模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置

1.本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种在海洋工程深水池中实施的一种模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置。


背景技术：

2.海洋工程领域深海立管为圆柱形结构，在洋流的作用下，这种柱状结构物两侧会发生涡漩的交替泄放，进而产生周期性变化的脉动力，当这一脉动力和柱状结构物的某一阶固有频率接近时，将会诱发较为显著的振动—涡激振动。涡激振动是导致海洋立管疲劳损伤的重要因素。
3.随着海洋油气开发向深海发展，深海立管的大长细比柔性特征，导致其在复杂的海洋环境下涡激振动现象更加显著复杂。真实深海环境下，洋流流速沿水深也表现出剪切分布的特征。
4.以往实验研究方面，涡激振动实验装置一般在室内的拖曳水池中进行。在剪切流和剪切振荡流立管涡激振动实验方面主要集中在定常的剪切流场。为了制造剪切流场，2010年一项专利中(zl201010552029.2),采用大型的旋转平台将立管斜置，且水深不能过浅，对设备和条件要求较为苛刻。与此同时，2021年一项专利(zl202110356080.4)，采用底部旋转带动立管转动从而模拟立管遭受的剪切流场，这一装置底部的结构会扰乱实验流场，同时存在实验装置结构共振和失稳对实验数据造成不良影响。与此同时，未见剪切振荡流模拟功能。
5.因此如何设计一款结构稳定、能够避免结构共振和失稳对实验数据造成不良影响的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置。
7.根据本发明提供的一种模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，所述包括立管模型、中心旋转模块、张紧器模块、刚性固定模块、回转齿轮、内边界弹性约束模块、外边界弹性约束模块、皮带、主动轮、底座模块、动力模块、上位机控制模块、测量模块；
8.所述立管模型两端分别与所述张紧器模块、刚性固定模块连接；所述张紧器模块固定在所述回转齿轮上，所述刚性固定模块固定于中心旋转模块上，所述回转齿轮通过外边界弹性约束模块和内边界弹性约束模块固定于所述底座模块上，所述底座模块和所述中心旋转模块固定于外界海工水池假底；
9.所述主动轮安装在所述所述动力模块上，皮带套装在回转齿轮、主动轮上；所述上位机控制模块与动力模块信号连接；立管模型、张紧器模块以及刚性固定模块均与测量模块信号连接；
10.动力模块能够带动所述主动轮旋转，所述主动轮能够通过皮带带动所述回转齿轮
转动；继而带动所述立管模型转动。
11.优选的，所述立管模型包括中心管件、热缩管以及光纤光栅应变串；
12.所述中心管件上安装有所述光纤光栅应变串，所述热缩管包裹所述中心管件和所述光纤光栅应变串；
13.所述中心管件通过光纤光栅应变串与测量模块信号连接。
14.优选的，所述中心旋转模块包括第一底座法兰、肘板、中心支撑轴以及顶部可旋转法兰；
15.所述肘板与中心支撑轴固定在一起，继而整体连接在第一底座法兰上，中心支撑轴顶部通过轴承与顶部可旋转法兰连接；
16.顶部可旋转法兰用于承载刚性固定模块。
17.优选的，所述张紧器模块包括第一夹具、第一万向节、第一三分力传感器、可移动滑块、第一直线轨道、螺杆、螺杆转接法兰、底部固定转接法兰、第一弹簧、顶片和顶丝；
18.所述立管模型的一端与所述张紧器的第一夹具连接；所述第一夹具与第一万向节一端相连；所述第一万向节与所述三分力传感器螺栓连接；所述第一三分力传感器与螺杆的一端连接；所述螺杆的中部通过所述螺杆转接法兰与所述可移动滑块连接；
