一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装置.pdf

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410714234.2 (22)申请日 2014.11.28 G01M 7/02(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 曾亚东 林易 马磊鑫 朱一飞 付世晓 欧绍武 蔡曦 石茜 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装 置 (57) 摘要 本发明公开了一种面外均匀流下测量细长立 管动力响应装置， 本发明可以实现立管在 90 度均 匀来流作用下的涡激振动测试 。

2、； 可以充分利用海 洋工程深水池的升降底增加大型关键安装的安全 系数 ； 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 ； 可以充分利用海 洋工程深水池的宽度在大型管件周边布置实时监 控设备， 根据不同需要对模型的形状进行调整 ； 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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图10页 (10)申请公布号 CN 104458174 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104458174 A 1/2 页 2 1.。

3、 一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装置， 其特征在于， 包括深海立管模块、 顶部边界模块、 底部边界模块、 固定模块、 顶部滑动模块、 底部滑动模块和测量分析控制模 块， 所述深海立管模块两端分别与顶部边界模块和底部边界模块相连接， 所述固定模块与 顶部边界模块和顶部滑动模块相连接， 所述深海立管模块分别与固定模块， 顶部滑动模块 和底部滑动模块成 90 度夹角， 所述顶部滑动模块还连接有拖车底部固定端， 且顶部滑动模 块所处平面与拖车运动方向平行， 所述测量分析控制模块分别与深海立管模块、 顶部边界 模块、 底部边界模块、 固定模块、 顶部滑动模块、 底部滑动模块相连接， 所述底部滑动模。

4、块与 所述底部边界模块相连接， 所述深海立管模块包括深海立管模型和光纤传感器， 所述光纤 传感器设置在所述深海立管模型上， 所述深海立管模型的顶端和顶部边界模块相连接， 所 述深海立管模型的底部和底部边界模块相连接， 且所述立管模型所在平面与底部固定轨道 所在平面成 90 夹角， 所述的顶部边界模块包括顶部夹具外缘， 螺丝， 顶部夹具底板， 第一垫 板， 第一万向节固定板， 第一万向节转动装置， 第二万向节固定板， 第一三分力仪固定板， 第 一三分力仪， 第一调整组件， 第一楔块， 所述顶部夹具外缘通过螺丝和深海立管模型相连 接， 两者所在平面成 90 度夹角， 所述顶部夹具底板与所述顶部夹具。

5、外缘固接， 所述顶部夹 具底板与通过螺丝与所述第一垫板相连， 所述第一万向节固定板与第一垫板和第一万向节 转动装置相连接， 所述第一万向节转动装置与第一万向节固定板和第二万向节固定板固 接， 所述第二万向节固定板和三分力仪固定板一侧连接， 所述三分力仪固定板的另一侧和 三分力仪连接， 所述三分力仪的末端与第一调整组件相连接， 所述第一调整组件的另一侧 固接在第一楔块上， 所述的底部边界模块包括底部夹具外缘， 螺丝， 底部夹具底板， 第二 垫板， 第三万向节固定板， 第二万向节转动装置， 第四万向节固定板， 第二三分力仪固定板， 第二三分力仪和底部固定板， 所述底部夹具外缘通过螺丝与所述深海立管。

6、模型相连接， 两者所在平面成 90 度夹角， 所述底部夹具底板与所述底部夹具外缘固接， 所述底部夹具底 板与第二垫板固接， 所述第三万向节固定板与第二垫板和第二万向节转动装置相连接， 所 述第二万向节转动装置与第三万向节固定板和第四万向节固定板固接， 所述第四万向节固 定板和第二三分力仪固定板一侧连接， 所述三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接， 所 述三分力仪的末端与底部固定板相连接， 所述固定模块包括整流罩， 垂直固定板和垂直固 定块， 所述的顶部滑动模块包括第一动力组件， 第一法兰装置， 第一滑块， 第一导链， 第一滑 动轨道和第一支撑架， 所述的垂直固定板安装在第一滑块上， 所述垂直固。

7、定板上滑动安装 有垂直固定块， 两侧分别安装有整流罩， 所述垂直固定块与第一楔块相固接， 所述第一动力 组件通过第一法兰装置与第一滑动轨道相连接， 所述第一动力组件的旋转轴通过第一导链 连接至第一滑块上， 所述第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上， 并且与垂直固定板相连接， 所述底部滑动模块包括小假底面板， 面板补板， 面板连接块， 第二动力组件， 第二法兰装置， 第二滑块， 第二导链， 第二滑动轨道和第二支撑架， 所述小假底面板的底端连接在底部固定 板上， 所述面板连接块焊接在小假底面板的正下方， 并与两块面板补板相连接， 所述面板补 板焊接在第二滑块上， 所述第二动力组件通过第二法兰装置与第二。

