专利名称：阶梯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 池中柔性立管模型在阶梯剪切流下的涡激振动旋转测试装置。
背景技术：
根据流体力学，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。由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
IMXfM^il "Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and PolarEngineering Conference"中白勺论文"Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(长立管涡激振动响应的测试研究)是关于柔性管件涡激振动测试研 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，提供一种阶梯剪切流下斜置立管的涡激振 动旋转测试装置，能够模拟实际尺寸立管、阶梯剪切流场、且可以长时间置于海洋工程深水 池中进行柔性立管模型的涡激振动旋转测试。本发明是通过以下技术方案实现，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、底部立管固定模块和底部支撑模块，其 中立管模型机构固定在顶部悬臂模块与底部立管固定模块之间，圆筒轴分段模块垂直置 于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块、驱动模块、顶部悬臂模块和底部立管固定模
4块垂直连接，底部支撑模块固定设置于海洋工程深水池的升降底上，驱动模块分别与圆筒 轴分段模块和顶部悬臂模块相连接并输出动力，顶部悬臂模块的左右两端分别与圆筒轴分 段模块相连，测量分析系统平台模块分别与立管模型、顶部悬臂模块以及底部立管固定模 块相连并接收检测数据。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、立管固定接 头、直线轴承、缓冲弹簧和立管固定座，其中三分力传感器设置于立管模型的顶端，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，直线轴承与滑 动轴相连，直线轴承和缓冲弹簧相连。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。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。所述的驱动模块为整个系统提供动力并对装置的转动速度进行精确控制，该驱动 模块包括伺服驱动电机、齿轮传动机构、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴和可调节支撑底 座，其中伺服驱动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，伺服驱动电机、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悬臂、斜拉锁、桁架和套筒，其中六根斜拉锁一端与 圆筒轴分段模块相连，另一端与悬臂相连以提供预应力，套筒套接于立管模型机构的下部， 悬臂与圆筒轴分段连接，套筒套接于立管模型的下端点及整个下部的外侧，使带套筒部分 的立管模型在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯剪切流，并且套筒的固 定位置以及长度可以根据需要沿立管模型轴向改变，以模拟不同流场的阶梯剪切流。所述的桁架采用模块设计，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。所述的悬臂采用预应力矩形钢桁架结构，长度为18m。所述的圆筒轴分段模块具体为若干段由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。所述的底部立管固定模块包括圆筒轴连接法兰盘、圆筒轴、立管底部固定端、圆 筒轴上开口、圆筒轴下开口，其中圆筒轴上部通过连接法兰盘与圆筒轴模块连接，下部通 过圆筒轴连接法兰盘与底部支撑模块连接。立管模型通过立管底部固定端穿过圆筒轴上开 口和圆筒轴下开口固定在圆筒轴内部。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，其中底部固定轴上端通过底部支撑法兰盘与圆筒轴分段模块或底部立管固定模块连 接，下端整体插入到底部固定轴承内，轴承实现油密，底部固定轴承焊接在底部基座上，底部基座通过高强度螺丝与水池升降底连接。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剪切来流作用下的涡激振动测试；2、其旋转装置可以大大延长测试时间，增加了测试数据的准确性；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、本发明采用模块化设计，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是顶部悬臂模块中悬臂结构的示意图。图6是底部支撑模块的结构示意图；其中(a)为结构正视图(b)为结构局部放大图。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是立管模型机构结构示意图。图11是立管下端固定模块的结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，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、底部立管固定模块6、底部支撑模块7，其中立管模 型机构1固定设置于顶部悬臂模块4与底部立管固定模块6之间，圆筒轴分段模块5垂直 置于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块7、驱动模块3和顶部悬臂模块4垂直连接， 底部支撑模块7固定设置于海洋工程深水池的升降底8上，驱动模块3分别与圆筒轴分段 模块5和顶部悬臂模块4相连接并输出动力，顶部悬臂模块4的左右两端分别与圆筒轴分 段模块5相连，测量分析系统平台模块2分别与立管模型、顶部悬臂模块4以及底部立管固 定模块6相连并接收检测数据。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
6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、伺服驱动电机15、传 递齿轮16、驱动轴17和驱动齿轮19，其中伺服驱动电机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，伺服驱动电机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18，实现封装。可调节支 撑底座安装于海洋工程深水池拖车9的钢架上。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、悬臂21、斜撑22、顶部悬臂 圆筒轴23和套筒45，其中悬臂21上部使用斜拉锁20和顶部悬臂圆筒轴23相连接，为悬 臂提供预应力，悬臂21下部使用斜撑22和顶部悬臂圆筒轴23相连接。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。如图5所示，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. 0(Mm。所述的悬臂长度为18m。所述的套筒45具体套接于立管模型37的下端点及整个下部的外侧，使带套筒部 分的立管模型37在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯剪切流。