專利名稱：新型海底管土相互作用模型試驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海底管土相互作用模型試驗平臺
背景技術(shù)：
海底管線的安全鋪設(shè)是海洋油氣工程中的重要環(huán)節(jié)之一。深海中管道的鋪設(shè)受到復雜的風、浪、流等環(huán)境因素的影響，管道與海床的相互作用也更加復雜，管道表現(xiàn)出強烈的非線性動力特性。因此，深海復雜荷載環(huán)境下管土相互作用是當前國內(nèi)外研究的重點與未來的發(fā)展方向。相關(guān)的理論研究與數(shù)值模型的建立需要大量可靠而詳盡的實驗數(shù)據(jù)來加以驗證和優(yōu)化。模型試驗方法具有費用低廉，易于操作、外界干擾因素少等優(yōu)點，在科學研究中具有不可替代的作用。目前，國內(nèi)外學者對海底管土相互作用進行了大量的試驗研究，但是都不夠系統(tǒng)，而且成熟的試驗儀器也很少有的不能真實模擬海底管道觸地區(qū)的運動形態(tài)，如〈段夢蘭等.深水鋼懸鏈線立管觸地區(qū)疲勞實驗系統(tǒng)設(shè)計.力學與實踐，2011，
(33)3: 15-19〉；有的只適用于砂土，不但不能考慮管道橫向運動的影響，也不能得到振動幅值、頻率和循環(huán)次數(shù)等因素的影響規(guī)律，詳見〈M. S. Hodder, B. ff. Byrne. 3D experimentsinvestigating the interaction of a model SCR witn the seaoed. Applied OceanResearch 2009;1:1-12〉。影響海底管土相互作用的因素很多，通過大量的模型試驗以定量地評估這些因素對管土相互作用的影響，對于提高我國海底管線的設(shè)計水平有著非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種新型海底管土相互作用模型試驗平臺，為深水海底管土相互作用試驗研究提供ー套新型模型試驗平臺，以更加真實地模擬復雜海洋環(huán)境，考慮更多因素的影響，更重要的是為數(shù)值模擬和理論研究提供可靠的模型試驗技木。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案ー種新型海底管土相互作用模型試驗平臺，它包括設(shè)置模擬海床的模型槽，其特征在于所述試驗平臺還設(shè)有
1)、設(shè)置在模型槽端部的立柱(I);
2)、支承動カ裝置的可升降的橫梁(6)，所述橫梁(6)與升降驅(qū)動裝置連接，所述橫梁通過其升降導向機構(gòu)與立柱連接；
所述動カ裝置包括；
3-1)、可沿水平縱向在橫梁上平移的縱向活動平臺(29)以及將所述縱向活動平臺(29)鎖緊在橫梁上的鎖緊機構(gòu)，所述縱向活動平臺處在橫梁之下，通過滾動體支承在橫梁上，所述橫梁上設(shè)有所述水平縱向平移的導向件；
3-2)、可沿水平橫向運動的橫向活動支架(9)，所述橫向活動支架(9)處于縱向活動平臺(29)之下，橫向活動支架通過其平移導向裝置與縱向活動平臺連接，所述橫向活動支架
(9)的平移驅(qū)動裝置安裝在縱向活動平臺(29)上；
3-3)、安裝在橫向活動支架上的油缸(11)，其工作方向為垂直方向；3-4)、被所述油缸驅(qū)動升降的豎向活動平臺(37)，所述豎向活動平臺通過其升降導向機構(gòu)與橫向活動支架(9)連接；
3-5)、安裝在豎向活動平臺(37)上的豎向活動支架(10)；
3-6 )、鉸接在豎向活動支架(10 )底端的轉(zhuǎn)動塊(40 )，其轉(zhuǎn)動軸向為所述橫向，所述轉(zhuǎn)動塊還配設(shè)有防止其轉(zhuǎn)動的鎖緊機構(gòu)；
3-7)、安裝在轉(zhuǎn)動塊(40)上的模型管道固定機構(gòu)。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用以下進ー步的技術(shù)方案
