海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

婁 敏，張?jiān)抨?/p>

海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

婁 敏，張?jiān)抨?/p>

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

依據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求，圍繞提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力目標(biāo)，設(shè)計(jì)了海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不僅可對課堂理論知識進(jìn)行強(qiáng)化和鞏固，還提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生掌握了電測法測試技能及信號處理技能。通過實(shí)驗(yàn)拓展，開發(fā)了一系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

海洋結(jié)構(gòu)物；自振頻率；動(dòng)力響應(yīng)；電測法

自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，先后出臺(tái)了“復(fù)旦共識”“天大行動(dòng)”和“北京指南”等，提出了培養(yǎng)具有全球視野、實(shí)踐精神和創(chuàng)新能力的高水平復(fù)合型人才教育目標(biāo)[1-2]，同時(shí)要求高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、法制意識和創(chuàng)新實(shí)踐能力[3-6]。

“海洋平臺(tái)工程”是新工科船舶與海洋工程專業(yè)培養(yǎng)方案中的專業(yè)必修課，其目的是通過教學(xué)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式和基本設(shè)計(jì)方法，不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力性能是該課程教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，是平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該內(nèi)容還是該課程的難點(diǎn)，通過理論推導(dǎo)出的一系列公式抽象、不易理解。為了讓學(xué)生獲取直觀清晰的學(xué)習(xí)認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生對海洋平臺(tái)工程的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)圍繞對船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[7-11]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

海洋結(jié)構(gòu)物處于海洋環(huán)境中，受到彈性恢復(fù)力、阻尼力、慣性力及外加荷載的作用，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程式為[12]：

1.1 自振頻率

自振頻率是指在自由振動(dòng)時(shí)海洋結(jié)構(gòu)物的頻率，與外荷載無關(guān)，其振動(dòng)方程為：

通過對方程（2）的求解，即可獲得海洋結(jié)構(gòu)物的自振頻率。

1.2 波流荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)

當(dāng)海洋結(jié)構(gòu)物處于波流環(huán)境中，其外荷載為波流荷載，對于小尺度構(gòu)件，可采用莫里森方程計(jì)算，其單位長度的波流荷載為：

其中：C為阻力系數(shù)，為海水密度，為質(zhì)點(diǎn)速度，為立管直徑，C為慣性力系數(shù)，為水質(zhì)點(diǎn)加速度，為立管單位長度截面積。

聯(lián)立公式（2）和（3）求解，即可獲得海洋結(jié)構(gòu)物波流荷載下動(dòng)力響應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容來自于教師的科研成果，通過教師精心設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為適合課堂教學(xué)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）熟悉電測法和橋路知識的基本原理，掌握電測法測量方法；

（2）掌握海洋結(jié)構(gòu)物自由振動(dòng)的基本原理，學(xué)會(huì)自由振動(dòng)的激勵(lì)和測試方法；

（3）熟悉造流造波系統(tǒng)的工作原理，掌握波流荷載下海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和測試方法；

（4）熟悉時(shí)域信號向頻域信號的轉(zhuǎn)化原理，掌握自由振動(dòng)頻率和波流荷載下海洋結(jié)構(gòu)物振動(dòng)頻率的處理方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

海洋結(jié)構(gòu)物可以是復(fù)雜的海洋石油平臺(tái)，也可以是相對簡單的海洋立管，其基本原理一致。在該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為了教學(xué)的直觀性，選取海洋立管作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒐苣Ｐ腿鐖D1所示。立管長1200 mm，其中水下部分為700 mm，應(yīng)變片粘貼于水上100 mm處，即圖1中Position 1#。由于需要測量立管在波流作用下的動(dòng)力響應(yīng)，將該立管模型放置于波流水槽中，根據(jù)水槽寬度和立管模型長度設(shè)計(jì)一個(gè)用于固定立管的鋁合金支架，如圖2所示。

本實(shí)驗(yàn)通過測量立管模型的應(yīng)變來研究立管的動(dòng)力響應(yīng)，用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)處理軟件來進(jìn)行信號采集和處理。應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀通過屏蔽線相互連接，以防止外部信號干擾測試信號。為了便于觀測，動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集儀器及數(shù)據(jù)采集儀器與裝有數(shù)據(jù)處理軟件的電腦之間分別通過數(shù)據(jù)線連接，立管響應(yīng)信號及其變化可直接顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

圖1 立管示意圖

圖2 水槽中的立管布置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）應(yīng)變片粘貼與導(dǎo)線焊接。本實(shí)驗(yàn)在立管Position 1#處（見圖1）沿周向布置4個(gè)應(yīng)變片，其中與水流平行的2個(gè)應(yīng)變片即1#和3#應(yīng)變片組成一個(gè)半橋，測量立管順流向振動(dòng)；與水流垂直的2個(gè)應(yīng)變片即2#和4#應(yīng)變片組成一個(gè)半橋，測量立管橫向振動(dòng)，應(yīng)變片布置如圖3所示。