19.所述第一直线轨道与所述底部固定转接法兰连接；所述螺杆的另一端套装有顶丝，顶丝通过所述顶片与所述第一弹簧一端相抵，所述第一弹簧另一端与所述底部固定转接法兰所具有的挡板相抵；
20.所述底部固定转接法兰固定安装在所述回转齿轮上，第一三分力传感器与所述测量模块电连接。
21.优选的，所述刚性固定模块包括：第二夹具、第二万向节、第二三分力传感器和底座固定法兰；
22.所述立管模型的另一端与所述第二夹具相连，所述第二夹具、所述第二万向节、第二三分力传感器以及底座固定法兰依次螺栓相连；底座固定法兰安装于所述中心旋转模块上；
23.所述第二三分力传感器与所述测量模块电连接。
24.优选的，所述内边界约束模块包括：内顶轴承、内顶法兰块、第一螺栓、第二弹簧、第二直线轨道、滑块和第二底座法兰；
25.所述第一螺栓一端所具有的头部与所述第二弹簧相抵，所述螺栓的另一端连接内顶法兰块，所述内顶法兰块与所述滑块螺栓连接，所述第二直线轨道固定于所述第二底座法兰；
26.所述内顶轴承安装在所述内顶法兰块端部，且与回转齿轮相抵。
27.优选的，所述外边界约束模块包括下压轴承、第二螺栓、第三弹簧和下压法兰块；
28.所述下压轴承与下压法兰块刚性紧固连接，所述下压轴承与回转齿轮相抵；
29.所述第二螺栓一端所具有的头部与所述第三弹簧相抵，所述第二螺栓的另一端穿过所述下压法兰块固定于所述底座模块上。
30.优选的，所述底座模块包括支撑基座、轴承和轴承底座；
31.支撑基座固定设置于外界海洋工程深水池的升降假底上,所述轴承通过所述轴承底座与所述支撑基座连接，所述轴承顶部与所述回转齿轮下底面接触相连。
32.优选的，所述动力模块包括伺服电机、减速机、轴结构、轴承座、支撑结构和第三底座法兰；
33.所述伺服电机、减速机、轴结构、轴承座依次传动连接；所述轴承座固定于所述支撑结构上，所述支撑结构通过所述第三底座法兰固定于外界海工水池假底上；
34.所述轴结构与所述主动轮固定连接。
35.优选的，所述回转齿轮外边缘有带齿轮凹槽，所述带齿轮凹槽中的齿轮与所述带有齿轮的皮带相啮合；
36.所述主动轮外边缘具有齿轮凹槽，齿轮凹槽中的齿轮与所述带齿的皮带相啮合。
37.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
38.1、本发明解决了现有剪切流和剪切振荡流立管涡激振动实验装置易失稳、易共振，流场干扰多，流场不可控和剪切振荡流场无法模拟等问题。
39.2、本发明的实验装置结构简单，复杂性低，结构稳定性好，不会发生传统实验技术过长悬臂引起的结构失稳现象。
40.3、本发明的装置固有频率与涡激振动的显著周期差别较大，不易产生共振现象；除此以外，本发明提供的装置大回转齿轮内侧不存在任何附属结构物，流场干净理想。本发明提供的装置可可控地模拟定常和时变振荡流场，流场振荡参数可便利调整。
附图说明
41.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
42.图1为本发明立体示意图；
43.图2为张紧器模块立体示意图；
44.图3为刚性固定模块示意图；
45.图4为中心旋转模块立体示意图；
46.图5为内边界弹性约束模块示意图；
47.图6为外边界弹性约束模块示意图；
48.图7为立管模块立体视图；
49.图8为动力模块立体视图；
50.图9为底座模块立体视图；
51.图10为上位机控制模块示意图；
52.图11为测量模块示意图；
53.图12为回转齿轮的立体视图；
54.图13为主动轮的立体视图；
55.图14为皮带局部示意图。
56.图中示出：
57.58.具体实施方式
59.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
