双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装置

摘要

本发明提供了一种海洋工程技术领域的双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装置，包括：张力腿模型机构、测量分析模块、驱动模块、悬臂模块、底部支撑模块、挡流模块和滑槽模块。张力腿模型机构通过特殊设计的固定端固定在悬臂模块上。底部支撑模块、驱动模块、悬臂模块两两垂直连接。挡流模块通过支架固定在悬臂模块上，底部支撑模块通过高强度螺栓固定在水池钢制升降底上，滑槽模块通过螺栓固定在底部支撑模块上。通过驱动模块带动悬臂旋转。测量分析模块的各测量仪器分散布置于张力腿模型机构、悬臂模块之中。本发明便于拆装，复杂程度低，灵活性高，能够模拟实尺度张力腿、剪切流场。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种海洋工程深水池中 柔性管件模型在双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿的涡激振动测试装置。

背景技术

海洋内孤立波是在密度分层的海洋中普遍存在的一种典型的恶劣海况，它具有 振幅大、持续时间长、非线性等特点。对于张力腿平台来说，频繁活动的内波不仅 会对张力腿产生巨大的冲击载荷，还会使其承受双向剪切流或双向阶梯剪切流的作 用而发生涡激振动。所谓涡激振动，是指处于一定速度来流中的柱状结构物，其两 侧会发生交替泻涡。柱体会受到与漩涡的生成和泻放相关联的横向和流向的脉动压 力。脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种 流体与结构物相互作用的问题称为涡激振动。张力腿的涡激振动现象会严重降低其 疲劳寿命，因此迫切需要对于该问题进行深入研究，发展可靠的张力腿涡激振动预 报方法，为张力腿的工程设计提供帮助。

目前，国内外学术界和工程界针对内波流场中张力腿涡激振动现象的研究较 少，总体分为模型试验和数值模拟两种方式，直接数值模拟涡激振动存在问题较多， 当前经验模型预报软件如SHEAR7等，存在比如效率低、精度差等缺陷，其预报得 到的结果常常与试验结果有较大差距，需要进行评估和修正。通过试验方法可以较 好地研究张力腿的涡激振动现象，在过去一段时间取得了一定的进展，但总的来说 仍存在以下不足之处：1、一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行 实雷诺数下的涡激振动测试。2、一般只能模拟均匀流场中张力腿的涡激振动，不 能模拟剪切流场中张力腿的涡激振动。3、装置较为复杂、笨重，安装不方便，需 要的电机功率很大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双向剪切流和双向阶梯剪切流下张 力腿涡激振动测试装置，能够模拟大型实际尺寸张力腿、双向剪切流和双向阶梯剪切流 场，具有便于拆装、复杂程度低和灵活性高等优点。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种海洋工程技术领域的双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装 置，包括：张力腿模型机构、测量分析模块、驱动模块、悬臂模块、底部支撑模块、挡 流模块和滑槽模块；其中，所述张力腿模型机构固定在悬臂模块上，所述底部支撑模块 与驱动模块垂直连接，所述驱动模块与悬臂模块垂直连接；所述挡流模块固定在悬臂模 块上，所述滑槽模块固定在底部支撑模块上；所述悬臂模块通过驱动模块带动旋转，所 述测量分析模块布置于张力腿模型机构和悬臂模块之中。

所述悬臂模块为一体式结构。

所述双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装置整体垂直设置于海 洋工程深水池中，双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装置的底部支撑 模块通过高强度螺栓固定在水池钢制升降底上，本发明便于拆装，复杂程度低，灵活性 高，能够模拟实尺度张力腿双向剪切流场和双向阶梯剪切流场。

优选地，所述张力腿模型机构包括：张力腿模型、设置于张力腿模型两端的固定端 以及连接板；其中，每一个固定端均包括：万向节、三分力仪传感器、滑动轴、张力腿 固定接头、直线轴承和缓冲弹簧，其中：张力腿固定接头的两端分别与张力腿模型和万 向节的一端相连，万向节的另一端固定设置于三分力仪传感器上，直线轴承的一端固定 三分力仪传感器，并分别与滑动轴和缓冲弹簧相连；固定端通过连接板固定于悬臂模块 的末端。

优选地，所述张力腿模型的单位长度质量与张力腿模型的单位长度排开水质量之比 为1∶1。

优选地，所述张力腿模型机构还包括套筒，所述套筒套接于张力腿模型的一端固定 端端点及设置该固定端一侧的张力腿模型的外侧。

优选地，所述测量分析模块包括：测量单元、水下录像单元、计算单元和无线传输 单元，其中：计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连接用 于传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线 测量信号进行存储和处理。

