專(zhuān)利名稱(chēng)：模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋工程領(lǐng)域，具體是一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
實(shí)際海洋環(huán)境中的立管為長(zhǎng)細(xì)柔性結(jié)構(gòu)，在洋流的作用下會(huì)產(chǎn)生渦激振動(dòng)，振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)疲勞或可能的共振等將對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的安全造成極大威脅。渦激振動(dòng)對(duì)于處在海洋的立管而言是自激產(chǎn)生的。由于實(shí)尺度試驗(yàn)條件的限制， 目前主要通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)柔性立管的渦激振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行研究。模型試驗(yàn)將柔性立管分為多段，假設(shè)每一段為剛性圓柱體，對(duì)圓柱進(jìn)行強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)或者自激振蕩試驗(yàn)，但是帶有縮尺比的模型試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)真實(shí)海況下的圓柱的動(dòng)力響應(yīng)；數(shù)值模擬手段則缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果的可靠性，且其中對(duì)流體粘性等問(wèn)題的處理目前仍不完善?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)自激振蕩試驗(yàn)研究裝置存在以下不足(I)局限于立管分段模型的實(shí)際結(jié)構(gòu)性能，只能測(cè)得具有既定結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的立管的渦激振動(dòng)響應(yīng)，降低了普適性，且更換立管、彈簧、阻尼器等將消耗大量時(shí)間，拖延試驗(yàn)進(jìn)度；(2)只能依照設(shè)定的工況使分段模型以既定的周期強(qiáng)迫振動(dòng)，無(wú)法測(cè)得分段模型在來(lái)流作用下真實(shí)的響應(yīng)；(3)只能進(jìn)行一個(gè)自由度的振動(dòng)模擬，難以反映立管真實(shí)的運(yùn)動(dòng)特性；(4)難以模擬來(lái)流不垂直于結(jié)構(gòu)物等特殊海況；(5)受試驗(yàn)裝置尺寸限制，模型的長(zhǎng)細(xì)比較小，尺度效應(yīng)較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，旨在結(jié)合模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，通過(guò)力的測(cè)量和高帶寬反饋，實(shí)時(shí)數(shù)值模擬具有虛擬結(jié)構(gòu)參數(shù)的立管的運(yùn)動(dòng)特性，解決現(xiàn)有試驗(yàn)裝置局限于模型實(shí)際結(jié)構(gòu)性能，只能進(jìn)行既定周期的強(qiáng)迫振動(dòng)，局限于順流單自由度振動(dòng)的模擬，尺度效應(yīng)較大，簡(jiǎn)而言之無(wú)法較真實(shí)的模擬立管處于實(shí)際海況中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，設(shè)置在拖車(chē)上，包括深海立管模塊、第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊、第二垂直滑動(dòng)模塊、第一水平滑動(dòng)模塊、第二水平滑動(dòng)模塊和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊，深海立管模塊兩端分別與第一端部假體模塊和第二端部假體模塊連接；第一端部假體模塊和第二端部假體模塊分別與第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊連接，且第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊均與深海立管模塊呈一定角度；第一水平滑動(dòng)模塊與第一垂直滑動(dòng)模塊連接，并固接至拖車(chē)底部一端，第二水平滑動(dòng)模塊與第二垂直滑動(dòng)模塊連接，并固接至拖車(chē)底部另一端；實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊設(shè)置于拖車(chē)上，分別與所述第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊、第二垂直滑動(dòng)模塊、第一水平滑動(dòng)模塊以及第二水平滑動(dòng)模塊連接。優(yōu)選地，該深海立管模塊包括深海立管模型和兩個(gè)用以連接第一端部假體模塊和第二端部假體模塊的立管固定接頭，兩個(gè)立管固定接頭分別連接在海立管模型的兩端。優(yōu)選地，該深海立管模型直徑為250毫米，長(zhǎng)度為2米。(只將數(shù)值限定在250毫米和2米保護(hù)范圍太小，建議最好提供區(qū)間范圍值，擴(kuò)大保護(hù)范圍)優(yōu)選地，該第一端部假體模塊和第二端部假體模塊包括假體外筒、三分力儀、三分力儀固定板、連接圓管、楔塊、傳感器固定板、擋流板、滑塊固定塊和滑塊固定板，假體外筒與傳感器固定板固接，三分力儀分別與深海立管模塊中對(duì)應(yīng)的立管固定接頭和三分力儀固定板的一端相連；三分力儀固定板的另一端與連接圓管的一端固接，連接圓管另一端與楔塊固接；楔塊穿設(shè)于擋流板，并在擋流板內(nèi)側(cè)通過(guò)傳感器固定板與擋流板固接；滑塊固定塊的一端與擋流板另一側(cè)的楔塊連接，另一端固接于滑塊固定板內(nèi)側(cè)，滑塊固定板的外側(cè)和垂直滑動(dòng)模塊固接；假體外筒軸心線與檔流板平面的法線成一定夾角，三分力儀固定板中心線及三分力儀中心線均與假體外筒軸心線重合。
