[发明专利]大长径比结构物涡激振动行波的测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域的实验测试系统，具体地说，涉及的是一种测试大长径比结构物涡激振动行波特性的测试系统。

背景技术

近年来，由于世界各国对油气资源的大量需求，离岸的油气开发已经逐渐从近海迈向深海区域。在深海区域内服役的海洋结构物如海洋立管和输油管面临较为突出的涡激振动问题，这些结构物的长度与直径比达到102到103量级，属于大长径比结构物。同样地，水中悬浮隧道的重要组成部分锚索也是面临涡激振动问题的一类大长径比结构物。涡激振动是由漩涡脱落诱发的流体力激发的结构物振动，是上述大长径比结构物结构物发生疲劳破坏的主要诱因之一，研究此类结构物的涡激振动，对其安全性显得尤为重要。 

与小长径比结构物相比，大长径比结构物的涡激振动有着鲜明的不同，其中行波振动是其最显著特征之一。研究行波振动有着重要的意义，首先，由于判断行波是否出现是大长径比结构物疲劳寿命预测的前提。以往绝大多数涡激振动预测模型都是基于结构物仅发生驻波振动这一假设，当发生行波振动时，这些预测模型无法预测结构物的疲劳寿命。其次，结构物发生行波振动时，其动力学特征明显不同于驻波，而且这些特征对于结构物安全性的影响不同于驻波。

目前，模型试验是研究大长径比结构物涡激振动行波特征最可靠和最主要的研究手段之一。通过模型试验，可以较为全面地观察到涡激振动行波现象及其特征，获得较为可靠的实验结果。同时试验可用来检验理论分析和数值模拟的精度。

振动波包括行波和驻波，根据已有的一些结论，响应是由行波和驻波迭加而成，行波传播到模型边界处发生反射，反射波和入射波在模型边界处迭加成驻波，而且随着驻波逐渐靠近模型顶端，驻波的幅值逐渐增加。麻省理工学院Vandiver教授等指出，可使用波动参数 来预测响应的波动类型，其中 是水动力学阻尼，是模态阶数。他们建议，如果这个参数小于0.2，响应就呈清晰的驻波，如果参数大于2，行波就成了典型的特征，当参数值在0.2到2时，响应就是行波和驻波的迭加。根据此结论，涡激振动实验中，行波往往发生在结构物的高阶模态中，结构物模型的长径比，即长度和直径之比很大，需要较为复杂和昂贵的实验设备，这就使得实施这一类型的实验显得较为困难。这些实验中，一般将应变响应作为响应的首要来源，部分原因是由于应变响应直接和结构物疲劳相关。加速度和位移响应一般作为辅助的测量。测量设备需要高测量采样率以及良好的时间同步。另外传感器的空间分布也需要仔细考虑。

涡激振动行波实验模型装置的设计目标是，测得的振动响应能够展现模型行波传播的重要特性。为了使模型发生行波振动，需要仔细选择模型材料、模型结构、模型顶端张力、模型端部约束，此外模型周围的流场也需要仔细考虑。

目前，国内外不同机构开展了一系列涡激振动实验，但观察到行波振动的实验并不多。由于行波振动需要实验模型的长径比较大，故此类实验一般是在大尺度水池或是实际海洋中进行，这些实验中长径比可作为关键参数来考量。比如：麻省理工学院Vandiver教授课题组在墨西哥湾中进行了大长径比结构物涡激振动的外场实验，实验中观察到了行波振动，模型长径比超过了3000，模型一端采用万向节连接，并用张力计和倾角计测量张力和倾斜角度，模型另一端连接有重物来施加张力。Trim等在执行NDP项目的过程中，实施了一系列大长径比结构物涡激振动，实验过程中观察到了行波振动，模型长度为38m，直径为0.027m，两端采用万向节连接。经分析，以上代表性的实验工作并不是为了系统地观察行波现象，模型端部的约束方式、张力控制方式以及传感器布置没有考虑到观察行波现象的需求，例如，没有采用完全弹簧连接的约束方式，模型张力也不能任意调节。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种系统观察涡激振动行波现象并研究行波振动特性的测试系统。

本发明采用如下技术方案：