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1、(10)申请公布号 CN 102305696 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305696 A *CN102305696A* (21)申请号 201110219628.7 (22)申请日 2011.08.02 G01M 7/06(2006.01) G01M 10/00(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 付世晓 杨建民 汪学锋 彭涛 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 阶梯流下顶部可运动深海立管列阵模型涡激 振动试验装置 (。
2、57) 摘要 一种海洋工程技术领域的可考虑顶部运动影 响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振动模拟试 验装置， 包括 ： 若干个深海立管模块、 顶部支撑模 块、 底部支撑模块、 两个垂直轨道模块、 水平轨道 模块、 四个整流罩模块、 套筒模块、 四个电机模块 和测量分析控制模块。本发明能够安装大尺度立 管模型， 从而避免尺度效应， 本发明能够充分利用 垂直轨道模块和水平轨道模块来模拟大尺度立管 模型在海洋平台的影响下的涡激振动， 本发明能 够根据实际需要模拟深海立管模块所形成的不同 阵列。 本发明由于在立管模型外部设置套筒， 使得 套筒内部立管试验中不受水流的作用， 实现阶梯 流的模拟， 使得模拟。
3、立管模型的外部环境更加真 实， 本发明采用模块化设计， 安装和拆卸均非常方 便。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 5 页 CN 102305703 A1/2 页 2 1. 一种可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振动模拟试验装置， 其 特征在于， 包括 ： 若干个深海立管模块、 顶部支撑模块、 底部支撑模块、 两个垂直轨道模块、 水平轨道模块、 四个整流罩模块、 套筒模块、 四个电机模块和测量分析控制模块， 其中 ： 两个 垂直轨道模块分别与水平轨道模块的底部和顶部支撑模块以及底部支撑模块。
4、连接， 水平轨 道模块分别与拖车另一侧的底部和两个垂直轨道模块的顶部连接， 若干个深海立管模块两 端分别与顶部支撑模块和底部支撑模块连接， 四个整流罩模块的整流罩边板分别穿过且固 定于两个垂直轨道模块的外部， 每个垂直轨道模块上有两个整流罩模块， 测量分析控制模 块设置于拖车上， 测量分析控制模块通过导线分别与深海立管模块、 顶部支撑模块、 底部支 撑模块以及四个电机模块连接， 四个电机模块分为两组， 其中的两个电机模块安装在水平 轨道模块上来控制两个垂直轨道模块的运动， 剩余的两个电机模块分别安装在两个垂直轨 道模块的顶部上来控制两个垂直轨道模块上的滑块的运动， 控制顶部支撑模块和底部支撑 。
5、模块的运动， 套筒模块套在若干个深海立管模块外部且与底部支撑模块连接。 2. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的深海立管模块包括 ： 光纤光栅传感器、 两个立管固定接 头和深海立管模型， 其中 ： 光纤光栅传感器沿立管模型表面轴向均匀布置， 深海立管模型两 端分别与两个立管固定接头连接， 两个立管固定接头分别与顶部支撑模块和底部支撑模块 连接， 光纤光栅传感器与测量分析控制模块连接， 深海立管模块用来模拟实际海洋中的立 管 ； 所述的顶部支撑模块包括 ： 顶部连接架、 水平支座、 支撑板和若干个顶部转动传感结 构， 。
6、其中 ： 顶部连接架的一端和一个垂直轨道模块上的滑块连接， 另一端和水平支座连接， 支撑板分别和水平支座以及若干个顶部转动传感结构相连， 若干个顶部转动传感结构分别 与若干个深海立管模块一一对应连接， 若干个顶部转动传感结构和测量分析控制模块连 接， 顶部支撑模块用来固定深海立管模块的一端 ； 所述的顶部转动传感结构包括 ： 传感器和万向节， 其中 ： 传感器分别与支撑板、 万向节 和测量分析控制模块连接， 万向节与深海立管模块连接。 3. 根据权利要求 2 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的底部支撑模块包括 ： 底部连接架、 支架安。