優(yōu)選地，該第一端部假體模塊和第二端部假體模塊成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該第一水平滑動(dòng)模塊和第二水平滑動(dòng)模塊包括齒條、第一動(dòng)力組件、第一法蘭裝置、滑架、滑架連板、固定座、水平滑動(dòng)軌道和支撐架組，其中第一動(dòng)力組件通過(guò)第一法蘭裝置與水平滑動(dòng)軌道相連，其傳動(dòng)軸穿過(guò)滑架連接至齒條；滑架的一側(cè)滑動(dòng)支撐在水平滑動(dòng)軌道上，另一側(cè)與滑架連板的一側(cè)固接；滑架連扳滑動(dòng)支撐在水平滑動(dòng)軌道上，且與對(duì)應(yīng)的垂直滑動(dòng)模塊固接；支撐架組上端與拖車(chē)固接，下端通過(guò)固定座與水平滑動(dòng)軌道固接；水平滑動(dòng)軌道平行于拖曳水池池底，并與對(duì)應(yīng)的垂直滑動(dòng)模塊垂直。優(yōu)選地，該第一水平滑動(dòng)模塊和第二水平滑動(dòng)模塊成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊包括第二動(dòng)力組件、第二法蘭裝置、滑塊、導(dǎo)鏈、垂直滑動(dòng)軌道、整流罩、固定支架和加強(qiáng)桿，其中第二動(dòng)力組件通過(guò)第二法蘭裝置與垂直滑動(dòng)軌道相連，其旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)導(dǎo)鏈連接至滑塊，滑塊滑動(dòng)支撐在垂直滑動(dòng)軌道上，并與對(duì)應(yīng)的端部假體模塊固接；垂直滑動(dòng)軌道垂直于兩個(gè)水平滑動(dòng)模塊構(gòu)成的平面，其后側(cè)與固定支架連接，且兩側(cè)設(shè)置有整流罩；加強(qiáng)桿兩端分別安裝在固定支架與對(duì)應(yīng)的水平滑動(dòng)模塊上。優(yōu)選地，該第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊包括RT0S系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器，其中RTOS系統(tǒng)依次連接數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器，用以負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端分別與第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊、第二垂直滑動(dòng)模塊、第一水平滑動(dòng)模塊和第二水平滑動(dòng)模塊連接，輸出端與RTOS系統(tǒng)相連接，用以采集深海立管模塊在均勻流中的受力和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，并經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)濾波、降噪以及作用力成分分析，得到力參量和速度參量發(fā)送至RTOS系統(tǒng)；數(shù)值模擬運(yùn)算器與RTOS系統(tǒng)連接，用以設(shè)定深海立管模塊的虛擬質(zhì)量、阻尼剛度系數(shù)等參數(shù)并發(fā)送至RTOS系統(tǒng)，以及，接收RTOS系統(tǒng)發(fā)送由數(shù)據(jù)采集處理器得到的力參量和速度參量，并求解運(yùn)動(dòng)方程，得到深海立管模塊下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)送至RTOS系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制器的輸入端與RTOS系統(tǒng)連接，輸出端分別與第一水平滑動(dòng)模塊、第二水平滑動(dòng)模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊連接，用以根據(jù)接收到的RTOS系統(tǒng)發(fā)出的由數(shù)值模擬運(yùn)算器得到的設(shè)定結(jié)果以及計(jì)算結(jié)果，分別向第一水平滑動(dòng)模塊、第二水平滑動(dòng)模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊輸出運(yùn)動(dòng)指令。顯示器與RTOS系統(tǒng)連接，用于實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)與受力情況。