优选地，所述驱动模块包括：变速齿轮箱、电机、驱动轴、驱动齿轮，其中：变速 齿轮箱的两端分别与电机和驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，驱动齿轮带动悬 臂模块作旋转运动。

优选地，所述变速齿轮箱的减速比为40∶1。

优选地，所述悬臂模块包括：悬臂、稳定支柱、第一斜撑和第二斜撑，其中：所述 悬臂分为水平悬臂段和竖向悬臂段，竖向悬臂段通过第一斜撑保证强度，竖向悬臂段的 末端与张力腿模型机构连接；悬臂的中心与底部支撑模块通过固定装置连接，悬臂的底 部与固定装置底部通过第二斜撑和稳定支柱连接，稳定支柱的下端在与滑槽模块接触的 面上分别布置有钢珠。

优选地，稳定支柱的下端在与滑槽模块的环状凹形滑槽接触的三个面上分别布置有 钢珠，方便稳定支柱在滑槽模块中做旋转运动；稳定支柱起运动稳定作用，防止悬臂转 动过程中发生大幅度晃动；斜撑可提高结构强度。

优选地，所述悬臂采用中空矩形块结构，中空矩形块结构的内部高度为94mm，外 部高度为100mm，宽为0.6m，水平跨距为5m。

优选地，水平悬臂段和竖向悬臂段焊接在一起。

优选地，所述挡流模块包括：底部挡流板和侧面挡流板；其中，底部挡流板通过支 架固定在水平悬臂段，侧面挡流板固定在竖向悬臂段。

优选地，所述滑槽模块包括：滑槽支撑底座、滑槽锁定装置，滑槽支撑底座通过螺 栓固定在底部支撑模块上，滑槽锁定装置与滑槽支撑底座通过螺栓连接从而形成环状凹 形滑槽，悬臂模块的稳定支柱通过钢珠在环状凹形滑槽内滑动。

优选地，所述底部支撑模块包括：圆筒轴和底部基座；其中，圆筒轴的内部放置驱 动模块(电机、变速齿轮箱、驱动齿轮和驱动轴)，圆筒轴的下部焊接在底部基座上； 滑槽模块通过螺栓固定于底部基座的上端，底部基座通过高强度螺栓固定设置于海洋工 程深水池的升降底上，进而使双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装置 整体设置于海洋工程深水池中。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1、本发明的旋转装置测试时间长，实验数据的稳定性好、准确度高；

2、本发明能够模拟更加真实的海洋环境，包括双向剪切流和双向阶梯剪切流场， 以及真实海洋环境中实际尺寸管件大雷诺数的特点，这比以往测试方法有显著的进步；

3、本发明灵活性高，可以通过改变套筒套接位置和长度模拟不同工况的双向阶梯 剪切流；

4、本发明装置复杂程度低，质量轻，模块化且装卸方便，要求的电机功率较低， 性能和效率较以往张力腿的涡激振动测试装置有很大提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明不带套筒结构示意图。

图2是测量分析模块示意图。

图3是驱动模块的结构正视图。

图4是悬臂模块和挡流模块的结构示意图。

图5是底部支撑模块的结构示意图。

图6是滑槽模块的结构示意图。

图7是张力腿模型机构中固定端的正视图。

图8是张力腿模型机构中固定端的俯视图。

图9是张力腿模型机构示意图。

图10是本发明带套筒结构示意图。

图中：1为张力腿模型机构，2为测量分析模块，3为驱动模块，4为悬臂模块， 5为挡流模块，6为底部支撑模块，7为滑槽模块，8为测量单元，9为水下录像单元， 10为计算单元，11为无线传输单元，12为变速齿轮箱，13为电机，14为驱动轴，15 为驱动齿轮，16为稳定支柱，17为悬臂，18为斜撑，19为套筒，20为底面挡流板， 21为侧面挡流板，22为圆筒轴，23为底部基座，24为滑槽支撑底座，25滑槽锁定装 置，26为张力腿模型，27为万向节，28为三分力仪传感器，29为滑动轴，30为连接 板，31为张力腿固定接头，32为直线轴承，33为缓冲弹簧。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发 明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种双向剪切流和双向阶梯剪切流下张力腿涡激振动测试装置，包 括：张力腿模型机构、测量分析模块、驱动模块、悬臂模块、底部支撑模块、挡流模块 和滑槽模块。其中，张力腿模型机构通过特殊设计的固定端固定在悬臂模块上，底部支 撑模块与驱动模块垂直连接，驱动模块与悬臂模块垂直连接。挡流模块通过支架固定在 悬臂模块上。滑槽模块通过螺栓固定在底部支撑模块上。底部支撑模块通过高强度螺栓 固定在海洋工程深水池的钢制升降底上，通过驱动模块带动悬臂模块旋转，测量分析模 块的各测量仪器分散布置于张力腿模型机构和悬臂模块之中。