8、滑动轨道相连接， 所述 第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二滑块上， 所述第二滑块滑动支撑在第二滑 动轨道上， 且第二滑动轨道与小假底面板成 90 度夹角。 2. 根据权利要求 1 所述的一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装置， 其特征在 于， 所述底部固定板焊接在底部滑动模块的小假底面板上。 权 利 要 求 书 CN 104458174 A 2 2/2 页 3 3. 根据权利要求 1 所述的一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装置， 其特征在 于， 所述第一楔块的侧面固定在所述垂直固定块上。 4. 根据权利要求 1 所述的一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装置， 其特征在 于， 所。

9、述测量分析控制模块包括数据采集处理器、 运动控制器和显示器， 所述数据采集处理 器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部边界模块中的单分力仪， 以及光纤传 感器相连接， 其输出端与显示器相连接 ； 运动控制器包括运动控制输出窗口和图像显示端 口， 运动控制输出窗口与所述顶部滑动模块的第一动力组件， 底部滑动模块的第二动力组 件相连接， 图像显示端口与显示器相连接。 权 利 要 求 书 CN 104458174 A 3 1/5 页 4 一种面外均匀流下测量细长立管动力响应装置 技术领域 0001 本发明属于海洋工程领域， 具体地涉及一种面外均匀流下测量细长立管动力响 应， 同时监测涡激振动。

10、 (VIV) 的实验装置。 背景技术 0002 在风浪流的作用下， 海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运 动， 从而在立管运动方向上产生相对振荡来流， 这种振荡来流将激励立管悬垂段发生 “间歇 性” 的涡激振动。近几年来， 随着深海石油系统的开发， 工程上开始大量采用悬链式立管。 深水环境中的立管可视为细长柔性结构， 此时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， 因此对于细长柔性立管顶部平台作用下的整体涡激振动响应特性的分析 是其能否应用于工程实践的关键所在。 0003 以往预报细长海洋结构物的涡激振动危害最常用的方法是数值计算 SHEAR7、 VIVA、 VI。

11、VANA， 这种通过理论公式来预测荷载和响应的方法至今仍具有很大的不确定性。 目 前为止， 对柔性管涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。模型试验中 观察到的现象更接近于自然界的真实情况。通过对现有技术的检索， 立管模型试验一般在 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 的测试。发表于 “Applied Ocean Research(2013)” 43 刊中的论文 “Exper iments with a stee l catenary riser model in a towing tank” ( 拖曳水池中的细长柔性立管模型实 验 。

12、), 在拖曳水池中通过运行与立管相连接的车厢来模拟立管周围的稳定流场， 在立管上 安装微型加速度测量仪监测立管的状态。 分析此种测试技术， 发现其不足点在于 ： 1、 考虑到 拖曳水池的深度， 一般只能模拟小尺度管件的涡激振动， 难以有效地进行实雷诺数下的涡 激振动测试 2、 不易于布置立管周围的水下监控设备， 在进行缓波型立管模型测试时不能 调节立管的形状 3、 不能进行一定流速下的强迫振荡实验 4、 在实验中安装立管过程较 复杂 5、 不能有效模拟海洋平台的运动。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是提供一种面外均匀流下测量细长立管动力响应测试 装置， 旨在分析旨在分析细长柔性立管。

13、在 90 度水平均匀流作用下的整体涡激振动响应特 性。 0005 为解决上述技术问题， 本发明的实施例提供一种均匀流下测量细长立管动力响应 测试装置， 包括深海立管模块、 顶部边界模块、 底部边界模块、 固定模块、 顶部滑动模块、 底 部滑动模块和测量分析控制模块， 所述深海立管模块两端分别与顶部边界模块和底部边界 模块相连接， 所述固定模块与顶部边界模块和顶部滑动模块相连接， 所述深海立管模块分 别与固定模块， 顶部滑动模块和底部滑动模块成 90 度夹角， 所述顶部滑动模块还连接有拖 车底部固定端， 且顶部滑动模块所处平面与拖车运动方向平行， 所述测量分析控制模块分 别与深海立管模块、 顶部。

