一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，包括非線性彈簧、垂向約束機(jī)構(gòu)、圓柱模型、支座、夾具和支撐架和數(shù)據(jù)采集與分析處理部分。數(shù)據(jù)采集與分析處理部分用于采集和分析圓柱的振動(dòng)數(shù)據(jù)。垂向約束機(jī)構(gòu)有槽鋼、萬向節(jié)、螺栓、鋁合金管組成，所采用的萬向節(jié)具有阻尼小、結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，垂向約束機(jī)構(gòu)的作用是使圓柱模型的振動(dòng)保持在同一水平面內(nèi)，垂向約束機(jī)構(gòu)與支座及非線性彈簧一起共同組成了非線性邊界圓柱系統(tǒng)。本發(fā)明裝置可應(yīng)用于循環(huán)水槽或者拖曳水池的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)，能更真實(shí)地模擬海底懸跨管道與海床接觸等非線性剛度下的渦激振動(dòng)機(jī)理。
【專利說明】一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種試驗(yàn)裝置，具體地說是圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]渦激振動(dòng)是圓柱體在流場中的一種特殊振動(dòng)形式，是圓柱體尾流處的渦旋脫落引起的振動(dòng)。關(guān)于渦激振動(dòng)的國內(nèi)外已經(jīng)有幾十年的研究歷史，但近年來由于海洋油氣田的開發(fā)而出現(xiàn)的管道渦激振動(dòng)問題又掀起了新一輪的研究熱潮。
[0003]目前，模型試驗(yàn)是研究渦激振動(dòng)現(xiàn)象最主要和最可靠的研究手段之一。通過模型試驗(yàn)，可以較為全面的觀測到渦激振動(dòng)現(xiàn)象及主要特征，獲得較為可靠的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果可用來校驗(yàn)理論和數(shù)值模型的精度。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，在2009年“哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文”中的“管土耦合邊界下海底懸跨管道渦激振動(dòng)研究”一文中提到，動(dòng)力作用下土壤剛度表現(xiàn)出明顯的非線性，并在加載過程中發(fā)生變化。但文中只用數(shù)值方法對管土耦合下的非線性邊界條件下的渦激振動(dòng)做了預(yù)報(bào)，缺乏試驗(yàn)研究。而現(xiàn)有海底懸跨管道試驗(yàn)大都是將邊界條件簡單的取成線性彈簧支撐邊界，甚至處理成簡支或者固定邊界，沒有考慮到管土耦合非線性對懸跨管道渦激振動(dòng)響應(yīng)的影響。所以有必要提供一種非線性彈性支撐邊界條件下的圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供為研究海底懸跨管道的兩端管土非線性耦合下的渦激振動(dòng)研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)的一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其特征是:包括支撐架、垂向約束機(jī)構(gòu)、圓柱模型、支座、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭，支撐架包括由第一-第十二角鋼組成的長方體，其中第一-第四角鋼構(gòu)成長方體的上底面，第五-第八角鋼構(gòu)成長方體的下底面，第九-第十二角鋼為分別連接上底面四個(gè)頂點(diǎn)和下底面四個(gè)頂點(diǎn)的棱，垂向約束機(jī)構(gòu)包括槽鋼、萬向節(jié)、鋁合金管，槽鋼開口朝上固定在長方體上底面的兩個(gè)相對的邊上，萬向節(jié)的一端與槽鋼中部相固定，萬向節(jié)另一端設(shè)置外螺紋，鋁合金管的上下兩端均設(shè)置內(nèi)螺紋，萬向節(jié)的外螺紋安裝在鋁合金管上端的內(nèi)螺紋里，支座包括方形鋼板、螺桿、螺栓、運(yùn)動(dòng)測量光球、第一-第四彈簧，螺桿、螺栓均固定在方型鋼板上，螺栓位于方型鋼板的中心，螺栓安裝在鋁合金管下端的內(nèi)螺紋里，運(yùn)動(dòng)測量光球安裝在螺桿上，方形鋼板的四個(gè)邊中間均開設(shè)孔，第一-第四彈簧的第一端分別連接一個(gè)孔，第一-第四彈簧的第二端分別連接第五-第八角鋼，圓柱模型固定在方形鋼板下平面的中心，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭設(shè)置在支撐架外。
[0008]本發(fā)明還可以包括:
[0009]1、所述的第一-第四彈簧均為非線性彈簧。
[0010]2、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭通過數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)。
[0011]3、圓柱模型的長度不短于lm，第九-第十二角鋼以及鋁合金管長度相等，均在4_5m 內(nèi)。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:本發(fā)明采用變剛度彈簧連接圓柱裝置，可通過改變螺旋彈簧中徑、彈簧簧絲直徑和彈簧螺旋角等方法實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需非線性特性條件。本發(fā)明裝置可應(yīng)用于循環(huán)水槽或者拖曳水池的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)，能更真實(shí)地模擬海底懸跨管道與海床接觸等非線性剛度下的渦激振動(dòng)機(jī)理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的垂向約束機(jī)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3a為本發(fā)明的支座結(jié)構(gòu)示意圖a，圖3b為本發(fā)明的支座結(jié)構(gòu)示意圖b ；
[0016]圖4為本發(fā)明的支撐架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5為本發(fā)明的非線性彈簧示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0019]結(jié)合圖1?5，本發(fā)明包括非線性彈簧1、垂向約束機(jī)構(gòu)2、圓柱模型3、支座4、支撐架5、數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)7.
