水下機械結構阻尼測試裝置設計

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【摘要】水下設施常承受海洋波浪、海流等復雜環境因素影響，尤其水下機械結構所承受的阻尼力對機械結構的力學性能及穩定運行均產生重要影響。本文設計了一種水下機械結構關鍵阻尼參數測試裝置，并使用該測試裝置對水下機械結構的阻尼參數進行了測試探討，為水下機械結構力學性能的試驗研究提供了參考方法和手段。

【關鍵詞】機械結構；阻尼；測試裝置

1引言

隨著海洋油氣開發逐步進入深水，水下設施尤其水下機械結構在深水海洋開發中扮演著越來越重要的角色。水下機械結構具有布置靈活、適應性強、可重復使用、成本較小等優點，同時由于反復承受海洋波流等復雜環境荷載，水下機械結構所承受的阻尼力對其力學性能及穩定運行產生重要影響。本文通過對水下阻尼力分析方法進行理論研究，并開發出一種水下機械結構阻尼測試裝置，為水下機械結構的力學性能試驗提供了依據和參考。

2流體力學基本理論及水下阻尼力分析方法

2.1流體力學基本理論

流體運動應遵循質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律3大定律。在流體力學理論中體現為連續性方程、動量方程和能量方程。我們一般把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體。海洋工程中，水下機械結構所承受的海洋環境通常作為不可壓縮流體進行考慮。黏性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。不同的流體在相同的剪切力作用下其變形速度是不同的，即流體的黏性不同。自然界中的通常的流動狀態主要有兩種形式，即層流與湍流。層流是指流體在流動過程中流體運動較為規則，流體層間沒有相互摻混，質點的軌線光滑，且流場穩定；而湍流的特征則不同，流體層間運動不規則，各部分激烈摻混。一般而言，海洋工程中海床邊界層、海面邊界層范圍內的水流運動情況十分復雜，湍流較為普遍。而其他水深范圍內通?？烧J為是層流運動。

2.2水下阻尼力分析方法

海洋工程中，結構物的阻力一般由兩部分組成：①由于流體的黏性在物體表面上作用著切向應力，由此切向應力所形成的摩擦阻力；②由于邊界層分離，物體前后形成壓強差而產生的壓差阻力。摩擦阻力和壓差阻力之和統稱為結構物所受阻尼力。學術界研究及工程經驗得出，結構物阻力與來流的動壓、結構物在垂直于來流方向的截面積A成正比，即單位長度的結構物所受到的阻尼力為D=1/2ρU2dCD，CD為阻力系數。

3水下機械結構阻尼測試裝置開發及測試方法

3.1水下機械結構阻尼測試裝置開發

水下機械結構阻尼力的測試需要對海洋流速U及機械結構在波流沖擊下所受阻尼力進行測試。同時根據現場實際工況，考慮不同流速、不同角度下海流對機械結構的沖擊作用。考慮在靜止流體中模擬運動情況，即通過控制機械結構系統的運動速度來實現結構物在海洋環境中的模擬。考慮設計一套承載系統來對機械結構物進行固定。為了實現不同角度模擬，進行變角度設計。同時，考慮不同流速的模擬，進行可連續調速的動力與傳動系統設計。水下機械結構阻尼實驗需要對結構物與海水的相對運動速度、機械結構物所承受的阻尼力進行測試，因此進行測試系統設計。水下機械結構物承載系統包括承載懸臂、角度調節器、運動模塊、觸發裝置等部件?？蓪崿F水下機械結構與海流之間0、30、60、90等不同夾角的阻尼力試驗模擬，承載系統采用可拆卸架式結構，在滿足強度設計要求的同時，兼具質輕，利于測試，誤差小等優點。傳動裝置系統由變速電機、變頻器提供系統動力，包括傳動輪、傳動鏈、限位裝置、觸發結構等組成結構。水下機械結構阻尼測試裝置可實現適用于0~200m水深、水下機械結構物0.5~40m尺度范圍、海流速度0.5~10節范圍的原型模擬。

3.2水下機械結構阻尼測試方法

通過對原型的簡化模擬，可分析出承載懸臂勻速運動時，懸臂受到水下機械結構作用的水平力，考慮水下機械結構物運動速度恒定，此水平力與水下機械結構所受到的阻尼力相等，因此所測出的承載懸臂上水下機械結構的水平力即為阻尼力。阻尼力測試方法采用應變測試法，通過應變計的設計與信號采集，得出應力及應變參數，從而通過計算得到阻尼力。海流流速模擬測試方法通過使用光電編碼器在試驗中采集承載系統的運動-時間信號，從而測試得出海流流速，此方法測試精度可達0.001m/s。

4實例分析

以南海某海域海上油田工程項目中所使用的20m長水下拋砂機械導管為例，進行水下機械結構阻尼測試分析，數據如表1所示，測試試驗相似比為1：100.由σ=Eε，εmax=M/WZ其中，WZ=IZ/ymax對矩形截面（高h，寬b），WZ=bh2/6=1.33×10-6m3，M=Fd×LF，Fd為阻力，LF=0.4m為機械導管中心與應變計的距離。懸臂為鋁材質，E=68GPa，G=26GPa（見表2）。根據表2數據，經過與現場測試結果對比，該試驗結果誤差率約3.2~9.8%，模型試驗方法及測試結果較為可靠。

5結論

本文對水下機械結構的阻尼分析方法進行了探討，并開發了一種水下機械結構關鍵阻尼參數的測試裝置，為水下機械結構力學性能的試驗研究提供了參考方法；該水下機械結構阻尼測試裝置測試精度可靠，通過與現場測試比對，誤差率小于10%，可為今后深水海洋工程中水下機械結構抗阻尼設計提供借鑒。

參考文獻

[1]周光炯.流體力學[M].北京：高等教育出版社，2000.

作者:伊鋒 雷震名 高釩銘 單位:.中海石油（中國）有限公司天津分公司 海洋石油工程股份有限公司 天津俊昊海洋工程有限公司