一种刚性柱体涡激振动试验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种刚性柱体涡激振动试验装置。

背景技术

近些年，在海洋油气资源的开发中，各种设备都离不开不同类型的柱体，如组成海洋管缆和其他连接部件的圆柱体。当各类非流线型柱体置于海流中，由于流体的剪切层不稳定，会产生尾涡。当尾涡频率在一定范围内时，会引起管件的振动，这种现象叫做涡激振动。涡激振动长期作用于管时会引起管的疲劳破坏，短期也有可能发生应力集中破坏，而造成巨大的经济损失和环境的污染。为此有各种各样的研究方法，如数值模拟、模型试验和理论研究，但数值模拟需要耗费大量的计算资源，因此模型试验成为一种适用且可靠的研究方法。中国专利文献CN 102331332 A和CN 111089697A公开了一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动装置，其主要缺陷是：1)系统刚度(弹簧型号、个数等)的调节不够灵活；2)整个装置置于水中后架子阻力较大，影响圆柱体的振动；3)由于牵拉实验柱体的装置在一个铅垂面内，有可能在实验过程中发生卡顿，使实验进行不下去。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种刚性柱体涡激振动试验装置，能够解决实验刚性柱体在涡激振动试验中的卡顿现象，使试验结果更准确；同时试验工况设置更为灵活，从而降低试验成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种刚性柱体涡激振动试验装置，包括外固定架、内刚性支撑组件和实验柱体，其中：所述外固定架包括固定架主体和沿水流方向设置的第一组滑动轨道，所述第一组滑动轨道连接在所述固定架主体上，所述内刚性支撑组件包括可移动刚性支撑架、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，其中，所述可移动刚性支撑架垂直于水流方向布置，所述可移动刚性支撑架可移动地连接在所述第一组滑动轨道上，所述第一组弹性件沿水流方向设置在所述可移动刚性支撑架的两侧并与所述固定架主体相连，所述第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与所述可移动刚性支撑架相连，所述第二组弹性件限位在所述第二组滑动轨道内，所述实验柱体通过所述第二组弹性件与所述可移动刚性支撑架相连。

优选地，所述第一组滑动轨道包括至少四根沿水流方向布置的直线轴承导轨，至少四根所述直线轴承导轨对称设置在所述可移动刚性支撑架的两端。

优选地，所述固定架主体包括多根第一横梁和多个第一支撑杆，至少四根所述直线轴承导轨中的两根所述直线轴承导轨由两根所述第一横梁连接成矩形，多个所述第一支撑杆分别与多根所述第一横梁、至少四根所述直线轴承导轨连接以用于放置于水槽或水池上。

优选地，所述可移动刚性支撑架包括至少四根第二横梁和至少四根第二支撑杆，至少四根所述第二横梁的两端分别可移动地连接在所述直线轴承导轨上，且至少四根所述第二横梁之间通过至少四根所述第二支撑杆相连以形成刚性的矩形框架。

优选地，每根所述第二横梁的两端分别连接有滑块，所述滑块上设有孔洞以穿过所述直线轴承导轨。

优选地，所述第一组弹性件包括至少两根第一弹簧，至少两根所述第一弹簧分别设置在所述第二支撑杆的两侧，且每根所述第一弹簧分别连接在所述第二支撑杆和所述固定架主体之间。

优选地，所述第二组弹性件包括至少一根第二弹簧，所述第二滑动轨道沿竖直方向设置并与所述第二支撑杆相连，所述第二弹簧的两端分别连接所述第二支撑杆和所述实验柱体，且所述第二弹簧限位设置在所述第二组滑动轨道内。

优选地，所述刚性柱体涡激振动试验装置还包括夹具，所述夹具连接设置在所述直线轴承导轨上以对所述可移动刚性支撑架的位置进行限制。

优选地，所述实验柱体通过至少一根牵拉杆件与所述第二组弹性件相连，所述第二组滑动轨道包括至少一个竖直滑动轨道，至少一根所述牵拉杆件可分别沿着至少一个所述竖直滑动轨道滑动。

优选地，所述竖直滑动轨道为槽口处带有内拐角的U形断面槽，在所述竖直滑动轨道上固定连接有限位块，所述限位块上设有孔洞以使得所述牵拉杆件能够穿过所述限位块，所述第二组弹性件限位设置在所述限位块与所述可移动刚性支撑架之间。

本发明的有益效果具有：本发明提供了一种柱体涡激振动试验装置，通过采用上述技术方案中外固定架、内刚性支撑组件和实验柱体的设计，能够通过支撑装置的弹性件灵活调节试验系统刚度，降低成本，提高效率；采用直线导轨轴承装置，有利于减少在实验柱体振动过程中不必要的干扰阻力，能够提高柱体涡激振动试验结果的准确性。