[0020]圓柱模型3采用厚壁鋼管，其直徑應(yīng)根據(jù)水池或水槽的造流能力確定，在滿足試驗(yàn)所需的最大約化速度或雷諾數(shù)的條件下，盡可能采用大直徑圓柱模型，以獲得較大彎曲剛度，避免圓柱模型的彎曲振動(dòng)。也可以采用較短的圓柱模型，但不能短于lm，避免水槽自由液面影響試驗(yàn)精度。
[0021]如圖4所示，支撐架5由12段角鋼焊接而成，角鋼18、角鋼19、角鋼20、角鋼21、角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29長度相等，長度根據(jù)水槽寬度確定，角鋼22、角鋼23、角鋼24、角鋼25長度相等且范圍應(yīng)控制在4-5m內(nèi)，角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29朝內(nèi)上，角鋼18、角鋼19、角鋼20、角鋼21朝內(nèi)下，角鋼22、角鋼23、角鋼24、角鋼25朝內(nèi)，角鋼18、角鋼20、角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29中間位置開有小圓孔，角鋼26及角鋼28靠近兩端位置開有小圓孔。
[0022]如圖2所示，垂向約束機(jī)構(gòu)2包括槽鋼9、螺釘12、萬向節(jié)10、螺栓11、帶內(nèi)板結(jié)構(gòu)的鋁合金管13，槽鋼9開口朝上，長度等于角鋼19，槽鋼9兩端各開有一小圓孔，用于通過螺釘12與角鋼18及角鋼20固定，萬向節(jié)10 —端焊接在槽鋼9背面中間位置，另一端焊接在螺栓11上，螺栓11旋進(jìn)鋁合金管13上端，鋁合金管13長度等于角鋼22。
[0023]如圖3所示，支座4包括鋼板14、螺栓15、運(yùn)動(dòng)測量光球16和螺桿17，鋼板14為正方形，邊長根據(jù)圓柱模型3的直徑確定，且各邊中間位置開有小圓孔，用于與角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29通過彈簧I連接，圓柱模型3焊接于鋼板14下部的中心位置，螺栓15焊接于鋼板14上部的中心位置，螺栓15旋進(jìn)鋁合金管13下端，螺桿17焊接于鋼板14適當(dāng)位置，用于連接運(yùn)動(dòng)測量光球16。
[0024]如圖5所示，彈簧I為自行設(shè)計(jì)的滿足特定變形-剛度曲線的非線性彈簧。每根彈簧I兩端分別掛在角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29與鋼板14的開孔位置。
[0025]如圖1所示，用四根螺釘將通過角鋼26及角鋼28的兩端開孔使支撐架5固定于水槽上。
[0026]如圖1所示，將數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭7擺放在適當(dāng)位置，通過數(shù)據(jù)線8與計(jì)算機(jī)6連接。
[0027]非線性彈簧I用于連接支座4和支撐架5、垂向約束機(jī)構(gòu)2用于使圓柱的振動(dòng)保持在同一平面、支座4用于連接非線性彈簧I和管線模型3及垂向約束機(jī)構(gòu)2、支撐架5用于支撐垂向約束機(jī)構(gòu)2，數(shù)據(jù)采集與分析處理部分主要包括計(jì)算機(jī)6、數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)7、供電電源和數(shù)據(jù)線8。
[0028]彈簧I為自行設(shè)計(jì)，通過改變線徑、中徑、節(jié)距等參數(shù)而滿足特定形變-剛度曲線的非線性彈簧。
[0029]垂向約束機(jī)構(gòu)2包括槽鋼9、螺釘12、萬向節(jié)10、螺栓11、帶內(nèi)板結(jié)構(gòu)的鋁合金管13。
[0030]支座4包括方形鋼板14、螺栓15、運(yùn)動(dòng)測量光球16和螺桿17。
[0031]支架5為鋼骨架結(jié)構(gòu)，它由12段角鋼焊接而成。
[0032]槽鋼9 口朝上且兩端各有一個(gè)開孔、萬向節(jié)10 —端焊接于槽鋼9的背面中間位置，螺栓11焊接在萬向節(jié)10的另一端、鋁合金管13上端內(nèi)有一定深度的螺紋。
[0033]鋼板14的每邊中間位置均有一開孔，用于掛彈簧1，螺栓15焊于鋼板14的中心位置。
[0034]角鋼18、角鋼19、角鋼20、角鋼21朝內(nèi)下，角鋼22、角鋼23、角鋼24、角鋼25朝內(nèi)，角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29朝內(nèi)上，角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29中間位置均有開孔，用于掛非線性彈簧1，角鋼18和角鋼20間位置開有圓孔，用于通過螺釘12槽鋼9連接，角鋼26和角鋼28在靠近兩端位置均勻開孔，用于通過螺釘固定在水槽上。