14、边界模块、 底部边界模块、 固定模块、 顶部滑动模块、 底部滑动模块 说 明 书 CN 104458174 A 4 2/5 页 5 相连接， 所述底部滑动模块与所述底部边界模块相连接， 所述深海立管模块包括深海立管 模型和光纤传感器， 所述光纤传感器设置在所述深海立管模型上， 所述深海立管模型的顶 端和顶部边界模块相连接， 所述深海立管模型的底部和底部边界模块相连接， 且所述立管 模型所在平面与底部固定轨道所在平面成 90 夹角， 所述的顶部边界模块包括顶部夹具外 缘， 螺丝， 顶部夹具底板， 第一垫板， 第一万向节固定板， 第一万向节转动装置， 第二万向节 固定板， 第一三分力仪固定板， 第。

15、一三分力仪， 第一调整组件， 第一楔块， 所述顶部夹具外缘 通过螺丝和深海立管模型相连接， 两者所在平面成 90 度夹角， 所述顶部夹具底板与所述 顶部夹具外缘固接， 所述顶部夹具底板与通过螺丝与所述第一垫板相连， 所述第一万向节 固定板与第一垫板和第一万向节转动装置相连接， 所述第一万向节转动装置与第一万向 节固定板和第二万向节固定板固接， 所述第二万向节固定板和三分力仪固定板一侧连接， 所述三分力仪固定板的另一侧和三分力仪连接， 所述三分力仪的末端与第一调整组件相 连接， 所述第一调整组件的另一侧固接在第一楔块上， 所述的底部边界模块包括底部夹具 外缘， 螺丝， 底部夹具底板， 第二垫板，。

16、 第三万向节固定板， 第二万向节转动装置， 第四万 向节固定板， 第二三分力仪固定板， 第二三分力仪和底部固定板， 所述底部夹具外缘通过螺 丝与所述深海立管模型相连接， 两者所在平面成 90 度夹角， 所述底部夹具底板与所述底 部夹具外缘固接， 所述底部夹具底板与第二垫板固接， 所述第三万向节固定板与第二垫板 和第二万向节转动装置相连接， 所述第二万向节转动装置与第三万向节固定板和第四万向 节固定板固接， 所述第四万向节固定板和第二三分力仪固定板一侧连接， 所述三分力仪固 定板的另一侧和三分力仪连接， 所述三分力仪的末端与底部固定板相连接， 所述固定模块 包括整流罩， 垂直固定板和垂直固定块，。

17、 所述的顶部滑动模块包括第一动力组件， 第一法兰 装置， 第一滑块， 第一导链， 第一滑动轨道和第一支撑架， 所述的垂直固定板安装在第一滑 块上， 所述垂直固定板上滑动安装有垂直固定块， 两侧分别安装有整流罩， 所述垂直固定块 与第一楔块相固接， 所述第一动力组件通过第一法兰装置与第一滑动轨道相连接， 所述第 一动力组件的旋转轴通过第一导链连接至第一滑块上， 所述第一滑块滑动支撑在第一滑动 轨道上， 并且与垂直固定板相连接， 所述底部滑动模块包括小假底面板， 面板补板， 面板连 接块， 第二动力组件， 第二法兰装置， 第二滑块， 第二导链， 第二滑动轨道和第二支撑架， 所 述小假底面板的底端连。

18、接在底部固定板上， 所述面板连接块焊接在小假底面板的正下方， 并与两块面板补板相连接， 所述面板补板焊接在第二滑块上， 所述第二动力组件通过第二 法兰装置与第二滑动轨道相连接， 所述第二动力组件的旋转轴通过第二导链连接至第二滑 块上， 所述第二滑块滑动支撑在第二滑动轨道上， 且第二滑动轨道与小假底面板成 90 度夹 角。 0006 作为优选， 所述底部固定板焊接在所述小假底面板上 0007 作为优选， 所述第一楔块的侧面固定在所述垂直固定块上。 0008 作为优选， 所述测量分析控制模块包括数据采集处理器、 运动控制器和显示器， 所 述数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部。