进一步地，所述的张力腿模型机构包括：张力腿模型、设置于张力腿模型两端的固 定端以及连接板；其中每一个固定端均包括：万向节、三分力传感器、滑动轴、张力腿 固定接头、直线轴承和缓冲弹簧，其中：张力腿固定接头的两端分别与张力腿模型和万 向节的一端相连，万向节的另一端固定设置于三分力仪传感器上，直线轴承一端固定三 分力仪传感器，并分别与滑动轴和缓冲弹簧相连。固定端通过连接板固定于竖向悬臂末 端。

进一步地，所述张力腿模型机构还包括套筒，套筒套接于张力腿模型的左端点及整 个左部的外侧，使带套筒部分的张力腿模型不受流体载荷，从而实现模拟双向阶梯剪切 流的目的。

进一步地，所述的张力腿模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1∶ 1。

进一步地，所述的测量分析模块包括：测量单元、水下录像单元、计算单元和无线 传输单元，其中：计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连 接以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无 线测量信号进行存储和处理。

进一步地，所述的驱动模块包括：变速齿轮箱、电机、驱动轴、驱动齿轮，其中： 变速齿轮箱两端分别与电机和驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，驱动齿轮带动 悬臂模块作旋转运动，电机、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴固定设置于底部支撑模块 的圆筒轴内部。

进一步地，所述的变速齿轮箱的减速比为40∶1。

进一步地，所述的悬臂模块包括：悬臂、稳定支柱和斜撑，其中：所述的悬臂采用 中空矩形块结构，中空矩形块结构的内部高度为94mm，外部高度为100mm，宽为0.6m， 水平跨距为5m；悬臂分为水平悬臂段和竖向悬臂段，竖向悬臂段使用斜撑(第一斜撑) 保证强度，竖向悬臂段的末端与张力腿模型机构中的固定端连接，悬臂各段(水平悬臂 段和竖向悬臂段)焊接在一起。悬臂的中心与底部支撑模块的圆筒轴通过固定装置连接， 悬臂的下部(底部)与固定装置的底部使用斜撑(第二斜撑)和稳定支柱连接，稳定支 柱的下端在与滑槽模块的环状凹形滑槽相接触的三个面上布置有钢珠，方便稳定支柱在 环状滑槽中做旋转运动。稳定支柱起运动稳定作用，防止悬臂转动过程中发生大幅度晃 动。斜撑可提高结构强度。

进一步地，所述的挡流模块包括：底部挡流板，侧面挡流板。其中底部挡流板通 过支架固定在水平悬臂段上，侧面挡流板固定在竖向悬臂段上，可用于消除下方机构对 上方流场的影响，营造良好的实验流场环境。

进一步地，所述的底部支撑模块包括：圆筒轴和底部基座。其中：圆筒轴的内部放 置驱动模块，下部焊接在底部基座上。滑槽模块通过螺栓固定于底部基座上端，底部基 座通过高强度螺栓固定设置于海洋工程深水池的升降底上。

进一步地，所述的滑槽模块包括：滑槽支撑底座和滑槽锁定装置，滑槽支撑底座通 过螺栓固定在底部支撑模块上，滑槽锁定装置与滑槽支撑底座通过螺栓连接从而形成环 状凹形滑槽，稳定支柱通过钢珠在环状凹形滑槽内滑动。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

如图1所示，本实施例包括：张力腿模型机构1、测量分析模块2、驱动模块3、悬 臂模块4、挡流模块5、底部支撑模块6和滑槽模块7，其中：张力腿模型机构1通过特 殊设计的固定端固定在悬臂模块4上，底部支撑模块6、驱动模块3、悬臂模块4两两 垂直连接。挡流模块5通过支架固定在悬臂模块4上，底部支撑模块6通过高强度螺栓 固定在水池钢制升降底上，通过驱动模块3带动悬臂旋转。悬臂模块4的稳定支柱通过 在滑槽模块7的滑槽内滑动起运动稳定作用。测量分析模块的各测量仪器分散布置于管 件模型、悬臂模块4之中。整个装置垂直置于海洋工程深水池中。

如图2所示，所述的测量分析模块2包括：测量单元8、水下录像单元9、计算单 元10和无线传输单元11，其中：计算单元10设置于海洋工程深水池的拖车的机房内并 与无线传输单元11相连接以传输水下录像单元9和测量单元8输出的无线测量信号， 计算单元10实时地对接收到的无线测量信号进行存储和处理。

