一种可实现非线性边界条件的刚性圆柱涡激振动试验装置

摘要

本发明的目的在于提供一种可实现非线性边界条件的刚性圆柱涡激振动试验装置，包括非线性弹簧、垂向约束机构、圆柱模型、支座、夹具和支撑架和数据采集与分析处理部分。数据采集与分析处理部分用于采集和分析圆柱的振动数据。垂向约束机构有槽钢、万向节、螺栓、铝合金管组成，所采用的万向节具有阻尼小、结构灵活的特点，垂向约束机构的作用是使圆柱模型的振动保持在同一水平面内，垂向约束机构与支座及非线性弹簧一起共同组成了非线性边界圆柱系统。本发明装置可应用于循环水槽或者拖曳水池的刚性圆柱涡激振动试验，能更真实地模拟海底悬跨管道与海床接触等非线性刚度下的涡激振动机理。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种试验装置，具体地说是圆柱涡激振动试验装置。

背景技术

涡激振动是圆柱体在流场中的一种特殊振动形式，是圆柱体尾流处的涡旋 脱落引起的振动。关于涡激振动的国内外已经有几十年的研究历史，但近年来 由于海洋油气田的开发而出现的管道涡激振动问题又掀起了新一轮的研究热 潮。

目前，模型试验是研究涡激振动现象最主要和最可靠的研究手段之一。通 过模型试验，可以较为全面的观测到涡激振动现象及主要特征，获得较为可靠 的试验结果。试验结果可用来校验理论和数值模型的精度。

经对现有技术文献进行检索发现，在2009年“哈尔滨工程大学博士学位论 文”中的“管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究”一文中提到，动力作 用下土壤刚度表现出明显的非线性，并在加载过程中发生变化。但文中只用数 值方法对管土耦合下的非线性边界条件下的涡激振动做了预报，缺乏试验研究。 而现有海底悬跨管道试验大都是将边界条件简单的取成线性弹簧支撑边界，甚 至处理成简支或者固定边界，没有考虑到管土耦合非线性对悬跨管道涡激振动 响应的影响。所以有必要提供一种非线性弹性支撑边界条件下的圆柱涡激振动 试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供为研究海底悬跨管道的两端管土非线性耦合下的涡 激振动研究提供试验基础的一种可实现非线性边界条件的刚性圆柱涡激振动试 验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种可实现非线性边界条件的刚性圆柱涡激振动试验装置，其特征 是：包括支撑架、垂向约束机构、圆柱模型、支座、光学运动捕捉镜头，支撑 架包括由第一-第十二角钢组成的长方体，其中第一-第四角钢构成长方体的上 底面，第五-第八角钢构成长方体的下底面，第九-第十二角钢为分别连接上底 面四个顶点和下底面四个顶点的棱，垂向约束机构包括槽钢、万向节、铝合金 管，槽钢开口朝上固定在长方体上底面的两个相对的边上，万向节的一端与槽 钢中部相固定，万向节另一端设置外螺纹，铝合金管的上下两端均设置内螺纹， 万向节的外螺纹安装在铝合金管上端的内螺纹里，支座包括方形钢板、螺杆、 螺栓、运动测量光球、第一-第四弹簧，螺杆、螺栓均固定在方型钢板上，螺栓 位于方型钢板的中心，螺栓安装在铝合金管下端的内螺纹里，运动测量光球安 装在螺杆上，方形钢板的四个边中间均开设孔，第一-第四弹簧的第一端分别连 接一个孔，第一-第四弹簧的第二端分别连接第五-第八角钢，圆柱模型固定在 方形钢板下平面的中心，光学运动捕捉镜头设置在支撑架外。

本发明还可以包括：

1、所述的第一-第四弹簧均为非线性弹簧。

2、光学运动捕捉镜头通过数据线连接计算机。

3、圆柱模型的长度不短于1m，第九-第十二角钢以及铝合金管长度相等， 均在4-5m内。

本发明的优势在于：本发明采用变刚度弹簧连接圆柱装置，可通过改变螺 旋弹簧中径、弹簧簧丝直径和弹簧螺旋角等方法实现试验所需非线性特性条件。 本发明装置可应用于循环水槽或者拖曳水池的刚性圆柱涡激振动试验，能更真 实地模拟海底悬跨管道与海床接触等非线性刚度下的涡激振动机理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的垂向约束机构示意图；

图3a为本发明的支座结构示意图a，图3b为本发明的支座结构示意图b；

图4为本发明的支撑架结构示意图；

图5为本发明的非线性弹簧示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，本发明包括非线性弹簧1、垂向约束机构2、圆柱模型3、支 座4、支撑架5、数据采集与分析处理系统7.