本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，該裝置測(cè)量得到圓柱體的速度和受力，通過(guò)求解圓柱體運(yùn)動(dòng)方程，得到其在水流作用下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，再將此實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)伺服電機(jī)施加到模型上使其運(yùn)動(dòng)，從而模擬了自激振蕩運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)中通過(guò)水平滑動(dòng)模塊用于模擬流和水平方向上的渦激振蕩，垂直滑動(dòng)模塊用于模擬垂直方向上的渦激振動(dòng)。本發(fā)明設(shè)定參數(shù)模擬模型結(jié)構(gòu)性能，取代了傳統(tǒng)自激振蕩裝置中繁瑣的試驗(yàn)操作，加快了試驗(yàn)進(jìn)度，并為振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選擇提供了很大的自由度；雙向同步模擬自激振動(dòng)；模擬斜向流特殊工況；采用大尺度立管分段，減小尺度效應(yīng)；采用端部假體裝置，解決模型邊界效應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
本發(fā)明將模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，采用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量得到模型受來(lái)流的作用力、運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，在反饋程序中定義圓柱體的質(zhì)量、彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)，通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)方程，得到模型受力后的真實(shí)運(yùn)動(dòng)特性，再將此實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)伺服電機(jī)施加到模型上使其運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力反饋循環(huán)，模擬了模型的自激振動(dòng)。本發(fā)明采用的數(shù)據(jù)采集處理器，可高頻采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、降噪、運(yùn)算等處理，保證結(jié)構(gòu)物模型運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，逼近結(jié)構(gòu)物真實(shí)運(yùn)動(dòng)；本發(fā)明采用的數(shù)值模擬運(yùn)算器，可設(shè)定質(zhì)量、阻尼、剛度系數(shù)等結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，而不涉及到實(shí)際的物理模型，因此可以利用同一套試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)不同質(zhì)量、阻尼和彈簧剛度的組合進(jìn)行更廣范圍的自激振蕩試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)操作，加快了試驗(yàn)進(jìn)度；本發(fā)明采用兩組動(dòng)力裝置，可以在相互垂直的兩個(gè)方向上同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物真實(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬；試驗(yàn)中通過(guò)水平滑動(dòng)模塊用于模擬流和水平方向上的渦激振蕩，垂直滑動(dòng)模塊用于模擬垂直方向上的渦激振動(dòng)。本發(fā)明采用水平20m、垂直2. 4m的精密軌道配合運(yùn)動(dòng)控制，有利于提高控制精度。此外，本發(fā)明采用特殊的端部假體裝置制造模擬流場(chǎng)，而不直接影響測(cè)量裝置，解決了試驗(yàn)中模型兩邊出現(xiàn)的邊界效應(yīng)問(wèn)題；本發(fā)明采用的立管分段直徑為150毫米-300毫米，長(zhǎng)度為I米-3米，從而在正常拖車(chē)運(yùn)動(dòng)速度范圍內(nèi)，雷諾數(shù)達(dá)IO6量級(jí)，減小了尺度效應(yīng)，同時(shí)立管模型與來(lái)流成一定夾角，模擬圓柱在斜向流作用下的渦激振動(dòng)響應(yīng)。