7、装座、 弹性滑动 组件、 直线轴承和若干个底部转动传感结构， 其中 ： 底部连接架的一端和另一个垂直轨道模 块上的滑块连接， 另一端和支架安装座连接， 支架安装座与直线轴承连接， 弹性滑动组件穿 过支架安装座且与若干个底部转动传感结构连接， 若干个底部转动传感结构分别与若干个 深海立管模块一一对应连接， 若干个底部转动传感结构和测量分析控制模块连接 ； 所述的弹性滑动组件包括 ： 前支撑板、 滑动轴、 缓冲弹簧和后支撑板， 其中 ： 缓冲弹簧 套在滑动轴外部且分别与后支撑板和直线轴承连接， 前支撑板、 滑动轴、 后支撑板依次串联 连接， 前支撑板分别与若干个底部转动传感结构连接 ； 所述的底部。
8、转动传感结构包括 ： 传感器和万向节， 其中 ： 传感器分别与弹性滑动组件、 万向节和测量分析控制模块连接， 万向节与对应的深海立管模块连接。 4. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的垂直轨道模块由垂直轨道， 滑块和顶部连接块组成， 该 垂直轨道垂直于水平轨道和拖曳水池池底且分别与水平轨道、 整流罩模块连接， 每个垂直 权 利 要 求 书 CN 102305696 A CN 102305703 A2/2 页 3 轨道模块的顶部安装有一个电机模块， 若干个深海立管模块可以在垂直轨道模块的作用下 做垂直方向上的往复运动。。
9、 5. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的水平轨道模块由水平轨道和支撑梁组成， 该水平轨道垂 直于垂直轨道， 平行于拖曳水池池底， 且分别与拖车和垂直轨道相连， 水平轨道模块的两端 安装有两个电机模块， 若干个深海立管模块可以在水平轨道模块的作用下做水平方向的往 复运动。 6. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的整流罩模块由固定连接的整流罩外壳和整流罩边板组 成， 整流罩外壳与整流罩边板连接， 四个整流罩边板分别与两个垂直轨道的外表面连接，。
10、 每 个垂直轨道上安装两个整流罩模块， 二者呈对称布置， 整流罩外壳呈机翼型剖面， 该结构能 够大大减小整个试验装置运动过程中的阻力和兴波。 7. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的电机模块为已有试验设备， 四个电机模块分为两组， 其 中的两个电机模块安装在水平轨道模块上来控制两个垂直轨道模块的运动， 剩余的两个电 机模块分别安装在两个垂直轨道模块的顶部来控制两个垂直轨道模块上的滑块的运动， 从 而控制顶部支撑模块和底部支撑的运动。 8. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动。
11、模拟试验装置， 其特征是， 所述的套筒模块由固定连接的套筒连接杆和套筒件组成， 套筒 件套在若干个深海立管模块的外侧， 套筒连接杆与底部支撑模块件连接， 套筒模块使带套 筒件部分的若干个深海立管模块在试验中不受水流的作用， 从而模拟阶梯流。 9. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的测量分析控制模块包括 ： 光纤数据采集单元、 力数据采 集单元和电机控制单元， 其中 ： 光纤数据采集单元分别与若干个深海立管模块连接， 力数据 采集单元分别与顶部支撑模块和底部支撑模块连接， 电机控制单元与四个电机模块连接， 光纤数据采集。
12、单元、 力数据采集单元和电机控制单元各自独立， 均位于拖车上。 10. 根据权利要求 1 所述的可考虑顶部运动影响的阶梯流下深海立管列阵模型涡激振 动模拟试验装置， 其特征是， 所述的光纤数据采集单元和力数据采集单元含有实时采集分 析软件， 能够记录和分析试验中立管模型的应变和受力 ； 所述拖车实现双向的不同速度下的匀速直线运动， 所述拖曳水池装有水， 为海底立管 列阵模型提供水环境， 二者相对运动即可模拟不同流速的阶梯流。 权 利 要 求 书 CN 102305696 A CN 102305703 A1/7 页 4 阶梯流下顶部可运动深海立管列阵模型涡激振动试验装置 技术领域 0001 本发。
