专利名称：双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种斜置于海洋工程深 水池中柔性管件模型在双向剪切流下的涡激振动旋转检测装置。
背景技术：
根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交 替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱 体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾 流结构。这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流的作用下，悬置于 海中的海洋平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出 现涡激振动现象，将会导致柔性管件的疲劳破坏。于海洋油气开采向深水推进，深水环境中的立管可视为细长柔性结构，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。目前为止，对柔性管件涡激振动 现象的研究最重要的方法之一就是模型测试方法。测试中模拟的现象更加接近于自然界 中的真实情况，采用先进的测试装置可以保证测试数据的可靠性。通过模型测试的方法 可以设计出更好的抑制海洋立管涡激振动的抑振装置。经过对现有技术的检索发现，目前的涡激振动测试装置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测试。在第 14 届国际近海与极地工程会议 “Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and PolarEngineering Conference，， 中的论文"Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究 的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型测试技术，把柔性立管横置于拖曳水池中， 拖车拖动立管模型产生均勻流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运 动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。经分析，该测试技术的不足之处在 于1. 一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动测 试。2.受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较小，测得的测试数据 较少。3. —般只能模拟均勻流场中立管的涡激振动，不能模拟阶梯流场中立管的涡激振 动。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双向剪切流下斜置立管的涡激 振动旋转测试装置，能够模拟大型实际尺寸立管、双向剪切流场、测试时间更长的斜置 于海洋工程深水池中柔性管件模型的涡激振动旋转检测装置。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括立管模型机构、测量分析系 统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、圆筒轴分段模块、底部悬臂模块和底部支撑模 块，其中立管模型通过特殊设计的固定端固定在顶部悬臂模块与底部悬臂模块之间，
4通过垂直置于海洋工程深水池中的圆筒轴分段模块将底部支撑模块、驱动模块、顶部悬 臂模块垂直连接，底部支撑模块通过高强度螺栓固定在水池钢制升降底上，通过驱动模 块带动圆筒轴和悬臂梁旋转，测量分析系统平台模块的各测量仪器分散布置于管件模 型、顶部悬臂模块、底部悬臂模块之中。所述的立管模型机构包括立管模型、万向节、三分力传感器、滑动轴、连接 板、立管固定接头、直线轴承、缓冲弹簧和立管固定座，其中第一立管固定接头的两 端分别与立管模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固 定设置于立管固定座上，第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节 的一端相连，第二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承分别与滑动轴 和缓冲弹簧相连。