与传统技术相比，本发明实施例的优势还具体体现在如下方面：

1)本发明实施例中只有实验柱体和必要的杆件伸入水中，通过直线导轨轴承有效减小了系统中不必要的阻力，从而提高试验精度。

2)本发明实施例可以控制实验柱体的振动自由度，a)柱体不振动，b)柱体仅顺流向振动，c)仅横流向(铅锤方向)振动，d)顺流向和横流向同时振动。

3)本发明实施例可以方便地调节弹性件(如弹簧)的初始状态，通过调节弹性件的型号、长度和个数等，来调节系统刚度，达到降低成本，提高试验效率的效果。

4)本发明实施例通过设置牵拉实验柱体的内部矩形结构的支撑装置，增加了支撑装置的刚性，避免试验过程中可能发生的卡顿现象，使得实验可以顺利进行。

附图说明

图1是本发明优选实施例的刚性柱体涡激振动试验装置的结构示意图；

图2是图1中的外固定架的结构示意图；

图3是图1中的内刚性支撑组件的结构示意图；

图4是图1中的实验柱体的牵拉杆件与实验柱体连接板的示意图；

图5a是图3中的第二横梁与滑块连接板的正视图；

图5b是图3中的第二横梁与滑块连接板的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1至图5所示，本发明优选实施例公开了一种刚性柱体涡激振动试验装置，包括外固定架1、内刚性支撑组件2和实验柱体2-1，其中：外固定架1包括固定架主体和沿水流方向设置的第一组滑动轨道，第一组滑动轨道连接在固定架主体上，内刚性支撑组件包括可移动刚性支撑架、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，其中，可移动刚性支撑架垂直于水流方向布置，可移动刚性支撑架可移动地连接在第一组滑动轨道上，第一组弹性件沿水流方向设置在可移动刚性支撑架的两侧并与固定架主体相连，第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与可移动刚性支撑架相连，第二组弹性件限位在第二组滑动轨道内，实验柱体通过第二组弹性件与可移动刚性支撑架相连。

在进一步的实施例中，第一组滑动轨道包括至少四根沿水流方向布置的直线轴承导轨，至少四根直线轴承导轨对称设置在可移动刚性支撑架的两端。固定架主体包括多根第一横梁和多个第一支撑杆，至少四根直线轴承导轨中的两根直线轴承导轨由两根第一横梁连接成矩形，多个第一支撑杆分别与多根第一横梁、至少四根直线轴承导轨连接以用于放置于水槽或水池上。可移动刚性支撑架包括至少四根第二横梁和至少四根第二支撑杆，至少四根第二横梁的两端分别可移动地连接在直线轴承导轨上(具体地，每根第二横梁的两端分别连接有滑块，滑块上设有孔洞以穿过直线轴承导轨，从而使得第二横梁能够沿着直线轴承导轨移动)，且至少四根第二横梁之间通过至少四根第二支撑杆相连以形成刚性的矩形框架。一方面，通过采用直线轴承导轨连接可移动刚性支撑架，有利于减少在实验柱体振动过程中不必要的干扰阻力，能够提高柱体涡激振动试验结果的准确性；另一方面，通过形成刚性的矩形框架，实验柱体连接在该刚性的矩形框架的下方，避免在试验过程中可能发生的卡顿现象，使得实验可以顺利进行。

在进一步的实施例中，在直线轴承导轨上还可以在任意位置设置夹具，以对可移动刚性支撑架的位置进行限制；第一组弹性件包括至少两根第一弹簧，至少两根第一弹簧分别设置在第二支撑杆的两侧，且每根第一弹簧分别连接在第二支撑杆和固定架主体之间；以使得可移动刚性支撑架连接在至少两根第一弹簧中间，结合直线轴承导轨，使得实验柱体具有沿着水流方向的自由度。

在进一步的实施例中，第二组弹性件包括至少一根第二弹簧，第二滑动轨道沿竖直方向设置并与第二支撑杆相连，第二弹簧的两端分别连接第二支撑杆和实验柱体，且至少一根第二弹簧限位设置在第二组滑动轨道内。实验柱体通过至少一根牵拉杆件与第二组弹性件相连，第二组滑动轨道包括至少一个竖直滑动轨道，至少一根所述牵拉杆件可分别沿着至少一个竖直滑动轨道滑动。具体地，竖直滑动轨道为槽口处带有内拐角的U形断面槽，在竖直滑动轨道上固定连接有限位块，限位块上设有孔洞以使得牵拉杆件能够穿过限位块，第二组弹性件限位设置在限位块与可移动刚性支撑架之间。