所述橫梁的升降驅(qū)動裝置包括牽引繩、牽引繩卷筒、卷筒操作手柄，所述卷筒操作手柄和牽引繩卷筒之間連接減速器，所述立柱上設(shè)置有所述牽引繩的滑輪。所述橫梁的升降導向機構(gòu)為豎向卡板(5)，所述卡板(5)與立柱上的導向構(gòu)件滑動連接。所述豎向活動平臺的升降導向機構(gòu)包括豎向直線導軌及豎向滑塊，所述豎向活動平臺和豎向滑塊連接，所述油缸(11)與豎向活動平臺和豎向滑塊連接。所述轉(zhuǎn)動塊所配設(shè)的鎖緊機構(gòu)為鎖緊螺栓(39)。所述縱向活動平臺(29)的鎖緊機構(gòu)為處于所述導向件上的壓緊板(26)。所述模型管道固定機構(gòu)包括模型管道夾套(41)以及與模型管道夾套(41)螺紋連接的鎖緊螺母(45)。本發(fā)明配設(shè)有模型管道(12 )，所述模型管道(12 )的兩端由密封蓋(42 )封閉，模型管道(12)內(nèi)懸掛鋼絲繩，所述模型管道內(nèi)配設(shè)固定所述鋼絲繩的固定板(43)。本發(fā)明配設(shè)有模型管道(12)，所述試驗平臺的傳感器均安裝在所述試驗平臺的模型管道上，所述傳感器包括拉線式位移傳感器、彎矩應變計、孔隙水壓カ傳感器和土反カ傳感器。本發(fā)明設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及油缸的液壓伺服系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括拉線式位移傳感器、彎矩應變計、孔隙水壓カ傳感器和土反カ傳感器。由于采用本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明具備以下功能快速布置的海床環(huán)境，模擬復雜的受カ狀況，可調(diào)控的雙向循環(huán)動力加載系統(tǒng)，對管土相互作用模型的運動學及動力學等參數(shù)進行即時量測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)深海復雜循環(huán)動荷載環(huán)境下管土相互作用模型試驗研究，并提高進行模型試驗的效率與結(jié)果的準確性，對于更深一歩了解海底管土相互作用特性有著巨大的促進與推動作用。本發(fā)明與國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)試驗技術(shù)相比，可以適用于粉土和粘土，可以考慮橫向荷載，而且可以考慮模型管道端部的連接型式對管土相互作用的影響，且加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精確可控。


圖I是本發(fā)明所提供的實施例的示意圖。圖2是本發(fā)明所提供的實施例的動カ裝置局部示意圖之一。圖3是本發(fā)明所提供的實施例的局動カ裝置部示意圖之ニ。圖4是本發(fā)明所提供的實施例的模型槽槽底板部分示意圖 圖5是本發(fā)明所提供的實施例的減速器部分示意圖。
圖6是本發(fā)明傳感器位置布置示意圖。
具體實施例方式參照附圖。本發(fā)明包括設(shè)置模擬海床的模型槽13，所述模擬海床為粉土或粘土16，所述模擬海床上部為水，本發(fā)明還配設(shè)有模型管道12、所述模型管道12采用PVC材料制成，所述試驗平臺動カ裝置包括
1)、設(shè)置在模型槽13端部的立柱I;
2)、支承動カ裝置的可升降的橫梁6，所述橫梁6與升降驅(qū)動裝置連接，所述橫梁通過其升降導向機構(gòu)與立柱I連接；
所述橫梁6的升降導向機構(gòu)為豎向卡板5，所述卡板5與立柱I上的導向構(gòu)件滑動連接，卡板5可使橫梁6沿著立柱I上下位移。，所述橫梁6的升降驅(qū)動裝置包括牽引繩3、牽引繩卷筒49、卷筒操作手柄51 ;通過搖動所述手柄51，可使橫梁6沿著上下位移，以調(diào)節(jié)橫梁6的豎向位置，所述卷筒操作手柄51和牽引繩卷筒49之間連接減速器4，所述減速器4可控制橫梁6上下滑動的速度。所述立柱I上設(shè)置有所述牽引繩的滑輪23、24。所述動カ裝置包括；