13、明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置， 具体是一种阶梯流下顶部可运动 深海立管列阵模型涡激振动试验装置。 背景技术 0002 根据流体力学知识， 将柱状结构物置于一定速度的来流当中， 其两侧会发生交替 泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联， 柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是 弹性支撑的， 那么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。 这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。深海立管常常以列阵的形式出现， 各立管 由于彼此接近， 相互之间会有水动力干扰， 导致更为复杂的涡激振动。 例如在海流或海洋平 台的运动的作用下， 悬置于海中的海洋平台立管、 拖缆、 海底。
14、管线、 spar 平台的浮筒、 系泊缆 索等柔性管件上会出现涡激振动现象， 将会导致柔性管件的疲劳破坏。 0003 目前为止， 对柔性管件涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方 法。 通过模型试验方法可以加深对柔性立管涡激振动机理以及海洋平台的运动对立管的涡 激振动的影响的认识， 并提供可靠的立管涡激振动预报途径和技术。为了使试验中模拟的 现象更加接近于自然界中的真实情况， 除了采用先进的试验装置， 试验中模拟的环境也必 须和自然界接近。在实际海洋中， 整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的。例如墨 西哥湾 2000m 水深的海域， 一般表层 300m 内的平均流速是 300m 8。
15、00m 水深范围内平均流 速的 4 到 5 倍， 是 800m 以下平均流速的 20 倍以上。由此可见， 海洋中整个深度范围内的流 速截面应该更接近于阶梯状的流场。 0004 经过对现有技术文献的检索发现， 目前的涡激振动测试装置一般只能安装单 根立管。在第 14 届国际近海与极地工程会议 “Proceedings of the Fourteen(2004) International Offshore and Polar Engineering Conference” 中的论文 “Laboratory Investigation of Long Riser VIV Response” ( 长。
16、立管涡激振动响应的实验研究 ) 是关 于柔性管件涡激振动实验研究的， 文中提到了一种柔性管件涡激振动模型试验技术， 把柔 性立管横置于拖曳水池中， 拖车拖动立管模型产生均匀流场。用布置在立管内部的加速度 传感器来测量立管的运动， 在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。 经分析， 该试验技 术的不足之处在于 ： 1、 一般只能模拟小尺度管件的涡激振动， 尺度效应难以避免 ； 2、 受海 洋工程水池拖车速度限制， 难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动试验。3、 受拖曳海洋工 程深水池长度的限制， 所得到的测试段距离较小， 测得的试验数据较少。 4、 不能进行强迫振 荡试验。5、 不能模拟平台的运动。
17、， 从而研究平台的运动对立管涡激振动的影响。6、 只能进 行单根立管模型的涡激振动试验， 难以进行两根甚至多根立管列阵的涡激振动试验。7、 一 般只能模拟均匀流的涡激振动， 难以进行阶梯流下的涡激振动试验。 发明内容 0005 本发明针对现有技术存在的上述不足， 提供一种阶梯流下顶部可运动深海立管列 说 明 书 CN 102305696 A CN 102305703 A2/7 页 5 阵模型涡激振动试验装置， 本发明利用垂直轨道模块与水平轨道模块以及拖车和拖曳水池 的相对运动模拟不同流速的来流， 加上套筒的局部阻流作用， 实现阶梯流的模拟， 从而实现 在实验室环境下模拟深海立管列阵涡激振动。 。
