垂直階梯來流海洋立管渦激-參激耦合振動試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種海洋工程技術領域的試驗裝置，具體地說，涉及的是一種垂直階梯來流海洋立管渦激-參激耦合振動試驗裝置。
【背景技術】
[0002]隨著海洋油氣資源的開采走向深海，立管結構的重要性逐步突顯。在海流作用下海洋立管會發生渦激振動，在深海情況下渦激振動是造成立管疲勞破壞的主要原因。一旦立管發生破壞，除了造成嚴重的經濟損失，也將引發漏油事故，可能導致嚴重的海洋環境污染和生態安全問題。
[0003]海洋立管頂端一般與浮式平臺連接。平臺隨著波浪發生升沉運動，給立管頂端一個位移時程響應，引起立管軸向力隨浮體運動而發生周期性變化，從而導致立管在水平方向上發生參激振動。參激振動可以引起立管平衡位置的不穩定性，加劇立管振動和疲勞破壞。
[0004]試驗研究是渦激振動研究一個基礎手段，可用于揭示渦激振動的發生機制、振動特性、驗證并修正渦激振動預報方法等。關于細長立管渦激振動試驗研究，大致分為兩類:一類是在天然水域進行的細長柔性立管渦激振動試驗。這類試驗中的立管模型一般較長，長細比最接近實際，試驗流速靠船或其他裝置拖動而形成。但這類試驗立管模型兩端邊界條件不理想、立管外形成的相對流場受地點、海況和船只等設施的操縱水平等因素影響很大，同時試驗的費用很高。另一類是在人工水池中進行的試驗。獲得的試驗數據可為渦激振動預報模型作基準，相比于天然水池中進行的試驗，人工水池試驗的優點在于:流場易于控制、質量好，立管的邊界條件容易設計，可對多種渦激振動影響因素進行試驗觀測。現階段，在人工水池內開展的模型試驗已被廣泛應用到海洋立管渦激振動問題研究。
[0005]海洋工程的實際經驗表明:從海平面到海底整個深度范圍內的流速截面并不是一成不變的，例如墨西哥灣或者中國南海的深水區域，一般表層300米的范圍內平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，可以發現，整個深度范圍內的來流是階梯狀來流。經對現有的技術文獻檢索發現，針對于垂直狀態下的階梯狀來流海洋立管禍激振動試驗已有開展。2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》雜志中的論文“Laboratory measurements of vortex-1nduced vibrat1ns of a verticaltens1n riser in a stepped current” (階梯狀來流條件垂直單根張緊式立管禍激振動試驗觀測)，設計了一套精巧的試驗裝置。在拖曳水池水面上豎起一個水桶，桶口在水面以下，由于大氣壓的原因，桶內抽成真空后便可有高度在10米內的水柱，立管長13.12米，上端固定在水桶的上，下端與池底附件支撐，水桶固定于拖車之上，開動拖車后產生階梯狀來流試驗條件。然而該裝置無法實現立管軸向力的周期性變化，無法實現垂直階梯來流海洋立管渦激-參激耦合振動同時觀測。
【發明內容】
[0006]本發明針對垂直階梯來流變軸向力海洋立管渦激振動試驗研究存在的難點和不足，提供了研究了一種垂直階梯來流海洋立管渦激-參激耦合振動試驗裝置，能夠試驗模擬垂直的階梯來流條件，對軸向力簡諧變化的海洋立管開展相關試驗研究工作，探究其渦激振動發生機理及變化軸向力誘發的參數振動對渦激振動的影響機制等，力圖為工程實際提供必要的試驗參考和借鑒。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明提出的一種垂直階梯來流海洋立管渦激-參激耦合振動試驗裝置，包括海洋立管模型、橫向試驗支持架、拖車、軸向力往復裝置、應變采集儀和計算機，所述海洋立管模型的一端設有第一端部支撐裝置，所述海洋立管模型的另一端設有第二端部支撐裝置，所述第一端部支撐裝置和第二端部支撐裝置的頂部分別與所述橫向試驗支持架的兩端連接，所述橫向試驗支持架固定于所述拖車的底部；所述海洋立管模型包括若干條導線和一薄壁銅管，所述導線的外徑為0.3_，所述導線為7芯導線，所述薄壁銅管的外徑為8mm、壁厚為;自所述薄壁銅管的外表面依次向外設有相互緊密接觸的若干層熱縮管和一層硅膠管，所述薄壁銅管與所述熱縮管之間設