所述的驱动模块包括变速齿轮箱、电机、传递齿轮、驱动轴、驱动齿轮， 其中电机与变速齿轮箱相连接，变速齿轮箱与驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相 连接，电机、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴分别固定设置于可调节支撑底座上实现封 装。可调节支撑底座安装于海洋工程深水池拖车的钢架上。所述的变速齿轮箱的减速比为40 1 ；所述的该齿轮传动机构的减速比为7。所述的顶部悬臂模块包括斜拉锁、第一悬臂、斜撑、顶部悬臂圆筒轴，其 中第一悬臂上部使用斜拉锁和顶部悬臂圆筒轴相连接，为第一悬臂提供预应力，第一 悬臂下部使用斜撑和顶部悬臂圆筒轴相连接，第一悬臂的末端将与立管模型机构中的固 定装置连接，数据线通过试件的末端和第一悬臂进入圆筒轴，然后通过顶部悬臂圆筒轴 向上连接到测量分析系统平台模块。所述的底部悬臂模块包括第二悬臂及其固定桁架，其中第二悬臂的左端和 圆筒轴分段模块连接，数据线通过立管模型的末端和第二悬臂进入圆筒轴，然后通过圆 筒轴向上连接到测量分析系统平台模块。所述的第一悬臂和第二悬臂采用预应力矩形钢桁架结构，桁架采用模块设计， 整个桁架分段加工，使用矩形板连接，以此改变桁架的长度，以适应在不同的水深情况 下使用。所述的底部支撑模块包括底部支撑法兰盘、底部固定轴承、底部固定轴和底 部基座，其中圆筒轴的上部与圆筒轴分段模块或底部悬臂模块连接，圆筒轴的下部与 底部固定轴连接，底部固定轴承位于圆筒轴的外部并密封连接，底部固定轴承和底部基 座依次固定设置于海洋工程深水池的升降底上。与现有技术相比，本发明的优点包括1.本发明可以实现立管在阶梯来流作用下(有套筒)和均勻来流作用下(无套 筒)的涡激振动测试；2.其旋转装置可以大大延长测试时间，增加了实验数据的准确性；3.本发明可以充分利用海洋工程深水池的深度模拟大型管件的实雷诺数涡激振 动；4.本发明优点在于便于安装，便于升级与更改，并满足不同的功能要求；5.本发明能够更加真实的模拟海洋真实环境的流场，比以往在拖曳海洋工程深 水池以及拖船上测试有显著的进步。


图1是本发明结构示意图。
图2是驱动模块的结构正视图。
图3是驱动模块结构示意图。
图4是顶部悬臂模块的结构示意图。
图5是顶部悬臂模块中横梁结构的示意图。
图6是底部支撑模块的结构示意图。
图7是立管模型机构中底部固定端的侧视图。
图8是立管模型机构中底部固定端的仰视图。
图9是立管模型机构中顶部固定端的结构示意图。
图10是圆筒轴模块的结构示意图。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图对本发明作详细说明以下实施例是在以本发明技 术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括立管模型机构1、测量分析系统平台模块2、驱动 模块3、顶部悬臂模块4、圆筒轴分段模块5、底部悬臂模块6、底部支撑模块7，其中 立管模型机构1固定在顶部悬臂模块4与底部悬臂模块6之间，通过垂直置于海洋工程深 水池中的圆筒轴分段模块5将底部支撑模块7、驱动模块3、顶部悬臂模块4垂直连接， 底部支撑模块7通过螺栓固定在水池钢制升降底8上，通过驱动模块3带动圆筒轴和悬 臂梁旋转，测量分析系统平台模块2的各测量仪器分散布置于管件模型1、顶部悬臂模块 4、底部悬臂模块6之中。整个装置垂直置于海洋工程深水池中，各个模块通过法兰相连 接。所述的测量分析系统平台模块2包括测量单元10、水下录像单元11、计算单 元12和无线传输单元13，其中计算单元12设置于海洋工程深水池的拖车9的机房内并 与无线传输单元13相连接以传输水下录像单元11和测量单元10输出的无线测量信号， 计算单元12实时地对接收到的无线测量信号进行存储和处理。如图2和图3所示，所述的驱动模块3包括变速齿轮箱14、电机15、传递齿 轮16、驱动轴17、驱动齿轮19，其中电机15与变速齿轮箱14相连接，变速齿轮箱14 与驱动轴17相连接，驱动轴17与驱动齿轮19相连接，电机15、变速齿轮箱14、驱动齿 轮19、驱动轴17分别固定设置于可调节支撑底座上实现封装。所述的变速齿轮箱14的减速比为40 1。所述的齿轮传动机构的减速比为7。如图4所示，所述的顶部悬臂模块4包括斜拉锁20、第一悬臂21、斜撑22、 顶部悬臂圆筒轴23，其中第一悬臂21上部使用斜拉锁20和顶部悬臂圆筒轴23相连 接，为第一悬臂21提供预应力，第一悬臂21下部使用斜撑22和顶部悬臂圆筒轴23相连 接。第一悬臂21的末端将与立管模型机构1中的顶端固定装置连接。数据线通过试件的末端和第一悬臂21进入圆筒轴，然后通过顶部悬臂圆筒轴23向上连接到测量分析系统 平台模块2。顶部悬臂模块4上部通过连接法兰与驱动模块3或者圆筒轴分段模块5相 连，下部通过连接法兰与圆筒轴分段模块5相连。