3-1)、可沿水平縱向在橫梁上平移的縱向活動平臺29以及將所述縱向活動平臺29鎖緊在橫梁6上的鎖緊機構(gòu)，所述縱向活動平臺29處在橫梁6之下，通過滾動體支承在橫梁6上，所述橫梁6上設(shè)有所述水平縱向平移的導向件7，即縱向活動平臺29可沿著安裝在橫梁6下部的導向件7做縱向運動，所述縱向為圖I、2中的左右方向。所述縱向活動平臺29的鎖緊機構(gòu)為導向件7上的壓緊板26，它可根據(jù)需要把縱向?qū)蚧?固定在橫梁6上而不能活動。3-2)、可沿水平橫向運動的橫向活動支架9，所述橫向活動支架9處于縱向活動平臺29之下，橫向活動支架9通過其平移導向裝置與縱向活動平臺連接，所述橫向活動支架9的平移驅(qū)動裝置安裝在縱向活動平臺29上；所述橫向與所述縱向以及垂直方向相垂直。所述橫向活動支架9的平移導向裝置包括橫向直線導軌30、31，橫向滑塊32、33，橫向滑塊32、33可沿著橫向直線導軌30、31做橫向滑動，直線導軌30、31固定在縱向活動平臺29的下表面上，橫向滑塊32、33與橫向活動支架9的上部相連接。橫向活動支架9的平移驅(qū)動裝置為油缸8。3-3)、安裝在橫向活動支架9上的油缸11，其工作方向為垂直方向；
3-4)、被所述油缸驅(qū)動升降的豎向活動平臺37，所述豎向活動平臺37通過其升降導向機構(gòu)與橫向活動支架9連接；
所述豎向活動平臺37的升降導向機構(gòu)包括豎向直線導軌36及豎向滑塊34、35，直線導軌36設(shè)置在橫向活動支架9上，所述豎向活動平臺37和豎向滑塊34、35連接，所述油缸11與豎向活動平臺37和豎向滑塊34、35連接，驅(qū)動它們升降。3-5)、安裝在豎向活動平臺37上的豎向活動支架10 ；
3-6)、鉸接在豎向活動支架10底端的轉(zhuǎn)動塊40，其轉(zhuǎn)動軸38的設(shè)置方向為所述橫向，所述轉(zhuǎn)動塊還配設(shè)有防止其轉(zhuǎn)動的鎖緊機構(gòu)；所述轉(zhuǎn)動塊40所配設(shè)的鎖緊機構(gòu)為鎖緊螺栓39。通過所述固定螺栓39可改變豎向活動支架10與模型管道12端部的連接型式。3-7)、安裝在轉(zhuǎn)動塊40上的模型管道固定機構(gòu)。
所述模型管道固定機構(gòu)包括模型管道夾套41以及與模型管道夾套41螺紋連接的鎖緊螺母45。本發(fā)明配設(shè)有模型管道12，所述模型管道12的兩端由密封蓋42封閉，模型管道12內(nèi)懸掛鋼絲繩，以根據(jù)需要調(diào)節(jié)重度。所述模型管道內(nèi)配設(shè)固定所述鋼絲繩的固定板43。本發(fā)明設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及所述油缸11的液壓伺服系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括拉線式位移傳感器DW、彎矩應變計BW、孔隙水壓カ傳感器PT和土反力傳感器SK。所述試驗平臺的傳感器均安裝在所述試驗平臺的模型管道上。本發(fā)明的模型槽還設(shè)置有模型槽側(cè)肋15，，模型槽的側(cè)板為鋼化玻璃側(cè)板14。所述模型槽13底部設(shè)置有排水層17。模型槽底板18安裝在所述排水層17下部，所述模型槽底板18的構(gòu)造參見附圖4。附圖標號46為緊固螺栓，附圖標號47為固定座，附圖標號48為地腳螺栓固定孔。在進行試驗時，具體步驟是首先在模型槽13里傾倒一定量的海床粉土或粘土 16，上面倒入一定深度的水，底部布置的排水層17可以加速槽內(nèi)土體的排水固結(jié)，快速達到可以進行試驗的海床環(huán)境。然后通過模型槽上部的管道收放裝置19將模型管道12放到模擬海床上，通過手柄51調(diào)節(jié)橫梁6的初始位置，以調(diào)節(jié)模型管道12的初始位置。