一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验装置的制作方法

专利2022-05-09  4


本发明涉及水下结构振动测试领域,特别是涉及一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验装置。



背景技术:

空心壳体结构是典型的工程构件,相比于大多数实体结构,壳体结构在保证一定强度和刚度的前提下具有更轻的重量,因而被广泛应用在水下航行器、平台浮箱和水下管道等海洋工程结构物的设计建造中。

实际工程中,外部流体对水下壳体振动的影响是不可忽视的,在水压力和流场介质的耦合作用下,水下壳体受到激励发生振动时会引起其周围流体介质的振动,而外部流场的变化又影响壳体的振动特性,造成水下壳体振动问题的复杂性。

目前水下管道结构因振动变形而引发的结构破坏和石油泄露问题已经成为威胁水下管道正常作业的重要因素,这类结构出于流动保障的需要内部流体存在高压,还需考虑内部流体及其高压对结构振动的影响。因此,对考虑内流场压力影响的水下壳体进行模态试验分析具有十分重要的实际意义。

现今国内外有关壳体模态分析试验研究存在的不足之处主要有:

1.现有水下壳体模态试验装置主要考虑外流场影响,而同时考虑内、外流场影响的较少,涉及内压的试验更是罕有研究;

2.现有模态试验多借助位移传感器或加速度传感器获取应变数据,这两类传感器具有一定质量和形状,且需水密处理,容易影响外部流场和结构的振动模态。

3.现有模态试验多采用力锤或激振器激发试件振动,力锤激励容易出现双击、振型不连续等现象,而激振器激励则会给试件增加附加刚度和附加质量,两种激振方式都会影响原试件的振动特性和测试结果。

针对以上不足,本发明提供一种同时考虑内外流场影响并基于应变模态分析的水下壳体模态试验装置,用于研究水下壳体的模态振动特性。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验装置。

具体地,本发明提供.一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验装置,包括:

压力箱,为顶部开口内部盛装有水的容器,在开口处设置有横梁;

试验体,为实际深海管道截取段且两端密封制成,在外表面贴有应变片,应变片通过线缆与数字采集仪连接;

弹簧拉杆,设置有两根,一端分别与横梁连接,另一端分别与试验体的两端连接,以将试验体悬挂在压力箱内;

激振装置,安装在压力箱内,包括与压力箱底部固定连接的底座,固定在底座上表面的调节支架,安装在调节支架顶端且开口向上的u形固定架,在固定架的u形侧边顶部分别安装有异形磁极相对的两个永磁体,以及安装在固定架底部中间处且外表面缠绕有线圈的涡流感应头,试验体位于两个永磁体之间且底部靠近涡流感应头;

高压供水装置,用于向试验体内注入高压水,包括两端分别与水源和试验体连接的供水管,和为供水管加压的高压泵。

本发明能够模拟内部流场及其压力作用,并在此基础上对试验体进行模态试验,填补了该领域试验研究的空白。选用的应变片传感器和应变模态分析方式对试验体和外流场影响小,可免去由位移到应变计算过程中所带来的误差,使试验结构更加精准。根据电磁感应定律设计的非接触式电磁激振装置可以有效避免常规模态测试中激振器附加质量和附加刚度对结构动特性的影响以及锤击法引起的连击和应力集中等现象,测试精度更高。整个装置原理简单,能够快速高效地实现试验体周向模态的试验模拟,过程易操作,装置可拆卸,试验周期短,经济性强。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的试验平台外部结构示意图;

图2是本发明一个实施方式中应变片安装在试验体圆周上的示意图;

图3是本发明一个实施方式中应变片安装在试验体轴向上的装示意图;

图4是本发明一个实施方式中非接触式激振装置的轴向示意图;

图5是本发明一个实施方式中激振装置的磁场状态示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示,在本发明的一个实施方式中,公开一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验装置,其包括:试验体1,压力箱2,激振装置3,弹簧拉杆4,和高压供水装置5。

该试验体1为密封结构,一般为截取的深海输送管道一部分,两端密封后制成;在外表面按试验要求贴有一定数量的应变片,应变片用于采集激振装置的激振信号,应变片通过线缆与数字采集仪连接。