18、本发明测试时间长且能够测试流速高的横置 于拖曳水池中的深海立管列阵模型， 也可以进行深海立管列阵模型的往复振荡测试。 0006 本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明包括 ： 若干个深海立管模块、 顶部支撑 模块、 底部支撑模块、 两个垂直轨道模块、 水平轨道模块、 四个整流罩模块、 套筒模块、 四个 电机模块和测量分析控制模块， 其中 ： 两个垂直轨道模块分别与水平轨道模块的底部和顶 部支撑模块以及底部支撑模块连接， 水平轨道模块分别与拖车另一侧的底部和两个垂直轨 道模块的顶部连接， 若干个深海立管模块两端分别与顶部支撑模块和底部支撑模块连接， 四个整流罩模块的整流罩边板分别穿过且固定于两。
19、个垂直轨道模块的外部， 每个垂直轨道 模块上有两个整流罩模块， 测量分析控制模块设置于拖车上， 测量分析控制模块通过导线 分别与深海立管模块、 顶部支撑模块、 底部支撑模块以及四个电机模块连接， 四个电机模块 分为两组， 其中的两个电机模块安装在水平轨道模块上来控制两个垂直轨道模块的运动， 剩余的两个电机模块分别安装在两个垂直轨道模块的顶部上来控制两个垂直轨道模块上 的滑块的运动， 从而控制顶部支撑模块和底部支撑模块的运动， 套筒模块套在若干个深海 立管模块外部且与底部支撑模块连接。 0007 所述的深海立管模块的个数大于等于 2。 0008 所述的深海立管模块包括 ： 光纤光栅传感器、 两个。
20、立管固定接头和深海立管模型， 其中 ： 光纤光栅传感器沿立管模型表面轴向均匀布置， 深海立管模型两端分别与两个立管 固定接头连接， 两个立管固定接头分别与顶部支撑模块和底部支撑模块连接， 光纤光栅传 感器与测量分析控制模块连接。深海立管模块用来模拟实际海洋中的立管。 0009 所述的顶部支撑模块包括 ： 顶部连接架、 水平支座、 支撑板和若干个顶部转动传感 结构， 其中 ： 顶部连接架的一端和一个垂直轨道模块上的滑块连接， 另一端和水平支座连 接， 支撑板分别和水平支座以及若干个顶部转动传感结构相连。若干个顶部转动传感结构 分别与若干个深海立管模块一一对应连接， 若干个顶部转动传感结构和测量分。
21、析控制模块 连接。顶部支撑模块用来固定深海立管模块的一端。 0010 所述的顶部转动传感结构包括 ： 传感器和万向节， 其中 ： 传感器分别与支撑板、 万 向节和测量分析控制模块连接， 万向节与深海立管模块连接。 0011 所述的底部支撑模块包括 ： 底部连接架、 支架安装座、 弹性滑动组件、 直线轴承和 若干个底部转动传感结构， 其中 ： 底部连接架的一端和另一个垂直轨道模块上的滑块连接， 另一端和支架安装座连接， 支架安装座与直线轴承连接， 弹性滑动组件穿过支架安装座且 与若干个底部转动传感结构连接， 若干个底部转动传感结构分别与若干个深海立管模块 一一对应连接， 若干个底部转动传感结构和。
22、测量分析控制模块连接。底部支撑模块用来固 定深海立管模块的另一端， 并对试验过程中深海立管模块发生涡激振动时提供缓冲作用。 0012 所述的弹性滑动组件包括 ： 前支撑板、 滑动轴、 缓冲弹簧和后支撑板， 其中 ： 缓冲 弹簧套在滑动轴外部且分别与后支撑板和直线轴承连接， 前支撑板、 滑动轴、 后支撑板依次 串联连接， 前支撑板分别与若干个底部转动传感结构连接。 0013 所述的底部转动传感结构包括 ： 传感器和万向节， 其中 ： 传感器分别与弹性滑动 组件、 万向节和测量分析控制模块连接， 万向节与对应的深海立管模块连接。 说 明 书 CN 102305696 A CN 102305703 。
23、A3/7 页 6 0014 所述的垂直轨道模块由垂直轨道， 滑块和顶部连接块组成， 该垂直轨道垂直于水 平轨道和拖曳水池池底且分别与水平轨道、 整流罩模块连接， 每个垂直轨道模块的顶部安 装有一个电机模块。 若干个深海立管模块可以在垂直轨道模块的作用下做垂直方向上的往 复运动。 0015 所述的水平轨道模块由水平轨道和支撑梁组成， 该水平轨道垂直于垂直轨道， 平 行于拖曳水池池底， 且分别与拖车和垂直轨道相连， 水平轨道模块的两端安装有两个电机 模块。若干个深海立管模块可以在水平轨道模块的作用下做水平方向的往复运动。 0016 所述的整流罩模块由固定连接的整流罩外壳和整流罩边板组成。 整流罩外。