60.本发明提供了一种模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，所述包括立管模型1、中心旋转模块4、张紧器模块2、刚性固定模块3、回转齿轮5、内边界弹性约束模块7、外边界弹性约束模块6、皮带8、主动轮9、底座模块11、动力模块10、上位机控制模块12、测量模块13；所述模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置用于对深海立管模型1进行模式试验；在一个优选例中，所述立管模型1为深海立管模型，回转齿轮5为大回转齿轮，皮带8为金属丝柔性。
61.所述立管模型1两端分别与所述张紧器模块2、刚性固定模块3连接；所述张紧器模块2通过螺栓固定在所述回转齿轮5上，所述刚性固定模块3通过螺栓固定于中心旋转模块4上，所述回转齿轮5通过外边界弹性约束模块6和内边界弹性约束模块7固定于所述底座模块11上，所述底座模块11和所述中心旋转模块4通过螺栓方式固定于外界海工水池假底；
62.所述主动轮9安装在所述所述动力模块10上，皮带8套装在回转齿轮5、主动轮9上；所述上位机控制模块12与动力模块10信号连接；上位机控制模块12能够控制动力模块10按设定转速或不同幅值和不同频率的正弦振荡时历作动。立管模型1、张紧器模块2以及刚性固定模块3均与测量模块13信号连接；测量模块13用于完成实验中的动态应变及力响应测量。动力模块10能够带动所述主动轮9旋转，所述主动轮9能够通过皮带8带动所述回转齿轮5转动；继而带动所述立管模型1转动，与周围水体形成相对的剪切流或剪切振荡流。最终实现立管遭受的剪切流和剪切振荡流场的模拟。
63.如图7所示，所述立管模型1包括中心管件46、热缩管44以及光纤光栅应变串45；
64.所述中心管件46上安装有所述光纤光栅应变串45，在一个优选例中，所述中心管件46的顺流向和横流向表面分别粘贴预埋两对所述光纤光栅应变串。所述热缩管44包裹所述中心管件46和所述光纤光栅应变串45；所述中心管件46通过光纤光栅应变串45与测量模块13信号连接。
65.如图4所示，所述中心旋转模块4包括第一底座法兰29、肘板30、中心支撑轴31以及顶部可旋转法兰32；所述肘板30水平面投影呈十字形，所述肘板30的与中心支撑轴31焊接固定在一起，继而整体焊接连接在第一底座法兰29上，中心支撑轴31顶部通过轴承与顶部可旋转法兰32连接；顶部可旋转法兰32用于承载刚性固定模块3。
66.如图2所示，所述张紧器模块2包括第一夹具24、第一万向节23、第一三分力传感器22、可移动滑块21、第一直线轨道19、螺杆17、螺杆转接法兰20、底部固定转接法兰18、第一弹簧16、顶片15和顶丝14；所述螺杆17为长轴螺杆。
67.所述立管模型1的一端与所述张紧器的第一夹具24通过螺丝夹紧连接；所述第一夹具24通过法兰端板与第一万向节23一端相连；所述第一万向节23另一端通过法兰与所述三分力传感器22螺栓连接；所述第一三分力传感器22与螺杆17的一端通过法兰螺栓连接；所述螺杆17的中部通过所述螺杆转接法兰20与所述可移动滑块21连接，具体的，螺杆转接法兰20套装在所述螺杆17上，螺杆转接法兰20的底端与可移动滑块21通过螺栓连接。可移动滑块21与所述直线轨道19接触连接即所述可移动滑块21能够在所述第一直线轨道19上滑动。
68.所述第一直线轨道19通过螺栓与所述底部固定转接法兰18连接；所述螺杆17的另一端套装有顶丝14，顶丝14通过所述顶片15与所述第一弹簧16一端相抵，所述第一弹簧16另一端与所述底部固定转接法兰18所具有的挡板64相抵。所述弹簧16弹性力反作用于所述顶片15，进而传递到并拉伸立管模型1提供与预张力。所述可移动滑块21的设计，能够在利用顶丝14调整预张力时，为螺杆17的运动提供导向与支撑。
69.所述底部固定转接法兰18固定安装在所述回转齿轮5上，第一三分力传感器22与所述测量模块13电连接。