19、边界模块中的单分 力仪， 以及光纤传感器相连接， 其输出端与显示器相连接 ； 运动控制器包括运动控制输出窗 口和图像显示端口， 运动控制输出窗口与所述顶部滑动模块的第一动力组件， 底部滑动模 块的第二动力组件相连接， 图像显示端口与显示器相连接。 0009 本发明的上述技术方案的有益效果如下 ： 说 明 书 CN 104458174 A 5 3/5 页 6 0010 1、 本发明可以实现立管在 90 度均匀来流作用下的涡激振动测试 ； 0011 2、 本发明可以充分利用海洋工程深水池的升降底增加大型关键安装的安全系 数 ； 0012 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。

20、雷诺数涡激振 动 ； 0013 4、 本发明可以充分利用海洋工程深水池的宽度在大型管件周边布置实时监控设 备， 根据不同需要对模型的形状进行调整 ； 0014 5、 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。 附图说明 0015 图 1 是本发明提供的实验装置的结构示意图。 0016 图 2 是本发明提供的实验装置的顶部结构图。 0017 图 3 是本发明提供的实验装置的底部结构图。 0018 图 4 是本发明提供的深海立管模块的结构示意图。 0019 图 5 是本发明提供的顶部边界模块的结构示意图。 0020 图 6 是本发明提供的底部边界模块的结。

21、构示意图。 0021 图 7 是本发明提供的固定模块的侧视图。 0022 图 8 是本发明提供的顶部滑动模块的结构示意图。 0023 图 9 是本发明提供的顶部滑动模块的侧视图。 0024 图 10 是本发明提供的底部滑动模块的结构示意图。 0025 图 11 是本发明提供的底部滑动模块的局部示意图。 0026 图 12 是本发明提供的 90 度布置结构示意图。 具体实施方式 0027 为使本发明要解决的技术问题、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。 0028 如图 1-12 所示， 本发明实施例提供了一种面外均匀流下测量细长立管动力响应 测试装置， 包括深海。

22、立管模块 1、 顶部边界模块 2、 底部边界模块 3、 固定模块 4、 顶部滑动模 块 5、 底部滑动模块 6 和测量分析控制模块 7， 所述深海立管模块 1 两端分别与顶部边界模 块 2 和底部边界模块 3 相连接， 所述固定模块 4 与顶部边界模块 2 和顶部滑动模块 5 相连 接， 所述深海立管模块1分别与固定模块4， 顶部滑动模块5和底部滑动模块6成90度夹角， 所述顶部滑动模块 5 还连接有拖车底部固定端， 且顶部滑动模块 5 所处平面与拖车运动方 向平行， 所述测量分析控制模块7分别与深海立管模块1、 顶部边界模块2、 底部边界模块3、 固定模块 4、 顶部滑动模块 5、 底部滑动。

23、模块 6 相连接， 所述底部滑动模块 6 与所述底部边界 模块 3 相连接， 所述深海立管模块 1 包括深海立管模型 9， 光纤传感器 8， 所述光纤传感器 8 设置在所述深海立管模型 9 上， 所述深海立管模型 9 的顶端和顶部边界模块 2 相连接， 所述 深海立管模型 9 的底部和底部边界模块 3 相连接， 且所述立管模型所在平面与底部固定轨 道所在平面成 90 夹角， 所述的顶部边界模块 2 包括顶部夹具外缘 10， 螺丝 11， 顶部夹具底 说 明 书 CN 104458174 A 6 4/5 页 7 板 12， 第一垫板 13， 第一万向节固定板 14， 第一万向节转动装置 15， 。

24、第二万向节固定板 16， 第一三分力仪固定板17， 第一三分力仪18， 第一调整组件19， 第一楔块20， 所述顶部夹具外 缘 10 通过螺丝 11 和深海立管模型 9 相连接， 两者所在平面成 90 度夹角， 所述顶部夹具底 板 12 与所述顶部夹具外缘 11 固接， 所述顶部夹具底板 12 与通过螺丝 11 与所述第一垫板 13 相连， 所述第一万向节固定板 14 与第一垫板 13 和第一万向节转动装置 15 相连接， 所述 第一万向节转动装置 15 与第一万向节固定板 14 和第二万向节固定板 16 固接， 所述第二万 向节固定板 16 和三分力仪固定板 17 一侧连接， 所述三分力仪固。