该压力箱2用于模拟深海压力,其为顶部开口内部盛装有水的容器,在开口处设置有横梁21,为方便观察内部试验过程,该压力箱2可采用透明材料制作,如果玻璃钢。

该弹簧拉杆4用于使试验体1保持在压力箱2的指定位置处,一般设置有两根,每根弹簧拉杆4的一端与横梁21连接,另一端分别与试验体1的两端连接,以将试验体1悬挂在压力箱2内部。

如图4所示,激振装置3用于模拟水下振动,包括与压力箱2底部固定连接的底座36,固定在底座36上表面的调节支架37,安装在调节支架37顶端且开口向上的u形固定架371,在固定架371的u形侧边顶部分别安装有异形磁极相对的两个永磁体38,以及安装在固定架371底部中间处且外表面缠绕有线圈391的涡流感应头39;悬吊后的试验体1沿轴向位于两个永磁体38之间且底部靠近涡流感应头39。

调节支架37能够根据试验体1的位置调节固定架371的高度,进而调整永磁体38和涡流感应头39的相对高度,以使其尽量靠近试验体1但不接触;调节支架37的调节方式可以是现有技术中任意一种调节长度的结构,如,两个相互套插的管道,在外管道上螺接的固定螺栓,当两个管道的位置固定后,通过拧紧固定螺栓来将内管道顶紧在当前位置处。

涡流感应头39的线圈391通过线缆与外部电源连接。两个永磁体38的异形磁极相对是指,如其中一个永磁体相对另一个永磁体的磁极为n极,则另一个永磁体相对的磁极就为s极。贴在试验体1外表面的应变片32能够测量激振装置的激振力,然后传递给数字采集仪33。

如图5所示,工作时线圈391外接交变电源,迫使内部电涡流感应头39产生交变磁通,交变的磁通垂直地穿过试验体1并诱发试验体1对应位置产生与交变磁通同频变化的感应电涡流场61,根据安培定律,载流试验体1在永磁体38产生的恒定磁场62中受到安培力作用并使对应位置的试验体1沿径向方向不断振动,当调节至交变电源的频率和试验体1的固有频率相同时便可诱发试验体1共振,实现非接触式激振。

该高压供水装置5用于向试验体1内注入指定压力的水,以模拟输送的高压油,包括与水源53连接的供水管52和加压的高压泵51。

在试验前,先将非接触式激振装置3置于压力箱2的底部,然后将试验体1利用弹簧拉杆4悬挂在压力箱2的指定位置处,这里的指定位置一般是以试验体1的中心轴线为基准,使中心轴线与压力箱2的四周侧壁及注水后的水上表面距离均大于4倍壳体半径的位置处,该设置位置可忽略自由液面和侧壁等边界条件的影响。然后精细调节非接触式激振装置3中调节支架37的高度保证永磁体38、电涡流感应头30与试验体1无接触但间隙尽可能小以便减少能量损失,获得较好激振效果。然后连接好注水管52,将多个应变片32按试验要求贴附在试验体1的指定位置处,再通过线缆35与压力箱2外部的数字采集仪33进行连接,在连接过程中需要做好应变片32和线缆35的防水。然后向压力箱2内注入水,最终压力箱2内的水深不低于试验体1半径的8倍,该水深可以满足试验体1在试验过程中忽略自由液面和侧壁等边界条件的影响。

通过高压泵51向试验体1内注入水,在向试验体1注水过程中,需要将试验体1内部的空气排尽,可在试验体1上安装泄压管道56,同时在泄压管道56上安装泄压阀57,泄压管道56可用于排放试验体1内部的空气,同时还可以在试验完成后排放内部的水,泄压阀57可关闭泄压管道56以保持试验体1内部的压力。为方便调整试验体1内的压力,在试验体1与泄压管道56相对的另一端安装一根高压管道54,在高压管道54上安装有高压阀55,高压管道54与高压泵51连接,而高压阀51可以根据试验体1内的压力要求,进行压力调节;此外为方便获取试验体1内的压力,还可在试验体1上安装防震压力表,采用防震压力表可避免非接触激振装置3工作时的振动影响。

