考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置与方法

摘要

本发明属于海洋工程物理模型实验技术领域，具体地涉及一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置与方法，所述的实验装置包括系统升降装置和垂度调节装置。本发明可灵活地调节实验系统高度以研究结构在距海床不同距离的条件下结构动力响应的区别；本发明可灵活地调节柔性细长结构的垂度以研究结构在不同的垂度条件下涡激振动响应的区别；本发明可消除在测量柔性细长结构端部水平初始张力时系统摩擦阻力的影响。

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程物理模型实验技术领域，具体地涉及一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置与方法。

背景技术

以铺设在海床上的海底电缆为代表的柔性细长结构由于海床的不平整或在水流的持续冲刷下，在其下方常产生悬空段。当流体流经结构的悬空段时，在管段两侧形成交替脱落的漩涡。由于漩涡的脱落，结构在其横流向上受变化的升力的作用，若漩涡脱落频率即结构所受升力的频率与柔性结构所具有的某一阶固有频率接近时，结构发生“锁定”现象。持续的振动易引发结构的疲劳损伤。在实验室内对柔性细长结构在水流冲刷下的涡激振动开展物理模型实验具有重要的工程和科学意义。柔性细长结构在自重和浮力作用下会呈现一定的垂度，这会对结构的固有频率和振型产生影响。在水流的冲刷下，不同垂度的柔性细长结构悬空段的动力响应机理尚不明确，亟需开展物理模型实验进行相关研究工作。

现今已经有一些关于带有一定垂度的柔性结构涡激振动的实验装置，比如中国专利CN112146837A中的一种模拟海底悬跨管振动拍击耦合响应的实验装置及方法，该装置能够预设结构张紧力并在实验中可实时采集张紧力数据，并且可研究结构与海床的拍击作用。但现今的柔性结构涡激振动实验装置往往为确定张紧力后在实验中并不约束结构水平位移。现实中如海缆被冲刷出来的悬跨段虽然其两端的转角约束基本消失，但其轴向位移约束尚在。且现今结构初张力的测量往往包含摩檫力的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于研究柔性细长结构涡激振动动力响应特性、且可调节结构垂度的物理模型试验装置以及实验方法。

本发明的技术方案：

一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置，包括系统升降装置和垂度调节装置。

所述的系统升降装置为左右对称结构，包括左旋转丝杆1、右旋转丝杆11、左导轨2、右导轨12、左滑块3和右滑块13；左导轨2和右导轨12竖直固定在实验台上，左滑块3和右滑块13分别安装在左导轨2和右导轨12上；左滑块3和右滑块13上设有安装孔，左旋转丝杆1和右旋转丝杆11分别安装在左滑块3和右滑块13的安装孔上；实验台上固定有横梁，横梁位于实验水槽的上方，左旋转丝杆1和右旋转丝杆11的顶端安装在横梁上，旋转丝杠带动滑块沿导轨上下移动，从而调节实验系统的高度。

所述的垂度调节装置位于左导轨2和右导轨12之间，用于调节待进行实验的柔性结构14的垂度同时为柔性结构14提供连接点；所述的垂度调节装置包括滑轮4、拉力计5、钢丝绳6、花篮螺栓7、轴向套筒8、左万向节9和右万向节10；所述的滑轮4和拉力计5安装在左导轨2上，拉力计5位于滑轮4上方；所述的轴向套筒8与左滑块3固定连接，位于左导轨2的内侧；轴向套筒8中的滑轴17，一端与钢丝绳6的一端连接，另一端与左万向节9固定连接；钢丝绳6的另一端绕过滑轮4后通过花篮螺栓7与拉力计5连接；所述的右万向节10与右滑块13固定连接，位于右导轨12的内侧；待进行实验的柔性结构14的两端分别与左万向节9和右万向节10连接。