（2）自振頻率測試。給立管一沖擊荷載，然后測量立管在初始沖擊下的自由振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)域曲線如圖4(a)所示。采用傅里葉變化方法將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，如圖4(b)所示，圖4(b)曲線峰值對應(yīng)的頻率即為立管自振頻率，該頻域只與立管剛度和質(zhì)量有關(guān)，與外荷載無關(guān)。

圖3 立管應(yīng)變片布置

圖4 立管自由振動(dòng)測試

（3）波流荷載下立管動(dòng)力響應(yīng)。波流荷載下立管動(dòng)力響應(yīng)分為多種工況。一是僅有流作用。通過造流系統(tǒng)分別設(shè)置高、中、低3種流速，測量立管動(dòng)力響應(yīng)，分析流速對立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。二是僅有波浪作用。波浪參數(shù)是由波高和波周期來確定的，通過造波機(jī)可分別設(shè)置具有不同波高和波周期的波浪。具體操作如下：首先設(shè)置相同的波浪周期，然后利用3個(gè)不同的波浪高度來測量立管動(dòng)力響應(yīng)，分析波浪高度對立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律；然后設(shè)置相同的波高，對應(yīng)3個(gè)不同的波浪周期，分析波浪周期對立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律；三是波和流共同作用，同時(shí)開啟造流造波系統(tǒng)，進(jìn)行波流聯(lián)合作用下立管動(dòng)力響應(yīng)測試，與僅有流、僅有波作用下的情況進(jìn)行對比分析。

3 拓展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過文獻(xiàn)閱讀，追蹤最新的科研動(dòng)態(tài)，拓展出如下系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

3.1 渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

當(dāng)流體流經(jīng)立管時(shí)，除了產(chǎn)生與水流方向一致的順流向運(yùn)動(dòng)外，還發(fā)生旋渦脫落，導(dǎo)致立管在與海流垂直的方向發(fā)生橫向渦激振動(dòng)，渦激振動(dòng)可能在一定程度上引起立管的疲勞破壞。在海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生對立管橫向振動(dòng)即應(yīng)變片2#和4#（見圖3）的信號進(jìn)行采集，可獲得立管渦激振動(dòng)響應(yīng)。

3.2 尾流干涉下立管動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際工程中，為節(jié)省平臺(tái)空間，往往將立管緊湊布置，因此有多根立管組成立管群。此時(shí)立管動(dòng)力響應(yīng)會(huì)受到上游及左右立管的尾流干涉作用，其運(yùn)動(dòng)與單根立管截然不同，是目前國際研究的前沿方向。在海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生開發(fā)了立管群的動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究了尾流干涉對立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。

3.3 尾流干涉作用下立管渦激振動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)

當(dāng)旋渦脫落頻率與立管自振頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振，這會(huì)導(dǎo)致立管振動(dòng)幅值的急劇增加。在工程中可以采用抑振裝置來抑制渦激振動(dòng)，目前國內(nèi)外對渦激振動(dòng)抑制的研究方案主要針對單個(gè)立管，而考慮尾流干涉作用下多個(gè)立管之間渦激振動(dòng)的抑制研究較少。在海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生對立管群的渦激振動(dòng)抑制裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了諸如隔板、控制桿、減震器等多種抑制裝置的渦激振動(dòng)抑制效果。

4 結(jié)語

通過海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了電測法測試技能和時(shí)頻信號轉(zhuǎn)換原理，對課堂教學(xué)中海洋結(jié)構(gòu)物自振頻率和波流荷載下動(dòng)力響應(yīng)有了直觀且深刻的體驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過文獻(xiàn)閱讀，追蹤最新科研動(dòng)態(tài)，拓展出一系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，發(fā)表10余篇學(xué)術(shù)論文，其中SCI、EI論文5篇，獲授權(quán)立管渦激振動(dòng)抑制裝置國家發(fā)明專利3項(xiàng)，較好地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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Design and practice of dynamic experiment for marine structures

LOU Min, ZHANG Yunhan

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

According to the requirement of personnel training for new subjects and aiming at improving students’ practical and innovative abilities, a comprehensive innovative experiment of marine structure dynamics is designed. This experiment not only strengthens and consolidates students’ classroom theoretical knowledge, but also improves their practical ability so that students can master the test skills and signal processing skills of electrical measurement method. Through experiment development, a series of innovative experiments have been developed, which stimulates students’ learning enthusiasm and improves their innovative ability.

marine structure; natural frequency; dynamic response; electrical measurement

G642.423

A

1002-4956(2019)09-0155-03

2019-01-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51579245）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0303800）；中國石油大學(xué)（華東）教學(xué)改革項(xiàng)目（JY-B201881）

婁敏（1981—），女，山東曲阜，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠼Y(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

E-mail: shidaloumin@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.039