底部支撑模块7包括底部支撑法兰盘沈、底部固定轴承27、底部固定轴观、底部 基座四，其中底部固定轴观上端通过底部支撑法兰盘沈与圆筒轴分段模块5或底部立管 固定模块6连接，下端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 接在底部基座四上，底部基座四通过高强度螺丝与水池升降底8连接。所述的圆筒轴分段模块5具体为若干段由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8相垂直。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、轨 道39、滑块40、立管固定座41，其中三分力传感器34设置于立管模型37的顶端，第一立管 固定接头36的两端分别与立管模型37的顶端和第一万向节35的一端相连，第一万向节35 的另一端固定设置于立管固定座上。第二立管固定接头36的两端分别与立管模型37的底 端和第二万向节35的一端相连，第二万向节35的另一端固定设置于三分力传感器34上， 直线轴承32与滑动轴33相连缓冲弹簧31和直线轴承32相连。所述的立管模型37的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1 1。如图11所示，所述的底部立管固定模块6包括圆筒轴连接法兰盘M、圆筒轴25、 立管底部固定端42、圆筒轴上开口 43、圆筒轴下开口 44，其中圆筒轴25上部通过连接法 兰盘沈与圆筒轴分段模块5或底部立管固定模块6连接，下部通过圆筒轴连接法兰盘M 与底部支撑模块7连接。立管模型37通过立管底部固定端42穿过圆筒轴上开口 43和圆 筒轴下开口 44固定在圆筒轴25内部。本装置通过以下方式进行测试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 置得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8，将底部 支撑模块7得底座四用螺栓固定在升降底8上。然后适当降低升降底8安装底部悬臂底 部立管固定模块6，然后将立管模型机构1也就是测试管件的一端用万向连轴器固定在底 部悬臂底部立管固定模块6上，另一端搭在池壁上，数据线从连接装置穿过横梁进入圆筒 轴中，降低升降底8。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 吊装顶部悬臂模块4，各模块之间的连接采用法兰连接，数据线从连接装置穿过横梁进入圆 筒轴中。顶部悬臂模块4吊装完成后，将立管模型机构1测试管件的另一端穿过套筒固定 在顶部悬臂模块4的连接模块上。安装完成后，用小车将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。
权利要求
1.一种阶梯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、底部立管固 定模块和底部支撑模块，其中立管模型机构固定在顶部悬臂模块与底部立管固定模块之 间，圆筒轴分段模块垂直置于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块、驱动模块、顶部悬 臂模块和底部立管固定模块垂直连接，底部支撑模块固定设置于海洋工程深水池的升降底 上，驱动模块分别与圆筒轴分段模块和顶部悬臂模块相连接并输出动力，顶部悬臂模块的 左右两端分别与圆筒轴分段模块相连，测量分析系统平台模块分别与立管模型、顶部悬臂 模块以及底部立管固定模块相连并接收检测数据；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、立管固定接头、 直线轴承、缓冲弹簧和立管固定座，其中三分力传感器设置于立管模型的顶端，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，直线轴承与滑动 轴相连，直线轴承和缓冲弹簧相连。
2.根据权利要求1所述的阶梯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所述的阶梯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所述的阶梯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伺服驱动电机、齿轮传动机构、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴和 可调节支撑底座，其中伺服驱动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，伺服驱动电机、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。
5.根据权利要求4所述的阶梯剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的驱动模块中的变速齿轮箱的减速比为40 1 ；齿轮传动机构的减速比为7。
6.根据权利要求4所述的阶梯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悬臂、斜拉锁、桁架和套筒，其中六根斜拉锁一端与圆筒轴 分段模块相连，另一端与悬臂相连以提供预应力，套筒套接于立管模型机构的下部，悬臂与 圆筒轴分段连接，套筒套接于立管模型的下端点及整个下部的外侧，使带套筒部分的立管 模型在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯剪切流。
7.根据权利要求4所述的阶梯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由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。
8.根据权利要求4所述的阶梯剪切流下斜置立管的涡激振动旋转测试装置，其特征 是，所述的底部立管固定模块包括圆筒轴连接法兰盘、圆筒轴、立管底部固定端、圆筒轴上开口、圆筒轴下开口，其中圆筒轴上部通过连接法兰盘与圆筒轴模块连接，下部通过圆筒 轴连接法兰盘与底部支撑模块连接，立管模型通过立管底部固定端穿过圆筒轴上开口和圆 筒轴下开口固定在圆筒轴内部。
9.根据权利要求4所述的阶梯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 中底部固定轴上端通过底部支撑法兰盘与圆筒轴分段模块或底部立管固定模块连接，下 端整体插入到底部固定轴承内，轴承实现油密，底部固定轴承焊接在底部基座上，底部基座 通过高强度螺丝与水池升降底连接。
全文摘要
一种海洋工程技术领域的阶梯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、底部立管固定模块和底部支撑模块，立管模型机构固定在顶部悬臂模块与底部立管固定模块之间，圆筒轴分段模块垂直置于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块、驱动模块、顶部悬臂模块和底部立管固定模块连接，底部支撑模块固定设置于海洋工程深水池的升降底上，驱动模块分别与圆筒轴分段模块和顶部悬臂模块相连接，顶部悬臂模块的左右两端分别与圆筒轴分段模块相连，测量分析系统平台模块分别与立管模型、顶部悬臂模块以及底部立管固定模块相连。本发明能够模拟实际尺寸立管阶梯剪切流场。
文档编号G01M10/00GK102072805SQ201010552009
公开日2011年5月25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, 杨建民, 汪学锋 申请人:上海交通大学