如图3所示，所述的驱动模块3包括：变速齿轮箱12、电机13、驱动轴14、驱动 齿轮15，其中：变速齿轮箱12两端分别与电机13和驱动轴14相连接，驱动轴14与驱 动齿轮15相连接，电机13、变速齿轮箱12、驱动齿轮15、驱动轴14固定设置于圆筒 轴内部。所述的变速齿轮箱12的减速比为40∶1。

如图4所示，所述的悬臂模块4包括：稳定支柱16、悬臂17、斜撑18，其中：悬 臂17中心与圆筒轴垂直连接，悬臂下部使用斜撑18和稳定支柱16连接，稳定支柱16 在与环状凹形滑槽接触的三个面上布置有钢珠，在滑槽中做旋转运动。悬臂的末端与张 力腿模型机构1中的固定装置连接。

所述的挡流模块5包括固接于水平悬臂段的底面挡流板20和固接于竖向悬臂段的 侧面挡流板21。

如图5所示，所述的底部支撑模块6包括：圆筒轴22、底部基座23。其中：圆筒 轴22的下部通过螺栓与底部基座23连接，底部基座23通过高强度螺栓固定设置于海 洋工程深水池的升降底上，所述的驱动模块3固定设置于其中。

如图6所示，所述的滑槽模块7包括滑槽支撑底座24和滑槽锁定装置25。滑槽支 撑底座24通过高强度螺栓固定在底部支撑模块6上，滑槽锁定装置25与滑槽支撑底座 24用螺栓连接形成滑槽。悬臂模块的稳定支柱16在滑槽内旋转起稳定作用。

如图7、8所示，所述的张力腿模型机构包括：张力腿模型26、万向节27、三分力 仪传感器28、滑动轴29、连接板30、张力腿固定接头31、直线轴承32和缓冲弹簧33， 其中：张力腿固定接头31的两端分别与张力腿模型26和万向节27的一端相连，万向 节27的另一端固定设置于三分力仪传感器28上，直线轴承32一端固定三分力仪传感 器28，并分别与滑动轴29和缓冲弹簧33相连。整体张力腿固定装置通过连接板30固 定在竖向悬臂的末端。

如图9、10所示，所述的张力腿模型机构还包括套筒19，套筒19套接于张力腿模 型的左端点及整个左部的外侧，使带套筒部分的张力腿模型不受流体载荷，从而实现模 拟双向剪切流和双向阶梯剪切流的目的。

如图9所示，所述的套筒19具体套接于张力腿模型的左端点及左部的外侧，使带 套筒部分的张力腿模型在测试装置运转时不受水流作用，从而实现模拟双向阶梯剪切流 的目的，套筒19的固定位置以及长度可根据需要沿张力腿模型轴向改变，以模拟不同 形式的双向阶梯剪切流。

本实施例的制作和安装过程如下：

在测试前，先根据海洋工程深水池的尺寸、管件的实际尺寸、测试工况的具体情况 和测试的经济性选择合适的模型缩尺比和测试工况。按照整个测试装置的强度控制要求 以及振动控制要求确定各个模块的具体尺寸和材料。各模块准备好后具体的安装过程如 下。

在地面组装底部支撑模块6组装完成后升高海洋工程深水池的升降底，将底部支撑 模块6的底座用螺栓固定在升降底上。然后适当降低升降底安装底部悬臂模块4。然后 将内置驱动模块3的底部支撑模块6通过螺栓固定在平台升降底上，再将滑槽模块7的 滑槽支撑底座24通过螺栓固定在底部支撑模块6上，再安装悬臂模块4，安装悬臂模块 4时应先在稳定支柱16与滑槽接触的三个面上布置钢珠，再放置悬臂中段，使其与底部 支撑模块的圆筒轴21中的电机驱动轴14相连，然后放置滑槽锁定装置25，滑槽锁定装 置25与滑槽支撑底座24之间用螺栓固定，再用法兰盘和螺栓将外段悬臂固定在悬臂中 段上。固定好悬臂模块4后，将挡流模块5固定在悬臂17上。在安装上述模块的同时， 在地面组装张力腿模型机构1，并将张力腿模型机构1固定在悬臂上。最后安装测量分 析模块2，将圆筒轴中的数据线连接到测量分析模块2上。

在测量分析模块2中的计算机上安装好计算机实时分析软件和图像处理软件，然后 将从测试管件两端导出来的数据线连接到电脑上。同时将测试装置中的测量仪器导出来 的电源线接上电源。

整体安装完成后调试装置。调试完成后就可以根据具体工况和测试技术要求启动测 试装置进行测试。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。