试验体1在排气时,可倾斜摆放,然后由高压管道54一侧注水,直至泄压管道56一侧排出水,可认为试验体1内部已经注满水;此外为避免试验体1内部有气泡残留,可在泄压管道56出水后,再静置一段时间,直至内部气体完全排尽。排气完成后,需要将试验体1恢复与水平摆放的状态。

上述工作过程后,则可以启动交变电源,通过逐步调节电源频率达到试验体1的振动频率,非接触激振装置3的频度一般要大于试验体1的待测频率。由于试验体1是通过弹簧拉杆4弹性地悬挂在水中,因此弹簧拉杆4不会与试验体1同步振动,从而影响试验效果。应变片32将试验体1各处承受的振动信号通过线缆35传递给数字采集仪33,数字采集仪33再将收集的数据传递给分析系统,从而得到试验体1在当前试验条件下的振动特性。

如图2、3所示,应变片32可根据试验要求,沿试验体1的轴向布置一排,或沿试验体1中部的外圆周布置一圈,以获取相同振动条件下试验体1不同位置处的振动特性。在圆周布置时,各应变片32相互之间的间隔角度为π/6,该布置方式可测量到试验体1圆周不同部位在激振时的振动频率,使获取的数据更精确。

本实施方式能够模拟内部流场及其压力作用,并在此基础上对试验体进行模态试验,填补了该领域试验研究的空白。选用的应变片传感器和应变模态分析方式对试验体和外流场影响小,可免去由位移到应变计算过程中所带来的误差,非接触激振方式可以有效避免常规模态测试中激振器附加质量和附加刚度对结构动特性的影响以及锤击法引起的连击和应力集中等现象,测试精度更高。整个装置原理简单,能够快速高效地实现试验体周向模态的试验模拟,过程易操作,装置可拆卸,试验周期短,经济性强。

本实施方式中,具体的试验体1长度可为其外径的5~20倍,该长度的试验体1能够完全体现实际深海中管道的真实振动情况,使实验结果更准确。

为了避免弹簧拉杆4影响试验体1的振动效果,该弹簧拉杆4包括固定在横梁21上的固定支架41和连接杆43,在连接杆43的两端分别通过弹簧42与固定支架41和试验体1连接。两端的弹簧42能够防止刚性振动传递至压力箱2的横梁21上,同时两端的弹簧42振动频率经连接杆43转接后,不会产生同步振动,因此可快速消除试验体1传递的振动,降低影响。

在本实施方式中,为了获得较好的激振效果,线圈39匝数设置尽可能多,并使电涡流感应头30与试验体1之间的间隙尽可能小,永磁体38可采用稀土材料,如钐钴(smco)永磁体和钕铁硼(ndfeb)永磁体等强永磁体。为保证激振装置3在水下仍能工作,在线圈、导线等的外表面需覆以不导电且防水的纤维复合材料。试验体的固有频率高达几千赫兹且模态有多阶,为达到共振状态和测量多阶模态,应选择频响范围较大的交变电源以满足测试要求。

本实施方式中的分析系统安装有应变模态分析软件,可以对数据采集仪33采集的多道应变数据进行记录和综合分析,进而得到不同测点处的激振模拟结果。在布置应变片32时需要避开试验体1上的振型节点,具体布置的数量和位置可根据待测量的模态频率和振型确定。

应变片32按常规方法粘贴后需涂一层硅胶保证水密性,且尽量选择质量小、体积小的产品,以减少对试验体结构及其周围流场的影响。

在本发明的一个实施方式中,试验体1两端通过同材料、等厚度的平板焊接密封,高压管道54和泄压管道56分别焊接在两个平板中心的通道中,可在高压管道54和泄压管道56上安装减震层,如塑料泡沫材料围绕形成的结构。平板形成试验体1两端简支的边界条件,可根据该安装方式扩展到其它复杂条件下的简支结构。

至此,本领域技术人员应认识到,虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例,但是,在不脱离本发明精神和范围的情况下,仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此,本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

转载请注明原文地址: https://doc.8miu.com/read-150273.html

最新回复(0)