24、壳与整 流罩边板连接， 四个整流罩边板分别与两个垂直轨道的外表面连接。每个垂直轨道上安装 两个整流罩模块， 二者呈对称布置。 整流罩外壳呈机翼型剖面， 该结构能够大大减小整个试 验装置运动过程中的阻力和兴波。 0017 所述的整流罩模块的个数为 4。 0018 所述的电机模块为已有试验设备。四个电机模块分为两组， 其中的两个电机模块 安装在水平轨道模块上来控制两个垂直轨道模块的运动， 剩余的两个电机模块分别安装在 两个垂直轨道模块的顶部来控制两个垂直轨道模块上的滑块的运动， 从而控制顶部支撑模 块和底部支撑的运动。 0019 所述的电机模块的个数为 4。 0020 所述的套筒模块由固定连接的套。
25、筒连接杆和套筒件组成， 套筒件套在若干个深海 立管模块的外侧， 套筒连接杆与底部支撑模块件连接。套筒模块使带套筒件部分的若干个 深海立管模块在试验中不受水流的作用， 从而模拟阶梯流。 0021 所述的测量分析控制模块包括 ： 光纤数据采集单元、 力数据采集单元和电机控制 单元， 其中 ： 光纤数据采集单元分别与若干个深海立管模块连接， 力数据采集单元分别与顶 部支撑模块和底部支撑模块连接， 电机控制单元与四个电机模块连接， 光纤数据采集单元、 力数据采集单元和电机控制单元各自独立， 均位于拖车上。 0022 所述的光纤数据采集单元和力数据采集单元含有实时采集分析软件， 能够记录和 分析试验中立。
26、管模型的应变和受力。电机控制单元能够控制四个电机， 从而控制两个垂直 轨道模块， 顶部支撑模块以及底部支撑模块各自的运动。 0023 所述拖车和拖曳水池均为已有试验设施， 拖车可实现双向的不同速度下的匀速直 线运动， 拖曳水池装一定深度的水， 为海底立管列阵模型提供水环境， 二者相对运动即可模 拟不同流速的阶梯流。 0024 本发明使用时， 根据顶部支撑模块、 底部支撑模块以及两个垂直轨道模块的运动 状态， 可以将研究的问题分为以下几类 ： 1) 当把顶支撑模块和底部支撑模块固定在垂直轨道模块上， 不让其沿着垂直轨道模块 运动， 而且不允许两个垂直轨道模块沿着水平轨道模块运动， 让拖车带动整个。
27、模型运动， 可 以研究深海立管列阵在不受海洋平台运动影响下的涡激振动。 0025 2) 当将两个垂直轨道模块固定， 让顶部支撑模块和底部支撑模块沿着各自的垂直 轨道模块同步的做垂直方向上的往复运动， 而拖车不动， 就可以研究深海立管列阵的强迫 振动。 0026 3) 当让顶撑模块沿着垂直轨道模块做垂直方向上的往复运动， 不允许底部支撑模 说 明 书 CN 102305696 A CN 102305703 A4/7 页 7 块和两个垂直轨道模块以及拖车运动， 就可以研究深海立管列阵只在海洋平台运动的作用 下的涡激振动。 0027 4) 当让顶部支撑模块沿着垂直轨道模块做垂直方向上的往复运动， 不。
28、允许底部支 撑模块和两个垂直轨道模块运动， 让拖车带动整个模型运动， 就可以研究深海立管列阵在 流向垂直于海洋平台运动方向的来流作用下以及海洋平台运动的影响下的涡激振动。 0028 5) 当不允许顶部支撑模块和底部支撑模块沿着垂直轨道模块运动， 让与顶部支撑 模块相连的垂直轨道模块沿着水平轨道模块做水平方向上的往复运动， 固定另一个垂直轨 道模块， 让拖车带动整个模型运动， 就可以研究深海立管列阵在流向平行于海洋平台运动 方向的来流作用下以及海洋平台运动的影响下的涡激振动。 0029 6) 当让顶部支撑模块沿着与之相连的垂直轨道模块做垂直方向上的往复运动， 与 顶部支撑模块相连的垂直轨道模块沿。
29、着水平轨道模块做水平方向上的往复运动， 并且调整 它们的运动速度， 不允许底部支撑模块以及与之相连的垂直轨道模块运动， 让拖车带动整 个模型运动， 就可以研究深海立管列阵在海洋平台的各种方向的运动影响下来流对其造成 的涡激振动。 0030 与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果 ： 本发明能够安装大尺度立管模型， 从 而避免尺度效应， 本发明能够充分利用垂直轨道模块和水平轨道模块来模拟大尺度立管模 型在海洋平台的影响下的涡激振动， 本发明能够根据实际需要模拟深海立管模块所形成的 不同阵列。本发明由于在立管模型外部设置套筒， 使得套筒内部立管试验中不受水流的作 用， 实现阶梯流的模拟， 使得模。