圆柱模型3采用厚壁钢管，其直径应根据水池或水槽的造流能力确定，在 满足试验所需的最大约化速度或雷诺数的条件下，尽可能采用大直径圆柱模型， 以获得较大弯曲刚度，避免圆柱模型的弯曲振动。也可以采用较短的圆柱模型， 但不能短于1m，避免水槽自由液面影响试验精度。

如图4所示，支撑架5由12段角钢焊接而成，角钢18、角钢19、角钢20、 角钢21、角钢26、角钢27、角钢28、角钢29长度相等，长度根据水槽宽度确 定，角钢22、角钢23、角钢24、角钢25长度相等且范围应控制在4-5m内， 角钢26、角钢27、角钢28、角钢29朝内上，角钢18、角钢19、角钢20、角 钢21朝内下，角钢22、角钢23、角钢24、角钢25朝内，角钢18、角钢20、 角钢26、角钢27、角钢28、角钢29中间位置开有小圆孔，角钢26及角钢28 靠近两端位置开有小圆孔。

如图2所示，垂向约束机构2包括槽钢9、螺钉12、万向节10、螺栓11、 带内板结构的铝合金管13，槽钢9开口朝上，长度等于角钢19，槽钢9两端各 开有一小圆孔，用于通过螺钉12与角钢18及角钢20固定，万向节10一端焊 接在槽钢9背面中间位置，另一端焊接在螺栓11上，螺栓11旋进铝合金管13 上端，铝合金管13长度等于角钢22。

如图3所示，支座4包括钢板14、螺栓15、运动测量光球16和螺杆17， 钢板14为正方形，边长根据圆柱模型3的直径确定，且各边中间位置开有小圆 孔，用于与角钢26、角钢27、角钢28、角钢29通过弹簧1连接，圆柱模型3 焊接于钢板14下部的中心位置，螺栓15焊接于钢板14上部的中心位置，螺栓 15旋进铝合金管13下端，螺杆17焊接于钢板14适当位置，用于连接运动测 量光球16。

如图5所示，弹簧1为自行设计的满足特定变形-刚度曲线的非线性弹簧。 每根弹簧1两端分别挂在角钢26、角钢27、角钢28、角钢29与钢板14的开 孔位置。

如图1所示，用四根螺钉将通过角钢26及角钢28的两端开孔使支撑架5 固定于水槽上。

如图1所示，将数据采集与分析处理系统的光学运动捕捉镜头7摆放在适 当位置，通过数据线8与计算机6连接。

非线性弹簧1用于连接支座4和支撑架5、垂向约束机构2用于使圆柱的 振动保持在同一平面、支座4用于连接非线性弹簧1和管线模型3及垂向约束 机构2、支撑架5用于支撑垂向约束机构2，数据采集与分析处理部分主要包括 计算机6、数据采集与分析处理系统7、供电电源和数据线8。

弹簧1为自行设计，通过改变线径、中径、节距等参数而满足特定形变- 刚度曲线的非线性弹簧。

垂向约束机构2包括槽钢9、螺钉12、万向节10、螺栓11、带内板结构的 铝合金管13。

支座4包括方形钢板14、螺栓15、运动测量光球16和螺杆17。

支架5为钢骨架结构，它由12段角钢焊接而成。

槽钢9口朝上且两端各有一个开孔、万向节10一端焊接于槽钢9的背面中 间位置，螺栓11焊接在万向节10的另一端、铝合金管13上端内有一定深度的 螺纹。

钢板14的每边中间位置均有一开孔，用于挂弹簧1，螺栓15焊于钢板14 的中心位置。

角钢18、角钢19、角钢20、角钢21朝内下，角钢22、角钢23、角钢24、 角钢25朝内，角钢26、角钢27、角钢28、角钢29朝内上，角钢26、角钢27、 角钢28、角钢29中间位置均有开孔，用于挂非线性弹簧1，角钢18和角钢20 间位置开有圆孔，用于通过螺钉12槽钢9连接，角钢26和角钢28在靠近两端 位置均匀开孔，用于通过螺钉固定在水槽上。

计算机6可采用ThinkPad便携式笔记本电脑或者PC机，数据采集系统7 为Qualisys光学运动捕捉系统。

本发明采用下列技术方案：

非线性弹簧用于连接支座和支撑架，垂向约束机构用于使圆柱的振动保持 在同一平面，支座用于连接非线性弹簧和圆柱模型及垂向约束机构，支撑架用 于支撑垂向约束机构，数据采集与分析处理部分主要用于采集与分析圆柱模型 的振动数据。

弹簧共四根，弹簧为自行设计通过改变线径、中径、节距等参数而满足特 定变形-刚度曲线的非线性弹簧。

垂向约束机构包括槽钢、螺钉、万向节、螺栓、带内板结构的铝合金管。

支座包括方形钢板、螺栓、运动测量光球和螺杆。

支架为钢骨架结构，它由12段角钢焊接而成。

槽钢口朝上且两端各有一个开孔、万向节一端焊接于槽钢的背面中间位置， 螺栓焊接在万向节的另一端、铝合金管上端内有一定深度的螺纹。

钢板的每边中间位置均有一开孔，用于挂弹簧，螺栓焊于钢板的中心位置。

角钢18、角钢19、角钢20、角钢21朝内下，角钢22、角钢23、角钢24、 角钢25朝内，角钢26、角钢27、角钢28、角钢29朝内上，角钢26、角钢27、 角钢28、角钢29中间位置均有开孔，用于挂非线性弹簧，角钢18和角钢20 间位置开有圆孔，用于通过螺钉12槽钢9连接，角钢26和角钢28在靠近两端 位置均匀开孔，用于通过螺钉固定在水槽上。