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)裝置在拖車(chē)上的安裝示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的深海立管模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的端部假體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的端部假體模塊假體外筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直滑動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直滑動(dòng)模塊的側(cè)視圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的水平滑動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，I為深海立管模塊，2為第一端部假體模塊，3為第二端部假體模塊，4為第一垂直滑動(dòng)模塊，5為第二垂直滑動(dòng)模塊，6為第一水平滑動(dòng)模塊，7為第二水平滑動(dòng)模塊，8為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊，9為拖車(chē)，101為深海立管模型，102、103為立管固定接頭，201為假體外筒，202為三分力儀，203為三分力儀固定板，204連接圓管，205楔塊，206傳感器固定板，207擋流板，208滑塊固定塊，209滑塊固定板，401為第二動(dòng)力組件，402為第二法蘭裝置，403為滑塊，404為導(dǎo)鏈，405為垂直滑動(dòng)軌道，406為整流罩，407為固定支架，408為加強(qiáng)桿，601為齒條，602為第一動(dòng)力組件，603為第一法蘭裝置，604為滑架，605為滑架連板，606為固定座，607為水平滑動(dòng)軌道，608為支撐架組，801為RTOS系統(tǒng)，802為數(shù)據(jù)采集處理器，803為數(shù)值模擬運(yùn)算器，804為運(yùn)動(dòng)控制器，805為顯示器。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請(qǐng)參閱圖I至圖3，一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，包括深海立管模塊I、第一端部假體模塊2、第二端部假體模塊3、第一垂直滑動(dòng)模塊4、第二垂直滑動(dòng)模塊5、第一水平滑動(dòng)模塊6、第二水平滑動(dòng)模塊7和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊8，其中深海立管模塊I兩端分別與第一端部假體模塊2和第二端部假體模塊3連接，第一垂直滑動(dòng)模塊4分別與第一端部假體模塊2和第一水平滑動(dòng)模塊6連接，第二垂直滑動(dòng)模塊5分別與第二端部假體模塊3和第二水平滑動(dòng)模塊7連接，第一水平滑動(dòng)模塊6與拖車(chē)9 一端底部固定連接并和第一垂直滑動(dòng)模塊4連接，第二水平滑動(dòng)模塊7與拖車(chē)9另一端底部固定連接并和第二垂直滑動(dòng)模塊5連接，深海立管模塊I與第一垂直滑動(dòng)模塊4、第二垂直滑動(dòng)模塊5之間呈一定角度安裝，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊8設(shè)置于拖車(chē)9上，分別與第一端部假體模塊2、第二端部假體模塊3、第一水平滑動(dòng)模塊6、第二水平滑動(dòng)模塊7、第一垂直滑動(dòng)模塊4、第二垂直滑動(dòng)模塊5相連接。如圖4所示，深海立管模塊I包括兩個(gè)立管固定接頭102和深海立管模型101，兩個(gè)立管固定接頭102分別連接在深海立管模型101的兩端，深海立管模塊101通過(guò)兩端的立管固定接頭102與兩個(gè)端部假體模塊2、3相連接。進(jìn)一步地，深海立管模型101的直徑為150毫米-300毫米，長(zhǎng)度為I米_3米。第一端部假體模塊2和第二端部假體模塊3成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示，第一端部假體模塊2和第二端部假體模塊3包括假體外筒201、三分力儀202、三分力儀固定板203、連接圓管204、楔塊205、傳感器固定板206、擋流板207、滑塊固定塊208、滑塊固定板209，其中假體外筒201與傳感器固定板206固定，三分力儀202分別與深海立管模塊I中對(duì)應(yīng)的立管固定接頭102和三分力儀固定板203相連；三分力儀固定板203的另一端與連接圓管204的一端固接，連接圓管204另一端與楔塊205固接；楔塊205穿設(shè)于所述擋流板207，并在擋流板207內(nèi)側(cè)通過(guò)傳感器固定板206與擋流板207固接；滑塊固定塊208的一端與擋流板207另一側(cè)的楔塊205連接，另一端固接于滑塊固定板209內(nèi)側(cè)，滑塊固定板209的外側(cè)和垂直滑動(dòng)模塊4固接；假體外筒201軸心線與檔流板209平面的法線成一定夾角，三分力儀固定板203中心線及三分力儀202中心線均與假體外筒201軸心線重合。
第一垂直滑動(dòng)模塊4和第二垂直滑動(dòng)模塊5成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖7、圖8所示，第一垂直滑動(dòng)模塊4和第二垂直滑動(dòng)模塊5包括第二動(dòng)力組件401、第二法蘭裝置402、滑塊403、導(dǎo)鏈404、垂直滑動(dòng)軌道405、整流罩406、固定支架407、加強(qiáng)桿408，其中第二動(dòng)力組件401通過(guò)第二法蘭裝置402與垂直滑動(dòng)軌道405相連，其旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)導(dǎo)鏈404連接至滑塊403，滑塊403滑動(dòng)支撐在第二滑動(dòng)軌道405上，并與對(duì)應(yīng)的端部假體模塊2的調(diào)整組件206相固接；第二滑動(dòng)軌道405垂直于兩水平滑動(dòng)模塊6、7構(gòu)成的平面，其后側(cè)與固定支架407連接，兩側(cè)安裝有整流罩406 ;加強(qiáng)桿408兩端分別安裝在固定支架407與對(duì)應(yīng)的水平滑動(dòng)模塊中的滑架連板608上。