如图5所示，第一悬臂21采用预应力矩形钢桁架结构。桁架分段间使用连接板 连接。桁架的腹杆和弦杆的尺寸分别为，腹杆外径0.05m，厚度0.004m，弦杆外径 0.03m,厚度 0.004m。如图6所示，所述的底部支撑模块7包括圆筒轴连接法兰盘24、圆筒轴25、 底部支撑法兰盘26、底部固定轴承27、底部固定轴28、底部基座29，其中圆筒轴25 上部通过连接法兰盘26与圆筒轴分段模块5或底部悬臂模块6连接。下部通过底部支 撑法兰盘26与底部固定轴28连接，然后将整体插入到底部固定轴承27内，轴承实现油 密，底部固定轴承27焊接在底部基座29上，底部基座29通过24个高强度螺丝与水池升 降底8连接。如图7、图8、图9和图10所示，所述的立管模型机构1包括连接板30、缓冲 弹簧31、直线轴承32、滑动轴33、三分力传感器34、万向节35、立管固定接头36、立 管模型37、驱动伺服电机38、轨道39、滑块40、立管固定座41，其中立管模型37顶 端通过两个销子与立管固定接头36连接，立管固定接头36另一端连接在万向节35上， 万向节35另一端固定在三分力传感器34上，三分力传感器34使用高强度螺丝固定在立 管固定座41上，立管固定座41与滑块40固定连接，通过控制驱动伺服电机38使滑块40 沿着轨道39滑动。立管模型37底端与顶端类似依次连接立管固定接头36、万向节35和 三分力传感器34，然后与滑动轴33连接，滑动轴33插入到直线轴承32内，所有直线轴 承32固定在连接板30上，连接板30连接直线轴承32和底部悬臂模块。如图10所示，所述的圆筒轴分段模块5包括圆筒轴连接法兰盘24、圆筒轴 25、立管模型37、圆筒轴上开口 42、圆筒轴下开口 43，其中圆筒轴25上部通过连接 法兰盘24与顶部悬臂模块4连接，下部通过圆筒轴连接法兰盘24与底部悬臂模块6连 接。立管模型37穿过圆筒轴上开口 42和圆筒轴下开口 43。如图5所示，所述的底部悬臂模块包括第二悬臂及其固定桁架，其中第 二悬臂的左端和圆筒轴分段模块连接，数据线通过立管模型的末端和第二悬臂进入圆筒 轴，然后通过圆筒轴向上连接到测量分析系统平台模块。本实施例的制作和安装过程如下在测试前，先根据海洋工程深水池的尺寸、管件的实际尺寸、测试工况的具体 情况和测试的经济性选择合适的模型缩尺比和测试工况。按照整个测试装置的强度控制 要求以及振动控制要求确定各个模块的具体尺寸和材料。各模块准备好后具体的安装过 程如下。在地面组装底部支撑模块7，组装完成后升高海洋工程深水池的升降底，将底部 支撑模块7的底座23用螺栓固定在升降底上。然后适当降低升降底安装底部悬臂模块 6。根据测试管件的长度要求确定圆筒轴分段模块5的长度，然后将圆筒轴分段模块5用 小车吊至海洋工程深水池中央进行吊装。在安装上述模块得同时，在地面组装立管模型 机构1、测量分析系统平台模块2、驱动模块3、顶部悬臂模块4。圆筒轴分段模块5安 装完成后安装立管模型机构1，立管模型的一端穿过圆筒轴分段模块5，然后潜水员潜入水中将立管模型固定在底部悬臂模块6上，然后吊装顶部悬臂模块4，各模块之间的连接 采用法兰连接，数据线从连接装置进入圆筒轴中。顶部悬臂模块4吊装完成后，将立管 模型机构1测试管件的另一端固定在顶部悬臂模块4的连接模块上。用安装完成后，用 小车将驱动模块3吊至顶部悬臂模块4正上方，顶部悬臂模块4与驱动模块3的连接要特 别注意精度控制，连接后将驱动模块3用螺栓固定在小车上。最后安装测量分析系统平 台模块2，将圆筒轴中的数据线连接到测量分析系统平台模块2上。在测量分析系统平台模块2中的计算机上安装好计算机实时分析软件和图像处 理软件，然后将从测试管件两端导出来的数据线连接到电脑上。同时将测试装置中的测 量仪器导出来的电源线接上电源。整体安装完成后调试装置。调试完成后就可以根据具体工况和测试技术要求启 动测试装置进行测试。
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权利要求
1.一种双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征在于，包括立管 模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、圆筒轴分段模块、底部 悬臂模块和底部支撑模块，其中立管模型通过特殊设计的固定端固定在顶部悬臂模块 与底部悬臂模块之间，通过垂直置于海洋工程深水池中的圆筒轴分段模块将底部支撑模 块、驱动模块、顶部悬臂模块垂直连接，底部支撑模块通过高强度螺栓固定在水池钢制 升降底上，通过驱动模块带动圆筒轴和悬臂梁旋转，测量分析系统平台模块的各测量仪 器分散布置于管件模型、顶部悬臂模块、底部悬臂模块之中；所述的立管模型机构包括立管模型、万向节、三分力传感器、滑动轴、连接板、 立管固定接头、直线轴承、缓冲弹簧和立管固定座，其中第一立管固定接头的两端分 别与立管模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固定设 置于立管固定座上，第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节的一 端相连，第二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承分别与滑动轴和缓 冲弹簧相连。