模型管道端部固接豎向循環(huán)荷載加載過程鎖緊壓緊板26使縱向活動平臺29不能沿著縱向?qū)蚣?自由滑動，鎖緊固定螺栓39使模型管道12不能繞著轉(zhuǎn)動軸38自由旋轉(zhuǎn)，通過液壓伺服系統(tǒng)控制油缸11，分別采用不同幅值、不同頻率、不同循環(huán)次數(shù)進行加載，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄各傳感器的數(shù)據(jù)。模型管道端部固接橫向循環(huán)荷載加載過程鎖緊壓緊板26使縱向活動平臺29不能沿著縱向?qū)蚣?自由滑動，鎖緊固定螺栓39使模型管道12不能繞著轉(zhuǎn)動軸38自由旋轉(zhuǎn)，通過液壓伺服系統(tǒng)控制油缸8，分別采用不同幅值、不同頻率、不同循環(huán)次數(shù)進行加載，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄各傳感器的數(shù)據(jù)。模型管道端部鉸接豎向循環(huán)荷載加載過程放開壓緊板26使縱向活動平臺29能夠沿著縱向?qū)蚣?自由滑動，松開固定螺栓39使模型管道12能夠繞著轉(zhuǎn)動軸38自由旋轉(zhuǎn)，通過液壓伺服系統(tǒng)控制油缸11，分別采用不同幅值、不同頻率、不同循環(huán)次數(shù)進行加載，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄各傳感器的數(shù)據(jù)。模型管道端部鉸接橫向循環(huán)荷載加載過程放開壓緊板26使縱向活動平臺29能夠沿著縱向?qū)蚣?自由滑動，松開固定螺栓39使模型管道12能夠繞著轉(zhuǎn)動軸38自由旋轉(zhuǎn)，通過液壓伺服系統(tǒng)控制油缸8，分別采用不同幅值、不同頻率、不同循環(huán)次數(shù)進行加載，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄各傳感器的數(shù)據(jù)。試驗完成后，通過模型管道收放裝置19將模型管道12吊起，將模型槽13內(nèi)的水放掉，人工將模擬海床土翻動、攪拌，再向模型槽內(nèi)傾倒一定量的水，進行一定時間的固結(jié)，繼續(xù)進行下一次試驗。
通過本模型試驗平臺，可以分別得到循環(huán)動荷載的幅值、頻率和循環(huán)次數(shù)對海底管土相互作用模式的影響，進一歩了解管土相互作用的機理，并建立簡單可用于工程的公式。
權(quán)利要求
1.新型海底管土相互作用模型試驗平臺，包括設(shè)置模擬海床的模型槽，其特征在于所述試驗平臺還設(shè)有 1)、設(shè)置在模型槽端部的立柱(I); 2)、支承動カ裝置的可升降的橫梁(6)，所述橫梁(6)與升降驅(qū)動裝置連接，所述橫梁通過其升降導向機構(gòu)與立柱連接； 所述動カ裝置包括； 3-1)、可沿水平縱向在橫梁上平移的縱向活動平臺(29)以及將所述縱向活動平臺(29)鎖緊在橫梁上的鎖緊機構(gòu)，所述縱向活動平臺處在橫梁之下，通過滾動體支承在橫梁上，所述橫梁上設(shè)有所述水平縱向平移的導向件； 3-2)、可沿水平橫向運動的橫向活動支架(9)，所述橫向活動支架(9)處于縱向活動平臺(29)之下，橫向活動支架通過其平移導向裝置與縱向活動平臺連接，所述橫向活動支架(9)的平移驅(qū)動裝置安裝在縱向活動平臺(29)上； 3-3)、安裝在橫向活動支架上的油缸(11)，其工作方向為垂直方向； 3-4)、被所述油缸驅(qū)動升降的豎向活動平臺(37)，所述豎向活動平臺通過其升降導向機構(gòu)與橫向活動支架(9)連接； 3-5)、安裝在豎向活動平臺(37)上的豎向活動支架(10)； 3-6)、鉸接在豎向活動支架(10)底端的轉(zhuǎn)動塊(40)，其轉(zhuǎn)動軸向為所述橫向，所述轉(zhuǎn)動塊還配設(shè)有防止其轉(zhuǎn)動的鎖緊機構(gòu)； 3-7 )、安裝在轉(zhuǎn)動塊(40 )上的模型管道固定機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于所述橫梁的升降驅(qū)動裝置包括牽引繩、牽引繩卷筒、卷筒操作手柄，所述卷筒操作手柄和牽引繩卷筒之間連接減速器，所述立柱上設(shè)置有所述牽引繩的滑輪。