牵拉杆件的移动范围包括第二组滑动轨道的至少一段，第二组滑动轨道上贯通开设有若干小孔，用于安装限制牵拉杆件在竖直垂直于水流方向的移动自由度的限位件。牵拉杆件下方设置打孔的连接板与实验柱体2-1通过螺丝连接。进一步地，该刚性柱体涡激振动试验装置还包括用于对实验柱体的振动进行数据采集的数据采集装置；数据采集装置包括：设置在所述第一组弹性件和/或所述第二组弹性件的一端的力传感器，用于对振动进行实时测量；和/或，设置在所述实验柱体上的压力传感器，用于测量动水压力。外固定架固定于有水流流动的水槽或水池上，或者，固定架由驱动机构带动沿水槽或水池移动。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。

本具体实施例的刚性柱体涡激振动实验装置包括：外固定架1、内刚性支撑组件2、实验柱体2-1及其他配套装置和数据采集装置。

结合图1和图2，外固定架1包括第一组滑动轨道、第一组横梁和第一组支撑杆，其中第一组滑动轨道是一组沿水流方向设置的直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15，具体地，直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15均为圆柱体，在其他实施例中也可以为规则或不规则多边形柱体，第一组横梁包括第一横梁1-2、1-4、1-6、1-8、1-14、1-16，第一组支撑杆包括第一支撑杆1-5、1-7、1-9、1-10、1-11、1-12，其中顶部的两根直线轴承导轨1-1、1-3与两根第一横梁1-2、1-4连接成矩形，下部的两根直线轴承导轨1-13、1-15仅与第一支撑杆1-9、1-10、1-11、1-12连接，四根直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15形成第一组滑动轨道，第一组滑动轨道、第一组横梁和第一组支撑杆共同组成一个长方体或正方体的框架，以使得该外固定架可以放置于水槽或水池上，起支撑作用，其中第一横梁、第一支撑杆均可以采用方形截面杆件。

结合图1和图3，内刚性支撑组件2包括可移动刚性支撑架、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，其中可移动刚性支撑架包括第二组横梁和第二组支撑杆，第二组横梁包括第二横梁2-6、2-7、2-8、2-9，第二组支撑杆包括横向支撑杆2-10、2-12、2-14、2-16和竖直支撑杆2-11、2-13、2-15、2-17，第二组滑动轨道包括竖直滑动轨道2-4、2-5，第一组弹性件包括第一弹簧2-18、2-19、2-20、2-21，第二组弹性件包括两根第二弹簧(图中未示)；四根第二横梁2-6、2-7、2-8、2-9之间由横向支撑杆2-10、2-12、2-14、2-16和竖直支撑杆2-11、2-13、2-15、2-17相连，竖直支撑杆2-11、2-13、2-15、2-17分别通过第一弹簧2-18、2-19、2-20、2-21与外固定架1的第一横梁1-14、1-16相连，结合图5a和图5b，四根第二横梁2-6、2-7、2-8、2-9的两端设置有连接板，该连接板通过螺丝与滑块连接，滑块的中心设有孔洞以分别穿过直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15，通过滑块在直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15上滑动结合内刚性支撑组件2整体通过第一弹簧2-18、2-19、2-20、2-21连接在外固定架1的第一横梁1-14、1-16之间，以使得内刚性支撑组件2能够在外固定架1的第一横梁1-14、1-16之间沿着水流方向来回摆动；横向支撑杆2-12、2-16的下方分别连接竖直滑动轨道2-4、2-5，两根第二弹簧分别限位在竖直滑动轨道2-4、2-5中，且该两根第二弹簧分别将横向支撑杆2-12、2-16与实验柱体2-1的牵拉杆件2-2、2-3连接，以使得实验柱体2-1可以在竖直方向上来回摆动。

其中，竖直滑动轨道2-4、2-5为槽口处带有内拐角的U形断面槽，且在竖直滑动轨道2-4、2-5上分别固定安装有限位块(图中未示)，限位块通过螺丝固定连接在竖直滑动轨道2-4、2-5上，限位块上设有孔洞以使得实验柱体2-1的牵拉杆件2-2、2-3能够穿过限位块，以使得两根第二弹簧分别限位在U形断面槽内的限位块和横向支撑杆2-12、2-16之间。