70.如图3所示，所述刚性固定模块3包括：第二夹具28、第二万向节27、第二三分力传感器26和底座固定法兰25；
71.所述立管模型1的另一端与所述第二夹具28相连，所述第二夹具28、所述第二万向节27、第二三分力传感器26以及底座固定法兰25依次螺栓相连；底座固定法兰25通过螺栓安装于所述中心旋转模块4上。所述第二三分力传感器26与所述测量模块13电连接。
72.如图5所示，所述内边界约束模块7包括：内顶轴承36、内顶法兰块35、第一螺栓33、第二弹簧34、第二直线轨道39、滑块38和第二底座法兰37；
73.所述第一螺栓33一端所具有的头部与所述第二弹簧34相抵，所述螺栓34的另一端连接内顶法兰块35，所述内顶法兰块35与所述滑块38螺栓连接，所述滑块38能够在所述第二直线轨道39上滑动，在一个优选例中，所述滑动为单向滑动。所述第二直线轨道39通过螺栓方式固定于所述第二底座法兰37；
74.所述内顶轴承36安装在所述内顶法兰块35端部，且与回转齿轮5相抵。所述弹簧34回复力反作用于内顶法兰块35，继而使所述内顶轴承36顶住所述回转齿轮5，限制所述回转齿轮5径向运动。滑块38的设计，能够在利用第一螺栓33调整弹簧34回复力时，为内顶法兰块35的运动提供导向与支撑。
75.如图6所示，所述外边界约束模块6包括下压轴承43、第二螺栓40、第三弹簧41和下压法兰块42；所述下压轴承43与下压法兰块42刚性紧固连接，所述下压轴承43与回转齿轮5相抵；所述第二螺栓40一端所具有的头部与所述第三弹簧41相抵，所述第二螺栓40的另一端穿过所述下压法兰块42固定于所述底座模块11上；压缩所述弹簧41回复力反作用于所述下压法兰块42，继而使下压轴承43压紧大回转齿轮5，从而限制大回转齿轮5垂向运动。
76.如图9所示，所述底座模块11包括支撑基座53、轴承55和轴承底座54；支撑基座53通过高强度螺栓固定设置于外界海洋工程深水池的升降假底上,进而使剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置整体工作在海洋工程深水池中。所述轴承55通过所述轴承底座54与所述支撑基座53连接，所述轴承底座54与所述支撑基座53通过螺栓相互连接。所述轴承55顶部与所述回转齿轮5下底面接触相连，减小摩擦，使所述回转齿轮5转动平稳，与所述
外边界约束模块6一起限制所述大回转齿轮5垂向运动。
77.所述动力模块10包括伺服电机47、减速机48、轴结构52、轴承座51、支撑结构49和第三底座法兰50；在一个优选例中，所述轴结构52为光轴。所述伺服电机47、减速机48、轴结构52、轴承座51依次传动连接；所述轴承座51固定于所述支撑结构49上，所述支撑结构49通过所述第三底座法兰50采用螺栓方式固定于外界海工水池假底上；所述轴结构52与所述主动轮9固定连接。所述伺服电机47经所述减速机48与所述光轴52连接，带动主动轮9转动，进而带动所述大回转齿轮5转动，最终带动所述深海立管模型1转动，并与周围水体形成相对剪切流或剪切振荡流场。
78.如图10所示，所述上位机控制模块12包括工控电脑56、运动控制器57和驱动器58。操作人员在所述工控电脑56输入定常转速或双向振荡流场边缘处振荡速度幅值和振荡速度频率周期，所述工控电脑56下达运动指令至所述运动控制器57，所述运动控制器57通过伺服电机所述驱动器58驱动动力模块伺服电机47按运动指令完成设定作动。
79.如图11所示，所述的测量模块13包括光纤光栅解调仪59、io单元60、存储单元61、无线单元62和接收单元63。所述光纤光栅解调仪59解调来自分布预埋在深海立管模型光纤光栅应变串45振动应变信号，所述io单元60将第一三分力传感器22和第二三分力传感器26模拟信号转化为数字量信号，两者由所述存储单元61同步存储，所述无线单元62将存储数据发送至接收单元63，完成动态应变及力响应测量。