有多片用于采集應變的應變片，所述應變片通過接線端子與所述導線相連，所述導線的兩端與所述薄壁銅管的一端或分別與所述薄壁銅管的兩端固定；所述薄壁銅管的一端通過銷釘連接有第一圓柱接頭，所述薄壁銅管的另一端通過銷釘連接有第二圓柱接頭；所述橫向試驗支持架包括主體橫梁，所述主體橫梁的頂部設有槽鋼，所述拖車支撐在槽鋼上；所述拖車上設有與海洋立管模型一端連接的軸向力往復裝置；所述軸向力往復裝置包括支座、電機、連接桿、滑軌、滑塊、偏心孔盲板、上部滑輪和下部滑輪，所述電機設置在支座的一端，所述滑軌設置在支座的中部，所述滑塊裝配在所述滑軌上，所述上部滑輪和下部滑輪均設置在所述支座的另一端，所述偏心孔盲板設置在電機的輸出軸上，所述偏心孔盲板上設有多個不同偏心位置的偏心孔，所述連接桿的一端設有徑向桿，所述徑向桿插接在其中一個偏心孔內，所述連接桿的另一端與所述滑塊連接；所述第一端部支撐裝置包括豎直方向的第一支撐管，所述第一支撐管的底部連接有第一支撐板，所述第一支撐板的內側通過螺栓連接有與所述第一支撐板平行的第一導流板，所述第一導流板的下部設有一個通孔；通孔內設有一個萬向聯軸節，所述萬向聯軸節的一端通過萬向聯軸節螺絲固定在第一支撐板上，所述萬向聯軸節的另一端與所述海洋立管模型中的第一圓柱接頭連接；所述第二端部支撐裝置包括豎直方向的第二支撐管，所述第二支撐管的底部連接有第二支撐板，所述第二支撐板的內側通過螺栓連接有與所述第二支撐板平行的第二導流板，所述第二導流板的下部設有一個管道安裝通孔，所述第二支撐板的外側設有一個滑輪，所述第二支撐板上位于所述滑輪的下方設有一鋼絲繩過孔；所述第二導流板的內側固定有一流線型整流罩，所述流線型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的軸段；所述海洋立管模型的第二圓柱接頭連接鋼絲繩，該鋼絲繩穿過第二支撐板上的鋼絲繩過孔后繞過所述第二支撐板外側的滑輪后依次連接拉力張緊器、拉力彈簧和拉力傳感器，最終連接至所述軸向力往復裝置中的滑塊上；所述鋼絲繩和所述海洋立管模型的軸線在同一平面內；所述電機的輸出軸中心、所述連接桿的上下對稱面、所述滑塊的上下對稱面均與所述上部滑輪的滑輪槽的上部邊緣位于同一水平高度，所述上部滑輪的滑輪槽邊緣與所述下部滑輪的滑輪槽邊緣在一條直線上，所述電機連接有變頻器，所述電機轉動，通過所述連接桿使所述滑塊在所述滑軌上往復運動，往復運動的振幅是所述連接桿與所述偏心孔盲板上連接位置點的偏心距，從而實現軸向力幅值的變化；在所述滑塊的往復運動過程中，通過鋼絲繩帶動所述拉力彈簧作伸縮運動；所述導線和所述拉力傳感器與所述應變采集儀聯接，所述應變采集儀與所述計算機連接。
[0008]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0009]本發明解決了垂直階梯來流變軸向力海洋立管渦激振動試驗的裝備難題，通過設計可實現簡諧變化的軸向力、垂直階梯流場，使得試驗條件更加符合實際海洋工程工況。本發明可實現渦激振動-變軸向力的參激振動耦合，同時本發明裝置的設計簡單，安裝調試方便，造價低廉，是深海立管渦激振動與參數振動試驗研究必不可少的裝置措施，彌補了學術界缺乏垂直階梯來流簡諧變化軸向力海洋立管渦激振動試驗裝備的空白，具有重要的推廣應用價值和科學意義。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明中沒有抑制結構的立管渦激振動試驗裝置的結構示意圖；
[0011]圖2是本發明中沒有抑制結構的海洋立管模型兩端的粗圓柱接頭和細圓柱接頭示意圖；
[0012]圖3是本發明中帶有抑制結構的立管渦激振動試驗裝置的結構示意圖；
[0013]圖4是本發明中帶有抑制結構的海洋立管模型兩端的粗圓柱接頭和細圓柱接頭示意圖；
[0014]圖5是圖1中所示第一、第二支撐板14結構示意圖；
[0015]圖6是圖1中所示導流板11及流線型整流罩27的結構示意圖；
[0016]圖7是橫向試驗支持架結構俯視圖；
[0017]圖8是圖7所示橫向試驗支持架的右視圖；
[0018]圖9是橫向試驗支持架與拖車相互位置的俯視圖；
[0019]圖10是圖9所示橫向試驗支持架與拖車相互位置的右視圖；
[0020]圖11是軸向力往復裝置的主視圖；