30、拟立管模型的外部环境更加真实， 本发明采用模块化设计， 安装和拆卸均非常方便。 附图说明 0031 图 1 为实施例 1 的结构示意图。 0032 图 2 为实施例 1 中深海立管模块 1 为两立管竖直列阵的斜视图 ； 图 3 为实施例 1 的垂直轨道模块和水平轨道模块的连接示意图。 0033 图 4 为实施例 1 的深海立管模块示意图。 0034 图 5 为实施例 1 的顶部支撑模块侧视图。 0035 图 6 为实施例 1 的底部支撑模块侧视图。 0036 图 7 为实施例 1 的底部支撑模块仰视图。 0037 图 8 为实施例 1 的垂直轨道模块示意图。 0038 图 9 为实施例 1 的。
31、水平轨道模块示意图。 0039 图 10 为实施例 1 的整流罩模块示意图。 0040 图 11 为实施例 1 的电机模块示意图。 0041 图 12 为实施例 1 的套筒模块示意图。 0042 图 13 为实施例 1 的测量分析控制模块系统框图。 0043 图 14 为实施例 2 中深海立管模块 1 为两立管水平列阵的斜视图。 0044 图 15 为实施例 3 中深海立管模块 1 为三立管三角列阵的斜视图。 具体实施方式 说 明 书 CN 102305696 A CN 102305703 A5/7 页 8 0045 以下结合附图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。
32、下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。 0046 实施例 1 如图 1 所示， 本实施例包括 ： 若干个深海立管模块 1、 顶部支撑模块 2、 底部支撑模块 3、 两个垂直轨道模块 4、 水平轨道模块 5、 四个电机模块 6、 四个整流罩模块 7、 套筒模块 8 和测 量分析控制模块 9， 其中 ： 两个垂直轨道模块 4 分别与水平轨道模块 5 的底部、 顶部支撑模 块 2 以及底部支撑模块 3 连接， 水平轨道模块 5 分别与拖车 10 另一侧的底部和两个垂直轨 道模块 4 的顶部连接， 若干个深海立管模块 1 的两端分别与顶部支撑模块。
33、 2 和底部支撑模 块 3 连接， 四个整流罩模块 7 的整流罩边板 39 分别穿过且固定于两个垂直轨道模块 4 的外 部， 每个垂直轨道模块 4 上有两个整流罩模块 7， 测量分析控制模块 9 设置于拖车 10 上， 测 量分析控制模块 9 通过导线分别与若干个深海立管模块 1、 顶部支撑模块 2、 底部支撑模块 3 以及四个电机模块 6 连接， 四个电机模块 6 分为两组， 其中的两个电机模块 6 安装在水平 轨道模块 5 上来控制两个垂直轨道模块 4 的运动， 剩余的两个电机模块 6 分别安装在两个 垂直轨道模块 4 的顶部上来控制两个垂直轨道模块 4 上的滑块 34 的运动， 从而控制。
34、顶部支 撑模块 2 和底部支撑模块 3 运动， 套筒模块 8 套在若干个深海立管模块 1 外部且与底部支 撑模块 3 连接。 0047 如图 2 所示， 当深海立管模块 1 的个数等于 2 时， 两个深海立管模块 1 为竖直阵列 布置。 如图 1 和图 4 所示， 所述的深海立管模块 1 包括 ： 光纤光栅传感器 13、 两个立管固定接 头 14 和立管模型 15， 其中 ： 光纤光栅传感器 13 沿立管模型 15 表面轴向均匀布置， 立管模 型 15 两端分别与两个立管固定接头 14 连接， 两个立管固定接头 14 分别与顶部部支撑模块 2 和底部支撑模块 3 连接， 光纤光栅传感器 13 。