所述的轴向套筒8筒体上设有顶丝孔，顶丝孔上安装有顶丝18，通过拧紧顶丝18以固定滑轴17。

本发明克服了现有细长结构涡激振动物理模型实验相关技术的不足，主要有益效果是：

(1)本发明可灵活地调节实验系统高度以研究结构在距海床不同距离的条件下结构动力响应的区别；

(2)本发明可灵活地调节柔性细长结构的垂度以研究结构在不同的垂度条件下涡激振动响应的区别；

(3)本发明可消除在测量柔性细长结构端部水平初始张力时系统摩擦阻力的影响。

附图说明

图1是一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置。

图2是轴向套筒的示意图。

图中：1左旋转丝杆；2左导轨；3左滑块；4滑轮；5拉力计；6钢丝绳；7花篮螺栓；8轴向套筒；9左万向节；10右万向节；11右旋转丝杆；12右导轨；13右滑块；14柔性结构；15垂度；16柔性结构初始位置；17滑轴；18顶丝。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验装置包括系统升降装置和垂度调节装置。

系统升降装置主要是用来升降实验系统，包括左右两个旋转丝杆(左旋转丝杆1、右旋转丝杆11)，左右两个导轨(左导轨2、右导轨12)，以及对应滑块(左滑块3和右滑块13)。左旋转丝杆1和右旋转丝杆11分别竖直位于左导轨2和右导轨12外侧，并穿过相应左滑块3和右滑块13。左旋转丝杆1和右旋转丝杆11顶端固定在横梁上，横梁固定在实验水槽上方。旋转一侧的旋转丝杆，可控制相应滑块沿着导轨上下移动。

垂度调节装置是在系统升降装置的基础上，增加滑轮4、拉力计5、钢丝绳6、花篮螺栓7、轴向套筒8、左万向节9和右万向节10。所述的垂度调节装置可在实验系统固定的基础上进一步调节柔性结构14的垂度15，同时为柔性结构14提供连接点。所述的垂度15是指柔性结构14的跨中在重力作用下从初始位置16下降的高度。所述的柔性结构14两端与左万向节9和右万向节10相连。轴向套筒8的结构如图2所示，中间为滑轴17，筒体上设有顶丝孔，顶丝孔上安装有顶丝18。左万向节9直接与滑轴17的一端相连，滑轴17的另一端与钢丝绳6相连。同时轴向套筒8与左滑块3刚性连接。右万向节10与右滑块13刚性连接。钢丝绳6绕过滑轮4后与花篮螺栓7连接，花篮螺栓7的另一端与拉力计5相连。

一种考虑垂度效应的柔性细长结构涡激振动实验方法，采用上述实验装置，具体步骤如下：

步骤1)、实验前确定好实验需要的实验系统整体高度及柔性结构14的垂度15；

步骤2)、旋动左旋转丝杆1和右旋转丝杆11使系统达到预定的整体高度位置后，旋紧旋转丝杆使其固定不动；

步骤3)、调节花篮螺栓7使钢丝绳6拉紧，钢丝绳6通过滑轮4拉动轴向套筒8中的滑轴17，可使左万向节9左右移动，从而控制柔性结构14的垂度15；

步骤4)、调整好垂度15至实验的预定值后，记录拉力计5的读数，但该读数对应的拉力包含轴向套筒8中的滑轴17和筒体之间的摩擦力，此摩擦力可通过如下方法消除：调节花篮螺栓7，以改变柔性结构14的垂度15。首先使花篮螺栓7从最短逐步调整至最大，使柔性结构14的垂度15由小至大变化，记录垂度15的数值和拉力计5的读数；再使花篮螺栓7从最长逐步调至最短即使柔性结构14垂度15由大至小变化。两组试验的滑块运动方向相反，则摩擦力方向相反。取同一垂度下两组实验拉力计5读数的平均作为柔性结构14的轴向拉力即可消除摩擦力的影响；

步骤4)旋紧轴向套筒8上的顶丝18，使其将轴向套筒8中的滑轴17固定，即可进行柔性结构14在指定位置处指定垂度下的涡激振动实验。