25、定板 17 的另一侧和三分力 仪 18 连接， 所述三分力仪 18 的末端与第一调整组件 19 相连接， 所述第一调整组件 19 的另 一侧固接在第一楔块 20 上， 所述的底部边界模块 3 包括底部夹具外缘 21， 螺丝 22， 底部 夹具底板23， 第二垫板24， 第三万向节固定板25， 第二万向节转动装置26， 第四万向节固定 板27， 第二三分力仪固定板28， 第二三分力仪29和底部固定板30， 所述底部夹具外缘21通 过螺丝 22 与所述深海立管模型 9 相连接， 两者所在平面成 90 度夹角， 所述底部夹具底板 23 与所述底部夹具外缘 21 固接， 所述底部夹具底板 23 与第二。

26、垫板 24 固接， 所述第三万向 节固定板25与第二垫板24和第二万向节转动装置26相连接， 所述第二万向节转动装置26 与第三万向节固定板 25 和第四万向节固定板 27 固接， 所述第四万向节固定板 27 和第二三 分力仪固定板 28 一侧连接， 所述三分力仪固定板 28 的另一侧和三分力仪 29 连接， 所述三 分力仪 29 的末端与底部固定板 30 相连接， 所述固定模块 4 包括整流罩 31， 垂直固定板 32 和垂直固定块33， 所述的顶部滑动模块5包括第一动力组件34， 第一法兰装置35， 第一滑块 36， 第一导链 37， 第一滑动轨道 38 和第一支撑架 39， 所述的垂直固。

27、定板 32 安装在第一滑块 36 上， 所述垂直固定板 32 上滑动安装有垂直固定块 33， 两侧分别安装有整流罩 31， 所述垂 直固定块 33 与第一楔块 20 相固接， 所述第一动力组件 34 通过第一法兰装置 35 与第一滑 动轨道 38 相连接， 所述第一动力组件 34 的旋转轴通过第一导链 37 连接至第一滑块 36 上， 所述第一滑块 36 滑动支撑在第一滑动轨道 38 上， 并且与垂直固定板 32 相连接， 所述底部 滑动模块 6 包括小假底面板 40， 面板补板 41， 面板连接块 42， 第二动力组件 43， 第二法兰装 置 44， 第二滑块 45， 第二导链 46， 第二。

28、滑动轨道 47 和第二支撑架 48， 所述小假底面板 40 的 底端连接在底部固定板 30 上， 所述面板连接块 42 焊接在小假底面板 40 的正下方， 并与两 块面板补板 41 相连接， 所述面板补板 41 焊接在第二滑块 45 上， 所述第二动力组件 43 通过 第二法兰装置 44 与第二滑动轨道 47 相连接， 所述第二动力组件 43 的旋转轴通过第二导链 46 连接至第二滑块 45 上， 所述第二滑块 45 滑动支撑在第二滑动轨道 47 上， 且第二滑动轨 道 47 与小假底面板 40 成 90 度夹角。 0029 所述底部固定板 30 焊接在所述小假底面板 40 上 0030 所述。

29、第一楔块 20 的侧面固定在所述垂直固定块 33 上。 0031 所述测量分析控制模块 7 包括数据采集处理器、 运动控制器和显示器， 所述数据 采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部边界模块中的单分力仪， 以 及光纤传感器相连接， 其输出端与显示器相连接 ； 运动控制器包括运动控制输出窗口和图 像显示端口， 运动控制输出窗口与所述顶部滑动模块的第一动力组件， 底部滑动模块的第 二动力组件相连接， 图像显示端口与显示器相连接。 0032 本装置具体实施的工作原理 ： 试验时将光纤传感器四向均匀布置在深海立管模块 上， 并在立管上套上热缩管 ( 必要时可以加浮力块 )， 立管的两。

30、端分别连接在顶部边界模块 说 明 书 CN 104458174 A 7 5/5 页 8 和底部边界模块上， 它们分别与固定模块， 顶部滑动模块和底部滑动模块相连接， 试验时， 依靠假底的升降和拖车的移动， 使得立管模型到达指定的位置， 呈现指定的形态， 立管在给 定的面外来流下运动， 立管的运动由高速摄像机记录， 应变由光纤传感器测量， 并将数据传 给电脑进行后处理。 0033 以上所述是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员 来说， 在不脱离本发明所述原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 10445。

31、8174 A 8 1/10 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 9 2/10 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 10 3/10 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 11 4/10 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 12 5/10 页 13 图 6 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 13 6/10 页 14 图 7 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 14 7/10 页 15 图 8 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 15 8/10 页 16 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 16 9/10 页 17 图 11 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 17 10/10 页 18 图 12 说 明 书 附 图 CN 104458174 A 18 。