35、与测量分析控制模块 9 连接。深海立管模块 1 用来模拟实际海洋中的立管。 0048 所述的立管模型 15 其单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为 1 ： 1。 0049 如图 1 和图 5 所示， 所述的顶部支撑模块 2 包括 ： 顶部连接架 16、 水平支座 17、 支 撑板 18 和若干个顶部转动传感结构 19， 其中 ： 顶部连接架 16 的一端和垂直轨道模块 4 上 的滑块 34 连接， 另一端和水平支座 17 连接， 支撑板 18 分别和水平支座 17 以及若干个顶部 转动传感结构 19 相连。若干个顶部转动传感结构 19 分别与若干个深海立管模块 1 一一对 应连接， 若干。
36、个顶部转动传感结构 19 和测量分析控制模块 9 连接。顶部支撑模块 2 用来固 定深海立管模块 1 的一端。 0050 所述的顶部转动传感结构 19 包括 ： 传感器 21 和万向节 20， 其中 ： 传感器 21 分别 与支撑板18、 万向节20和测量分析控制模块9连接， 万向节20与对应的深海立管模块1连 接。 0051 如图 1、 图 6 和图 7 所示， 所述的底部支撑模块 3 包括 ： 底部连接架 24、 支架安装座 25、 弹性滑动组件 22、 直线轴承 26 和若干个底部转动传感结构 23， 其中 ： 底部连接架 24 的 一端和另一个垂直轨道模块 4 上的滑块 34 连接， 。
37、另一端和支架安装座 25 连接， 支架安装座 25与直线轴承26连接， 弹性滑动组件22穿过支架安装座25且与若干个底部转动传感结构 23 连接， 若干个底部转动传感结构 23 分别与若干个深海立管模块 1 一一对应连接， 若干个 说 明 书 CN 102305696 A CN 102305703 A6/7 页 9 底部转动传感结构 23 和测量分析控制模块 9 连接。底部支撑模块 3 用来固定深海立管模 块 1 的另一端， 并对试验过程中深海立管模块 1 发生涡激振动时提供缓冲作用。 0052 所述的弹性滑动组件 22 包括 ： 前支撑板 27、 滑动轴 28、 缓冲弹簧 29 和后支撑板 。
38、30， 其中 ： 缓冲弹簧 29 套在滑动轴 28 外部且分别与后支撑板 30 和直线轴承 26 连接， 前支 撑板 27、 滑动轴 28、 后支撑板 30 依次串联连接， 前支撑板 27 分别和若干个底部转动传感结 构 23 连接。 0053 所述的底部转动传感结构 23 包括 ： 传感器 31 和万向节 32， 其中 ： 传感器 31 分别 与弹性滑动组件21、 万向节32和测量分析控制模块9连接， 万向节32与对应的深海立管模 块 1 连接。 0054 如图1、 图3和图8所示， 所述的垂直轨道模块4由垂直轨道33， 滑块34， 顶部连接 块 12 组成， 该垂直轨道 33 垂直于水平轨。
39、道模块 5 和拖曳水池 11 池底。垂直轨道 33 通过 顶部滑块 12 与水平轨道模块 5 的底部滑块 37 相连， 可以在水平轨道模块 5 上做水平方向 上的往复运动， 滑块 34 安装在垂直轨道 33 上， 且分别与顶部支撑模块 2 的顶部连接架 16 以及底部支撑模块 3 的底部连接架 24 相连， 从而将垂直轨道模块 4 与顶支撑模块 2 以及底 部模块 3 连接起来， 两个整流罩模块 7 对称的布置在垂直轨道 33 的一侧。垂直轨道模块 4 为若干个深海立管模块 1 提供支撑作用。若干个深海立管模型模块 1 可以在垂直轨道模块 4 的作用下做垂直方向上的往复运动。 0055 如图 。
40、1、 图 3 和图 9 所示， 所述的水平轨道模块 5 由挂钩 45、 支撑梁 35、 水平轨道 36 和底部滑块 37 组成， 该水平轨道 36 垂直于垂直轨道 33， 平行于水池 11 池底。水平轨道 36 通过挂钩 45 与拖车 10 的底部相连并且通过底部滑块 37 与垂直轨道模块 4 的顶部连接 块 12 相连。若干个深海立管模块 1 可以在水平轨道模块 5 的作用下做水平方向的往复运 动。支撑梁 35 的作用是将两个水平轨道 37 连接起来。 0056 如图 1 和图 10 所示， 所述的整流罩模块 7 由固定连接的整流罩外壳 38 和整流罩 边板 39 组成。整流罩外壳 38 与。