3.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于所述橫梁的升降導向機構(gòu)為豎向卡板(5)，所述卡板(5)與立柱上的導向構(gòu)件滑動連接。
4.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于所述豎向活動平臺的升降導向機構(gòu)包括豎向直線導軌及豎向滑塊，所述豎向活動平臺和豎向滑塊連接，所述油缸(11)與豎向活動平臺和豎向滑塊連接。
5.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于所述轉(zhuǎn)動塊所配設(shè)的鎖緊機構(gòu)為鎖緊螺栓(39 )。
6.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于所述縱向活動平臺(29)的鎖緊機構(gòu)為處于所述導向件上的壓緊板(26)。
7.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于所述模型管道固定機構(gòu)包括模型管道夾套(41)以及與模型管道夾套(41)螺紋連接的鎖緊螺母(45)。
8.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于它配設(shè)有模型管道(12)，所述模型管道(12)的兩端由密封蓋(42)封閉，模型管道(12)內(nèi)懸掛鋼絲繩，所述模型管道內(nèi)配設(shè)固定所述鋼絲繩的固定板(43 )。
9.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于它配設(shè)有模型管道(12)，所述試驗平臺的傳感器均安裝在所述試驗平臺的模型管道上，所述傳感器包括拉線式位移傳感器、彎矩應變計、孔隙水壓カ傳感器和土反カ傳感器。
10.如權(quán)利要求I所述的新型海底管土相互作用模型試驗平臺，其特征在于它設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及油缸的液壓伺服系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括拉線式位移傳感器、彎矩應變計、孔隙水壓カ傳感器和土反カ傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一套新型海底管土相互作用模型試驗平臺，包括模型管道、動力裝置以及設(shè)置模擬海床的模型槽，還設(shè)有立柱、橫梁、卡板、減速器、鋼絲繩、滑輪、固定壓緊板、固緊螺栓、豎向動力裝置、橫向動力裝置、連接機構(gòu)、拉線式位移傳感器、彎矩應變計、孔隙水壓力傳感器、土反力傳感器、模型管道收放裝置、液壓伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)深海復雜循環(huán)動荷載環(huán)境下海底管土相互作用特性的模型試驗研究，并提高進行模型試驗的效率與結(jié)果的準確性，對于更深一步了解海底管土相互作用特性有著巨大的促進與推動作用。
文檔編號G01N13/00GK102645346SQ20121010072
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者國振, 張舉, 李玲玲, 王立忠, 袁峰 申請人:浙江大學