80.所述回转齿轮5外边缘有带齿轮凹槽65，所述齿轮与所述带有齿轮的皮带8相啮合；带齿轮凹槽65用于限制金属丝柔性皮带垂向运动所述主动轮9外边缘具有齿轮凹槽66，主动轮9的齿与所述带齿的皮带8相啮合。齿轮凹槽66用于限制金属丝柔性皮带垂向运动。
81.本发明的制作和安装过程如下：
82.在正式实验前，先根据深海立管的实际尺寸、测试工况的具体情况、实验室深水池的尺寸以及实验的经济性选择合适的相似准则、模型缩尺比及合适的实验工况。根据实验工况对实验装置的强度、刚度等要求选择各个模块合适的材料和尺寸。实验装置各模块制作完成后，详细安装步骤如下：
83.首先将20个独立的底座模块分别组装完成后，将其固定在实验室水池钢制升降底上，并使之围成一个直径为8米的圆周，即与大回转齿轮直径一致。然后，将大回转齿轮放置在支撑基座上，将20个外边界约束模块和20个内边界约束模块安装，固定大回转齿轮。具体的，安装内边界弹性约束模块7时，是先利用第一螺栓33的头部，将第二弹簧34压紧，然后将内边界弹性约束模块7安装至底座模块11上，而后慢慢松开第一螺栓33的头部，直至内顶轴承36与回转齿轮5相抵。安装外边界弹性约束模块6时，是先将下压法兰块42安装至位于回转齿轮5附近处，而后通过拧紧第二螺栓40，使下压轴承43下压至压住回转齿轮5，在一个优选例中，下压轴承43压载在带齿轮凹槽65的中。
84.其次，将中心旋转模块底部法兰、中心支撑轴和肘板进行焊接，顶部旋转法兰通过轴承安装与中心支撑轴，完成中心旋转模块组装，通过高强度螺栓将中心旋转模块在大回转齿轮的圆心位置固定于海工水池假底上。
85.进一步，将动力模块支撑结构通过底座法兰安装在水池钢制升降假底，依次装配轴承座，主动轮和光轴，继而安装减速机和伺服电机。将金属柔性皮带紧配安装与大回转齿轮和主动轮的凹槽内，完成动力系统连接。
86.最后，将第一夹具24，第一万向节23，第一三分力传感器22，螺杆17依次组装，完成张紧器模块各组件组装，通过底座法兰固定于大回转齿轮；刚性固定模块则依次组装夹具，万向节，三分力传感器和底座法兰，并固定与中心旋转模块上。将深海立管模型通过夹具加持在张紧器模块和刚性固定模块之间。具体的，安装张紧器模块2时，是先旋转顶丝14，使第一弹簧16压缩，此时需施加外力固定螺杆17，使螺杆17保持原位，而后将第一夹具24与立管模型1连接，再释放施加的外力，利用第一弹簧16对顶片15的反作用，带动螺杆17进而带动第一夹具24，以实现立管模型1的张紧。
87.在实验装置整体安装完成后调试装置，调试完成后就可以根据具体工况和实验技术要求启动实验装置进行试验。
88.本发明解决了现有剪切流和剪切振荡流立管涡激振动实验装置易失稳、易共振，流场干扰多，流场不可控和剪切振荡流场无法模拟等问题。本发明的实验装置结构简单，复杂性低；本发明的装置牢固，结构稳定性好，不会发生传统实验技术过长悬臂引起的结构失稳现象。本发明的装置固有频率与涡激振动的显著周期差别较大，不易产生共振现象；本发明提供的装置大回转齿轮内侧不存在任何附属结构物，流场干净理想。本发明提供的装置可可控地模拟定常和时变振荡流场，流场振荡参数可便利调整。
89.综上所述，本发明结构稳定、可避免装置与涡激振动频率接近而发生的共振现象、传动平稳、流场干净、流场参数改变便利，能够获得不同强度剪切流和剪切振荡流场下立管涡激振动高质量的试验测试数据。
90.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“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技术和简化描述，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技术的限制。