第一水平滑動(dòng)模塊6和第二水平滑動(dòng)模塊7成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖9所示，第一水平滑動(dòng)模塊6和第二水平滑動(dòng)模塊7包括齒條601、第一動(dòng)力組件602、第一法蘭裝置603、滑架604、滑架連板605、固定座606、水平滑動(dòng)軌道607和支撐架組608，其中第一動(dòng)力組件602通過(guò)第一法蘭裝置603與水平滑動(dòng)軌道607相連，其傳動(dòng)軸穿過(guò)滑架604連接至齒 條601 ;滑架604的一側(cè)滑動(dòng)支撐在水平滑動(dòng)軌道607上，另一側(cè)與滑架連板605的一側(cè)固接；滑架連扳605滑動(dòng)支撐在水平滑動(dòng)軌道上，且與對(duì)應(yīng)的垂直滑動(dòng)模塊的固定支架407相固接；支撐架組608上端與拖車(chē)9固接，下端通過(guò)固定座606與水平滑動(dòng)軌道607固接；第水平動(dòng)軌道607平行于拖曳水池10池底，并與相應(yīng)的垂直滑動(dòng)模塊4垂直。具體地，水平滑動(dòng)軌道607的長(zhǎng)度為20m，垂直滑動(dòng)軌道405的長(zhǎng)度為2. 4m。更為具體地，第一垂直滑動(dòng)模塊4、第二垂直滑動(dòng)模塊5、第一水平滑動(dòng)模塊6和第二水平滑動(dòng)模塊7的動(dòng)力組件上均設(shè)置有編碼器，編碼器、第一端部假體模塊2的三分力儀和第二端部假體模塊3的三分力儀均與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊8連接，用以采集深海立管模塊I在斜向均勻流中的受力和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度。如圖10所示，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊8包括RT0S系統(tǒng)801、數(shù)據(jù)采集處理器802、數(shù)值模擬運(yùn)算器803、運(yùn)動(dòng)控制器804和顯示器805。其中RTOS系統(tǒng)801依次連接數(shù)據(jù)采集處理器802、數(shù)值模擬運(yùn)算器803、運(yùn)動(dòng)控制器804和顯示器805，用以負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集處理器802的輸入端分別與設(shè)置在第一端部假體模塊2和第二端部假體模塊3的三分力儀，以及第一垂直滑動(dòng)模塊4、第二垂直滑動(dòng)模塊5、第一水平滑動(dòng)模塊6和第二水平滑動(dòng)模塊7的動(dòng)力組件上的編碼器連接，輸出端與RTOS系統(tǒng)801相連接，用以采集深海立管模塊在均勻流中的受力和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，并經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)濾波、降噪以及作用力成分分析，得到力參量和速度參量發(fā)送至RTOS系統(tǒng)801 ；數(shù)值模擬運(yùn)算器803與RTOS系統(tǒng)801連接，用以設(shè)定深海立管模塊I的虛擬質(zhì)量、阻尼剛度系數(shù)等參數(shù)并發(fā)送至RTOS系統(tǒng)801，以及，接收RTOS系統(tǒng)801發(fā)送由數(shù)據(jù)采集處理器802得到的力參量和速度參量，并求解運(yùn)動(dòng)方程，得到深海立管模塊下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)送至RTOS系統(tǒng)801 ；運(yùn)動(dòng)控制器804的輸入端與RTOS系統(tǒng)801連接，輸出端分別與第一水平滑動(dòng)模塊6、第二水平滑動(dòng)模塊7、第一垂直滑動(dòng)模塊4和第二垂直滑動(dòng)模塊5連接，用以根據(jù)接收到的RTOS系統(tǒng)801發(fā)出的由數(shù)值模擬運(yùn)算器803得到的設(shè)定結(jié)果以及計(jì)算結(jié)果，分別向第一水平滑動(dòng)模塊6、第二水平滑動(dòng)模塊7、第一垂直滑動(dòng)模塊4和第二垂直滑動(dòng)模塊5輸出運(yùn)動(dòng)指令。顯示器805與RTOS系統(tǒng)801連接，用以對(duì)RTOS系統(tǒng)801發(fā)出的由數(shù)據(jù)采集處理器802得到的力參量和速度參量，以及運(yùn)動(dòng)控制器804發(fā)出的控制指令進(jìn)行顯示。