41、整流罩边板 39 连接， 四个整流罩边板 39 分别与两个垂直 轨道 33 的外表面连接。每个垂直轨道 33 上安装两个整流罩模块 7， 二者对称布置。 0057 所述的整流罩外壳 38 呈机翼型剖面， 该结构能够大大减小整个试验装置运动过 程中的阻力和兴波。 0058 如图11所示， 所述的四个电机模块6为已有试验设备。 四个电机模块6分为两组， 其中的两个电机模块 6 安装在水平轨道模块 5 上来控制两个垂直轨道模块 4 的运动， 剩余 的两个电机模块 6 分别安装在两个垂直轨道模块 4 的顶部来控制两个垂直轨道模块 4 上的 滑块 34 的运动， 从而控制顶部支撑模块 2 和底部支撑模块。
42、 3 运动。 0059 如图 1 和图 12 所示， 所述的套筒模块 8 由固定连接的套筒连接杆 40 和套筒件 41 组成， 套筒件 41 套在立管模型 15 外侧， 套筒连接杆 40 与底部支撑模块 3 连接。套筒模块 8 使带套筒件 41 部分的若干个深海立管模块 1 在试验中不受水流的作用， 从而模拟阶梯流。 0060 如图 1 和图 13 所示， 所述的测量分析控制模块 9 包括 ： 光纤数据采集单元 42、 力 数据采集单元 43 和电机控制单元 44， 其中 ： 光纤数据采集单元 42 分别于若干个深海立管 模块 1 连接， 力数据采集单元 43 分别与顶部支撑模块 2 和底部支。
43、撑模块 3 连接， 电机控制 单元44与四个电机模块6连接， 光纤数据采集单元42、 力数据采集单元43和电机控制单元 44 各自独立， 均位于拖车 10 上。 说 明 书 CN 102305696 A CN 102305703 A7/7 页 10 0061 所述的光纤数据采集单元 42 和力数据采集单元 43 含有实时采集分析软件， 能够 记录和分析试验中立管模型 1 的应变和受力。电机控制单元 44 能够控制四个电机 6， 从而 控制两个垂直轨道模块 4、 顶部支撑模块 2 以及底部支撑模块 3 各自的运动。 0062 实施例 2 如图 14 所示， 当深海立管模块 1 的个数等于 2 时。
44、， 两个深海立管模块 1 为竖直阵列布 置。 0063 实施例 3 如图 15 所示， 当深海立管模块 1 的个数等于 3 时， 两个深海立管模块 1 为三角阵列布 置。 0064 如图 1 所示， 所述的拖车 10 和拖曳水池 11 均为已有试验设施， 拖车 10 可实现双 向的不同速度下的匀速直线运动， 拖曳水池11装一定深度的水， 为海底立管模型15提供水 环境， 二者相对运动即可模拟不同流速的阶梯流。 0065 本装置有以下优点 ： 1、 本装置能够安装大尺度立管模型 15， 从而避免尺度效应 ； 2、 本装置能够充分利用拖车 10 的高速来模拟大尺度立管模型 15 实雷诺数涡激振动。。
45、3、 本 装置能够充分利用拖曳水池 11 的长度， 进行长距离测试， 获得的更长更稳定的试验数据。 4、 本装置能够利用垂直轨道模块和水平轨道模块来进行立管的强迫振荡试验。 5、 本装置能 够利用垂直轨道模块和水平轨道模块的运动来模拟海洋平台的运动， 从而研究海洋平台运 动对立管涡激振动的影响。6、 本装置能够根据实际需要模拟深海立管模块 1 所形成的不同 阵列。7、 本装置由于在若干个深海立管模块 1 的外部设置套筒， 使得套筒内部立管试验中 不受水流的作用， 实现阶梯流的模拟， 使得模拟若干个深海立管模块 1 的外部环境更加真 实。8、 本装置采用模块化设计， 安装和拆卸均非常方便。 说 。
46、明 书 CN 102305696 A CN 102305703 A1/5 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102305696 A CN 102305703 A2/5 页 12 图 3 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102305696 A CN 102305703 A3/5 页 13 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102305696 A CN 102305703 A4/5 页 14 图 9 图 10 图 11 图 12 图 13 说 明 书 附 图 CN 102305696 A CN 102305703 A5/5 页 15 图 14 图 15 说 明 书 附 图 CN 102305696 A 。