2.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 1。
3.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的测量分析系统平台模块包括测量单元、水下录像单元、计算单元和无线传 输单元，其中计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连接 以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线 测量信号进行存储和处理。
4.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的驱动模块包括变速齿轮箱、电机、传递齿轮、驱动轴、驱动齿轮，其中 电机与变速齿轮箱相连接，变速齿轮箱与驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，电 机、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴分别固定设置于可调节支撑底座上实现封装。
5.根据权利要求4所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的变速齿轮箱的减速比为40 1。
6.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的顶部悬臂模块包括斜拉锁、第一悬臂、斜撑和顶部悬臂圆筒轴，其中第 一悬臂上部使用斜拉锁和顶部悬臂圆筒轴相连接，第一悬臂下部使用斜撑和顶部悬臂圆 筒轴相连接，第一悬臂的末端将与立管模型机构中的固定装置连接。
7.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的底部悬臂模块包括第二悬臂及其固定桁架，其中第二悬臂的左端和圆筒 轴分段模块连接。
8.根据权利要求6或7所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特 征是，所述的第一悬臂和第二悬臂采用预应力矩形钢桁架结构。
9.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的圆筒轴分段模块具体为若干段连接法兰固定相连的圆筒轴分段机构，每个圆 筒轴分段机构的两个端部均环形布置有螺栓孔，圆筒轴分段机构与海洋工程深水池的升 降底相垂直。
10.根据权利要求1所述的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的底部支撑模块包括圆筒轴、底部支撑法兰盘、底部固定轴承、底部固定轴 和底部基座，其中圆筒轴的上部与圆筒轴分段模块或底部悬臂模块连接，圆筒轴的下 部与底部固定轴连接，底部固定轴承位于圆筒轴的外部并密封连接，底部固定轴承和底 部基座依次固定设置于海洋工程深水池的升降底上。
全文摘要
一种斜置于海洋工程深水池中的双向剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，包括立管模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、圆筒轴分段模块、底部悬臂模块和底部支撑模块，立管模型通过特殊设计的固定端固定在顶部悬臂模块与底部悬臂模块之间，通过垂直置于海洋工程深水池中的圆筒轴分段模块将底部支撑模块、驱动模块、顶部悬臂模块垂直连接，底部支撑模块通过高强度螺栓固定在水池钢制升降底上，通过驱动模块带动圆筒轴和悬臂梁旋转，测量分析系统平台模块的各测量仪器分散布置于管件模型、顶部悬臂模块、底部悬臂模块之中。本发明便于安装，便于升级与更改，并满足不同的功能要求。
文档编号G01M7/02GK102012306SQ201010552000
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者付世晓, 任铁, 李琳, 杨建民 申请人:上海交通大学