实验柱体2-1通过一组牵拉杆件2-2、2-3与横向支撑杆2-12、2-16相连，牵拉杆件2-2、2-3的一端连接第二弹簧，另一端连接实验柱体2-1。其中牵拉杆件2-2、2-3的移动范围包括竖直滑动轨道2-4、2-5的至少一段，竖直滑动轨道2-4、2-5上贯通开设有若干个小孔，用于安装限制牵拉杆件2-2、2-3在竖直垂直于水流方向的移动自由度的限位件。具体地，如图4，牵拉杆件2-2、2-3下方设置打孔的连接板与实验柱体2-1通过螺丝连接。

数据采集装置是用于对实验柱体2-1的振动进行数据采集，应理解，本申请要求保护的柱体涡激振动试验装置是一种试验装置，而并不限定为是包含了数据采集装置的试验装置。更优选地，所述数据采集装置包括：设置在所述第一组弹性件和/或所述第二组弹性件的一端的力传感器，用于对振动进行实时测量；和/或，设置在实验柱体2-1上的压力传感器，用于测量动水压力。

在一些实施例中，外固定架1固定于有水流流动的水槽或水池上。在另一些实施例中，外固定架1可由驱动机构(未图示)带动沿水槽或水池移动，此时水槽或水池内的水可以是静止的。

下述对本具体实施例的刚性柱体涡激振动实验装置的整体结构及工作原理进行进一步的说明。

外固定架1为由直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15、第一横梁1-2、1-4、1-6、1-8、1-14、1-16和第一支撑杆1-5、1-7、1-9、1-10、1-11、1-12组成的对称矩形框架，该外固定架水平放置于玻璃水槽或水池边壁上，使下方的实验柱体2-1水平置于水流中(水流方向垂直于实验柱体2-1的轴线)；其中外固定架1的直线轴承导轨1-1、1-3、1-13、1-15为沿着水流方向(顺流向)的梁，供第二横梁2-6、2-7、2-8、2-9两端的滑块在其上滑动，且滑块旁边可以设置夹具，以固定滑块，从而限制实验柱体2-1在顺流向的自由度；另外垂直于水流方向(横流向)的两根第一横梁1-14、1-16上设置圆环，供弹簧挂钩挂不同型号和数量的弹簧，从而调节系统刚度。

内刚性支撑组件2包括可移动刚性支撑架、两端对称分布的滑块、滑动轨道2-4和2-5、顺流向弹簧2-18至2-21和限位于轨道2-4和2-5中的垂直流向弹簧。其中可移动刚性支撑架由四根第二横梁2-6至2-9连接到外固定架上的直线轴承导轨1-1、1-3、1-13和1-15上，四根第二横梁2-6至2-9之间由支撑杆2-10至2-13和2-14至2-17相连，形成一个刚性较大的内部装置，竖直支撑杆2-11、2-13、2-15和2-17通过第一弹簧2-18至2-21与外固定架的第一横梁1-14和1-16相连，因而允许实验柱体2-1在水流作用下沿着水流方向做往复运动，支撑杆2-12和2-16下方连接第二组滑动轨道2-4和2-5，第二组弹性件限位在第二组滑动轨道中，第二组弹性件将支撑横杆2-12和2-16与实验柱体2-1的牵拉杆件2-2和2-3连接，从而允许实验柱体2-1在水流作用下在垂直于水流的方向(竖直方向)做往复运动。实验柱体及其配套装置包括实验柱体2-1及其牵拉杆件2-2和2-3。牵拉杆件2-2一端连接滑动轨道2-4中的弹簧，另一端连接实验柱体2-1，从而实现在横流向的振动。当在滑块两侧使用夹具或在第二组滑动轨道2-4、2-5开设的小孔中加限位件(如销钉)时，可以限制顺流向或横流向或两个方向的振动自由度；不使用夹具时，柱体2-1在两个方向振动。

装置可以在弹簧一端布置力传感器，对振动进行实时测量；可以在实验柱体2-1上安装针式微型压力传感器，用于测量动水压力。滑动轨道2-2可以只有一个，放置于内部支撑装置正中间，下方连接竖直实验柱体，从而可以测量竖直实验柱体的振动。试验装置可以置于有水流流动的水槽或水池中，水流流动而试验装置不动，也可以用拖车带动实验装置移动，使得固定架动而水流不动，两种不同的操作方式都可以实现实验圆柱和水流的相对运动。

本具体实施例的刚性柱体涡激振动试验装置可以灵活地调节系统刚度，即弹簧的型号、个数，从而降低试验成本，提高试验效率；且通过直线导轨轴承的使用，有效避免了运动过程中可能出现的结构卡顿现象，使得试验可以顺利进行，结果为准确。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。