以下結(jié)合圖10，具體說(shuō)明本發(fā)明的工作原理試驗(yàn)開(kāi)始前，在測(cè)量分析模塊8的數(shù)值模擬運(yùn)算器803中設(shè)定模擬深海立管模型101性能的質(zhì)量、阻尼、剛度系數(shù)等參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器803向第一水平滑動(dòng)軌道6的第一動(dòng)力組件601、第二水平滑動(dòng)軌道7的第一動(dòng)力組件601發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，使試驗(yàn)裝置以一定初始速度在拖曳水池中沿水平方向前行，由于深海立管模型101與前行方向成一定角度，因而通過(guò)其在靜水中前進(jìn)獲得相對(duì)速度可以模擬靜置于斜向均勻來(lái)流中的情形；試驗(yàn)過(guò)程中，第一端部假體模塊2中的三分力儀202及第二端部假體模塊3中的三分力儀202測(cè)出深海立管模型101在均勻流中的受力，第一水平滑動(dòng)模塊6的第一動(dòng)力組件601、第二水平滑動(dòng)模塊7的第一動(dòng)力組件601、第一垂直滑動(dòng)模塊4的第二動(dòng)力組件401、第二垂直滑動(dòng)模塊5的第二動(dòng)力組件401等四套動(dòng)力組件中的編碼器測(cè)出深海立管模型101實(shí)時(shí)運(yùn) 動(dòng)速度，數(shù)據(jù)采集處理器802以高頻采樣獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)濾波、降噪、以及作用力成分分析等，得到力參量和速度參量，并將其輸出給數(shù)值模擬運(yùn)算器803，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器805顯示成可視數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬運(yùn)算器803依據(jù)數(shù)據(jù)采集處理器802輸入的力參量和速度參量，求解運(yùn)動(dòng)方程，得到深海立管模型101下個(gè)時(shí)刻真實(shí)的運(yùn)動(dòng)速度，并將其輸出給運(yùn)動(dòng)控制器804生成控制指令。其中，測(cè)量分析模塊8中所有數(shù)據(jù)的傳輸均通過(guò)RTOS系統(tǒng)801完成。此后，由運(yùn)動(dòng)控制器804向四套動(dòng)力組件發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，第一、第二水平滑動(dòng)模塊6、7的第一動(dòng)力組件601帶動(dòng)深海立管模塊I沿順流方向以計(jì)算速度疊加初始速度在第一、第二水平滑動(dòng)模塊6、7的水平滑動(dòng)軌道607上運(yùn)動(dòng)，第一、第二垂直滑動(dòng)模塊4、5的動(dòng)力組件401帶動(dòng)深海立管模塊I沿垂直來(lái)流方向以計(jì)算速度在第一、第二垂直滑動(dòng)模塊4、5的垂直滑動(dòng)軌道405上同步運(yùn)動(dòng)，從而雙向模擬立管的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的控制指令被輸出到顯示器3上顯示。至此，裝置實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作循環(huán)。此后，第一端部假體模塊2和第二端部假體模塊3中的三分力儀202和滑動(dòng)模塊的編碼器繼續(xù)測(cè)出深海立管模型101在均勻流中的受力和真實(shí)速度，重復(fù)上述工作循環(huán)，構(gòu)成力反饋系統(tǒng)。本發(fā)明將模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，采用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量得到模型受來(lái)流的作用力、運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，在反饋程序中定義圓柱體的質(zhì)量、彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)，通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)方程，得到模型受力后的真實(shí)運(yùn)動(dòng)特性，再將此實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)伺服電機(jī)施加到模型上使其運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力反饋循環(huán)，模擬了模型的自激振動(dòng)。本發(fā)明采用的數(shù)據(jù)采集處理器802，可高頻采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、降噪、運(yùn)算等處理，保證結(jié)構(gòu)物模型運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，逼近結(jié)構(gòu)物真實(shí)運(yùn)動(dòng)；本發(fā)明采用的數(shù)值模擬運(yùn)算器803，可設(shè)定質(zhì)量、阻尼、剛度系數(shù)等結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，而不涉及到實(shí)際的物理模型，因此可以利用同一套試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)不同質(zhì)量、阻尼和彈簧剛度的組合進(jìn)行更廣范圍的自激振蕩試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)操作，加快了試驗(yàn)進(jìn)度；本發(fā)明采用第一、第二水平滑動(dòng)模塊6、7和第一、第二垂直滑動(dòng)模塊4、5中的四套動(dòng)力裝置(第二動(dòng)力組件401第一動(dòng)力組件601)等，可以在相互垂直的兩個(gè)方向上同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物真實(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬；試驗(yàn)中第一、第二水平滑動(dòng)模塊6、7用于模擬流和水平方向上的渦激振蕩，第一、第二垂直滑動(dòng)模塊4、5用于模擬垂直方向上的渦激振動(dòng)。