91.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述包括立管模型(1)、中心旋转模块(4)、张紧器模块(2)、刚性固定模块(3)、回转齿轮(5)、内边界弹性约束模块(7)、外边界弹性约束模块(6)、皮带(8)、主动轮(9)、底座模块(11)、动力模块(10)、上位机控制模块(12)、测量模块(13)；所述立管模型(1)两端分别与所述张紧器模块(2)、刚性固定模块(3)连接；所述张紧器模块(2)固定在所述回转齿轮(5)上，所述刚性固定模块(3)固定于中心旋转模块(4)上，所述回转齿轮(5)通过外边界弹性约束模块(6)和内边界弹性约束模块(7)固定于所述底座模块(11)上，所述底座模块(11)和所述中心旋转模块(4)固定于外界海工水池假底；所述主动轮(9)安装在所述所述动力模块(10)上，皮带(8)套装在回转齿轮(5)、主动轮(9)上；所述上位机控制模块(12)与动力模块(10)信号连接；立管模型(1)、张紧器模块(2)以及刚性固定模块(3)均与测量模块(13)信号连接；动力模块(10)能够带动所述主动轮(9)旋转，所述主动轮(9)能够通过皮带(8)带动所述回转齿轮(5)转动；继而带动所述立管模型(1)转动。2.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述立管模型(1)包括中心管件(46)、热缩管(44)以及光纤光栅应变串(45)；所述中心管件(46)上安装有所述光纤光栅应变串(45)，所述热缩管(44)包裹所述中心管件(46)和所述光纤光栅应变串(45)；所述中心管件(46)通过光纤光栅应变串(45)与测量模块(13)信号连接。3.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述中心旋转模块(4)包括第一底座法兰(29)、肘板(30)、中心支撑轴(31)以及顶部可旋转法兰(32)；所述肘板(30)与中心支撑轴(31)固定在一起，继而整体连接在第一底座法兰(29)上，中心支撑轴(31)顶部通过轴承与顶部可旋转法兰(32)连接；顶部可旋转法兰(32)用于承载刚性固定模块(3)。4.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述张紧器模块(2)包括第一夹具(24)、第一万向节(23)、第一三分力传感器(22)、可移动滑块(21)、第一直线轨道(19)、螺杆(17)、螺杆转接法兰(20)、底部固定转接法兰(18)、第一弹簧(16)、顶片(15)和顶丝(14)；所述立管模型(1)的一端与所述张紧器的第一夹具(24)连接；所述第一夹具(24)与第一万向节(23)一端相连；所述第一万向节(23)与所述三分力传感器(22)螺栓连接；所述第一三分力传感器(22)与螺杆(17)的一端连接；所述螺杆(17)的中部通过所述螺杆转接法兰(20)与所述可移动滑块(21)连接；所述第一直线轨道(19)与所述底部固定转接法兰(18)连接；所述螺杆(17)的另一端套装有顶丝(14)，顶丝(14)通过所述顶片(15)与所述第一弹簧(16)一端相抵，所述第一弹簧(16)另一端与所述底部固定转接法兰(18)所具有的挡板(64)相抵；所述底部固定转接法兰(18)固定安装在所述回转齿轮(5)上，第一三分力传感器(22)与所述测量模块(13)电连接。5.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述刚性固定模块(3)包括：第二夹具(28)、第二万向节(27)、第二三分力传感器(26)