[0035]計(jì)算機(jī)6可采用ThinkPad便攜式筆記本電腦或者PC機(jī)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7為Qualisys光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。
[0036]本發(fā)明采用下列技術(shù)方案:
[0037]非線性彈簧用于連接支座和支撐架，垂向約束機(jī)構(gòu)用于使圓柱的振動(dòng)保持在同一平面，支座用于連接非線性彈簧和圓柱模型及垂向約束機(jī)構(gòu)，支撐架用于支撐垂向約束機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集與分析處理部分主要用于采集與分析圓柱模型的振動(dòng)數(shù)據(jù)。
[0038]彈簧共四根，彈簧為自行設(shè)計(jì)通過改變線徑、中徑、節(jié)距等參數(shù)而滿足特定變形-剛度曲線的非線性彈簧。
[0039]垂向約束機(jī)構(gòu)包括槽鋼、螺釘、萬向節(jié)、螺栓、帶內(nèi)板結(jié)構(gòu)的鋁合金管。
[0040]支座包括方形鋼板、螺栓、運(yùn)動(dòng)測量光球和螺桿。
[0041]支架為鋼骨架結(jié)構(gòu)，它由12段角鋼焊接而成。
[0042]槽鋼口朝上且兩端各有一個(gè)開孔、萬向節(jié)一端焊接于槽鋼的背面中間位置，螺栓焊接在萬向節(jié)的另一端、鋁合金管上端內(nèi)有一定深度的螺紋。
[0043]鋼板的每邊中間位置均有一開孔，用于掛彈簧，螺栓焊于鋼板的中心位置。
[0044]角鋼18、角鋼19、角鋼20、角鋼21朝內(nèi)下，角鋼22、角鋼23、角鋼24、角鋼25朝內(nèi)，角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29朝內(nèi)上，角鋼26、角鋼27、角鋼28、角鋼29中間位置均有開孔，用于掛非線性彈簧，角鋼18和角鋼20間位置開有圓孔，用于通過螺釘12槽鋼9連接，角鋼26和角鋼28在靠近兩端位置均勻開孔，用于通過螺釘固定在水槽上。
【權(quán)利要求】
1.一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其特征是:包括支撐架、垂向約束機(jī)構(gòu)、圓柱模型、支座、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭，支撐架包括由第一-第十二角鋼組成的長方體，其中第一-第四角鋼構(gòu)成長方體的上底面，第五-第八角鋼構(gòu)成長方體的下底面，第九-第十二角鋼為分別連接上底面四個(gè)頂點(diǎn)和下底面四個(gè)頂點(diǎn)的棱，垂向約束機(jī)構(gòu)包括槽鋼、萬向節(jié)、鋁合金管，槽鋼開口朝上固定在長方體上底面的兩個(gè)相對的邊上，萬向節(jié)的一端與槽鋼中部相固定，萬向節(jié)另一端設(shè)置外螺紋，鋁合金管的上下兩端均設(shè)置內(nèi)螺紋，萬向節(jié)的外螺紋安裝在鋁合金管上端的內(nèi)螺紋里，支座包括方形鋼板、螺桿、螺栓、運(yùn)動(dòng)測量光球、第一-第四彈簧，螺桿、螺栓均固定在方型鋼板上，螺栓位于方型鋼板的中心，螺栓安裝在鋁合金管下端的內(nèi)螺紋里，運(yùn)動(dòng)測量光球安裝在螺桿上，方形鋼板的四個(gè)邊中間均開設(shè)孔，第一-第四彈簧的第一端分別連接一個(gè)孔，第一-第四彈簧的第二端分別連接第五-第八角鋼，圓柱模型固定在方形鋼板下平面的中心，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭設(shè)置在支撐架外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其特征是:所述的第一-第四彈簧均為非線性彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其特征是:光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭通過數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其特征是:圓柱模型的長度不短于lm，第九-第十二角鋼以及鋁合金管長度相等，均在4_5m 內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可實(shí)現(xiàn)非線性邊界條件的剛性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其特征是:圓柱模型的長度不短于lm，第九-第十二角鋼以及鋁合金管長度相等，均在4-5m內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK104048810SQ201410323863
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】艾尚茂, 孫麗萍, 徐剛 申請人:哈爾濱工程大學(xué)