本發(fā)明采用20m水平滑動(dòng)軌道605和2. 4m垂直滑動(dòng)軌道405，精密配合運(yùn)動(dòng)控制，有利于提高了控制精度。此外，本發(fā)明采用特殊的第一端部假體裝置2和第二端部假體裝置3制造模擬流場(chǎng)，而不直接影響測(cè)量裝置，解決了試驗(yàn)中模型兩邊出現(xiàn)的邊界效應(yīng)問(wèn)題；本發(fā)明采用的深海立管分段模型101在正常拖車(chē)運(yùn)動(dòng)速度范圍內(nèi)，雷諾數(shù)達(dá)106量級(jí)，減小了尺度效應(yīng)，同時(shí)立管模型與來(lái)流成一定夾角，模擬圓柱在斜向均勻流作用下的渦激振動(dòng)響應(yīng)。
以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，設(shè)置在拖車(chē)上，其特征在于，包括深海立管模塊、第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊、第二垂直滑動(dòng)模塊、第一水平滑動(dòng)模塊、第二水平滑動(dòng)模塊和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊，所述深海立管模塊兩端分別與所述第一端部假體模塊和第二端部假體模塊連接；所述第一端部假體模塊和第二端部假體模塊分別與所述第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊連接，且所述第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊均與所述深海立管模塊呈一定角度；所述第一水平滑動(dòng)模塊與所述第一垂直滑動(dòng)模塊連接，并固接至所述拖車(chē)底部一端，所述第二水平滑動(dòng)模塊與所述第二垂直滑動(dòng)模塊連接，并固接至所述拖車(chē)底部另一端；所述實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊設(shè)置于所述拖車(chē)上，分別與所述第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊、第二垂直滑動(dòng)模塊、第一水平滑動(dòng)模塊以及第二水平滑動(dòng)模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的深海立管模塊包括深海立管模型和兩個(gè)用以連接所述第一端部假體模塊和第二端部假體模塊的立管固定接頭，所述兩個(gè)立管固定接頭分別連接在深海立管模型的兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述深海立管模型直徑為150毫米-300毫米，長(zhǎng)度為I米_3米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第一端部假體模塊和第二端部假體模塊包括假體外筒、三分力儀、三分力儀固定板、連接圓管、楔塊、傳感器固定板、擋流板、滑塊固定塊和滑塊固定板，所述假體外筒與所述傳感器固定板固接，所述三分力儀分別與所述深海立管模塊中對(duì)應(yīng)的立管固定接頭和三分力儀固定板的一端相連；所述三分力儀固定板的另一端與所述連接圓管的一端固接，所述連接圓管另一端與所述楔塊固接；所述楔塊穿設(shè)于所述擋流板，并在擋流板內(nèi)側(cè)通過(guò)傳感器固定板與擋流板固接；所述滑塊固定塊的一端與所述擋流板另一側(cè)的楔塊連接，另一端固接于滑塊固定板內(nèi)側(cè)，滑塊固定板的外側(cè)和垂直滑動(dòng)模塊固接；假體外筒軸心線與檔流板平面的法線成一定夾角，三分力儀固定板中心線及三分力儀中心線均與假體外筒軸心線重合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第一端部假體模塊和第二端部假體模塊成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第一水平滑動(dòng)模塊和第二水平滑動(dòng)模塊包括齒條、第一動(dòng)力組件、第一法蘭裝置、滑架、滑架連板、固定座、水平滑動(dòng)軌道和支撐架組，其中所述第一動(dòng)力組件通過(guò)所述第一法蘭裝置與所述水平滑動(dòng)軌道相連，其傳動(dòng)軸穿過(guò)所述滑架連接至所述齒條；所述滑架的一側(cè)滑動(dòng)支撐在所述水平滑動(dòng)軌道上，另一側(cè)與所述滑架連板的一側(cè)固接；所述滑架連扳滑動(dòng)支撐在所述水平滑動(dòng)軌道上，且與對(duì)應(yīng)的所述垂直滑動(dòng)模塊固接；所述支撐架組上端與所述拖車(chē)固接，下端通過(guò)所述固定座與所述水平滑動(dòng)軌道固接；所述水平滑動(dòng)軌道平行于拖曳水池池底，并與對(duì)應(yīng)的所述垂直滑動(dòng)模塊垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第一水平滑動(dòng)模塊和第二水平滑動(dòng)模塊成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊包括第二動(dòng)力組件、第二法蘭裝置、滑塊、導(dǎo)鏈、垂直滑動(dòng)軌道、整流罩、固定支架和加強(qiáng)桿，其中所述第二動(dòng)力組件通過(guò)所述第二法蘭裝置與所述垂直滑動(dòng)軌道相連，其旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)所述導(dǎo)鏈連接至所述滑塊，所述滑塊滑動(dòng)支撐在所述垂直滑動(dòng)軌道上，并與所述對(duì)應(yīng)的所述端部假體模塊固接；所述垂直滑動(dòng)軌道垂直于所述兩個(gè)水平滑動(dòng)模塊構(gòu)成的平面，其后側(cè)與所述固定支架連接，且兩側(cè)設(shè)置有所述整流罩；所述加強(qiáng)桿兩端分別安裝在所述固定支架與所述對(duì)應(yīng)的水平滑動(dòng)模塊上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊成鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模塊包括RTOS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器，其中 所述RTOS系統(tǒng)依次連接所述數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器，用以負(fù)責(zé)所述數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸; 所述數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端分別與所述第一端部假體模塊、第二端部假體模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊、第二垂直滑動(dòng)模塊、第一水平滑動(dòng)模塊和第二水平滑動(dòng)模塊連接，輸出端與RTOS系統(tǒng)相連接，用以采集所述深海立管模塊在斜向均勻流中的受力和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，并經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)濾波、降噪以及作用力成分分析，得到力參量和速度參量發(fā)送至所述RTOS系統(tǒng)； 所述數(shù)值模擬運(yùn)算器與RTOS系統(tǒng)連接，用以設(shè)定所述深海立管模塊的虛擬質(zhì)量、阻尼和剛度系數(shù)等參數(shù)并發(fā)送至所述RTOS系統(tǒng)，以及，接收所述RTOS系統(tǒng)發(fā)送由所述數(shù)據(jù)采集處理器得到的力參量和速度參量，并求解運(yùn)動(dòng)方程，得到所述深海立管模塊下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)送至所述RTOS系統(tǒng)； 所述運(yùn)動(dòng)控制器的輸入端與所述RTOS系統(tǒng)連接，輸出端分別與第一水平滑動(dòng)模塊、第二水平滑動(dòng)模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊連接，用以根據(jù)接收到的所述RTOS系統(tǒng)發(fā)出的由所述數(shù)值模擬運(yùn)算器得到的設(shè)定結(jié)果以及計(jì)算結(jié)果，分別向所述第一水平滑動(dòng)模塊、第二水平滑動(dòng)模塊、第一垂直滑動(dòng)模塊和第二垂直滑動(dòng)模塊輸出運(yùn)動(dòng)指令。
所述顯示器與RTOS系統(tǒng)連接，用于實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)與受力情況。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬斜向均勻流下深海立管雙向自激振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，該裝置測(cè)量得到圓柱體的速度和受力，通過(guò)求解圓柱體運(yùn)動(dòng)方程，得到其在水流作用下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，再將此實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)伺服電機(jī)施加到模型上使其運(yùn)動(dòng)，從而模擬了自激振蕩運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)中通過(guò)水平滑動(dòng)模塊用于模擬流和水平方向上的渦激振蕩，垂直滑動(dòng)模塊用于模擬垂直方向上的渦激振動(dòng)。本發(fā)明設(shè)定參數(shù)模擬模型結(jié)構(gòu)性能，取代了傳統(tǒng)自激振蕩裝置中繁瑣的試驗(yàn)操作，加快了試驗(yàn)進(jìn)度，并為系統(tǒng)參數(shù)的選擇提供了很大自由度；雙向同步模擬自激振動(dòng)；模擬斜向流特殊工況；采用大尺度立管分段，減小尺度效應(yīng)；采用端部假體裝置，解決模型邊界效應(yīng)。
文檔編號(hào)G01M7/06GK102967430SQ20121043721
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者付世曉, 許玉旺, 鐘芊, 位巍, 郭飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)