和底座固定法兰(25)；所述立管模型(1)的另一端与所述第二夹具(28)相连，所述第二夹具(28)、所述第二万向节(27)、第二三分力传感器(26)以及底座固定法兰(25)依次螺栓相连；底座固定法兰(25)安装于所述中心旋转模块(4)上；所述第二三分力传感器(26)与所述测量模块(13)电连接。6.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述内边界约束模块(7)包括：内顶轴承(36)、内顶法兰块(35)、第一螺栓(33)、第二弹簧(34)、第二直线轨道(39)、滑块(38)和第二底座法兰(37)；所述第一螺栓(33)一端所具有的头部与所述第二弹簧(34)相抵，所述螺栓(34)的另一端连接内顶法兰块(35)，所述内顶法兰块(35)与所述滑块(38)螺栓连接，所述第二直线轨道(39)固定于所述第二底座法兰(37)；所述内顶轴承(36)安装在所述内顶法兰块(35)端部，且与回转齿轮(5)相抵。7.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述外边界约束模块(6)包括下压轴承(43)、第二螺栓(40)、第三弹簧(41)和下压法兰块(42)；所述下压轴承(43)与下压法兰块(42)刚性紧固连接，所述下压轴承(43)与回转齿轮(5)相抵；所述第二螺栓(40)一端所具有的头部与所述第三弹簧(41)相抵，所述第二螺栓(40)的另一端穿过所述下压法兰块(42)固定于所述底座模块(11)上。8.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述底座模块(11)包括支撑基座(53)、轴承(55)和轴承底座(54)；支撑基座(53)固定设置于外界海洋工程深水池的升降假底上,所述轴承(55)通过所述轴承底座(54)与所述支撑基座(53)连接，所述轴承(55)顶部与所述回转齿轮(5)下底面接触相连。9.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述动力模块(10)包括伺服电机(47)、减速机(48)、轴结构(52)、轴承座(51)、支撑结构(49)和第三底座法兰(50)；所述伺服电机(47)、减速机(48)、轴结构(52)、轴承座(51)依次传动连接；所述轴承座(51)固定于所述支撑结构(49)上，所述支撑结构(49)通过所述第三底座法兰(50)固定于外界海工水池假底上；所述轴结构(52)与所述主动轮(9)固定连接。10.根据权利要求1所述的模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，其特征在于，所述回转齿轮(5)外边缘有带齿轮凹槽(65)，所述带齿轮凹槽(65)中的齿轮与所述带有齿轮的皮带(8)相啮合；所述主动轮(9)外边缘具有齿轮凹槽(66)，齿轮凹槽(66)中的齿轮与所述带齿的皮带(8)相啮合。

技术总结
本发明提供了一种模拟剪切流和剪切振荡流的立管涡激振动实验装置，所述包括立管模型、中心旋转模块、张紧器模块、刚性固定模块、回转齿轮、内边界弹性约束模块、外边界弹性约束模块、皮带、主动轮、底座模块、动力模块、上位机控制模块、测量模块；所述主动轮安装在所述动力模块上，皮带套装在回转齿轮、主动轮上；所述上位机控制模块与动力模块信号连接；立管模型、张紧器模块以及刚性固定模块均与测量模块信号连接；动力模块能够带动所述主动轮旋转，所述主动轮能够通过皮带带动所述回转齿轮转动；继而带动所述立管模型转动。本发明不易产生共振现象且可可控地模拟定常和时变振荡流场，流场振荡参数可便利调整。流场振荡参数可便利调整。流场振荡参数可便利调整。


技术研发人员：任浩杰 付世晓 许玉旺 张萌萌 沈佳威 牛智搏 胡滕艳 宋斌 孙童晓
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/6