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专利名称：新型海底管土相互作用模型试验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及海底管土相互作用模型试验平台
背景技术：
海底管线的安全铺设是海洋油气工程中的重要环节之一。深海中管道的铺设受到复杂的风、浪、流等环境因素的影响，管道与海床的相互作用也更加复杂，管道表现出強烈的非线性动力特性。因此，深海复杂荷载环境下管土相互作用是当前国内外研究的重点与未来的发展方向。相关的理论研究与数值模型的建立需要大量可靠而详尽的实验数据来加以验证和优化。模型试验方法具有费用低廉，易于操作、外界干扰因素少等优点，在科学研究中具有不可替代的作用。目前，国内外学者对海底管土相互作用进行了大量的试验研究，但是都不够系统，而且成熟的试验仪器也很少有的不能真实模拟海底管道触地区的运动形态，如〈段梦兰等.深水钢悬链线立管触地区疲劳实验系统设计.力学与实践，2011，
(33)3: 15-19〉；有的只适用于砂土，不但不能考虑管道横向运动的影响，也不能得到振动幅值、频率和循环次数等因素的影响规律，详见〈M. S. Hodder, B. ff. Byrne. 3D experimentsinvestigating the interaction of a model SCR witn the seaoed. Applied OceanResearch 2009;1:1-12〉。影响海底管土相互作用的因素很多，通过大量的模型试验以定量地评估这些因素对管土相互作用的影响，对于提高我国海底管线的设计水平有着非常重要的意义。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种新型海底管土相互作用模型试验平台，为深水海底管土相互作用试验研究提供ー套新型模型试验平台，以更加真实地模拟复杂海洋环境，考虑更多因素的影响，更重要的是为数值模拟和理论研究提供可靠的模型试验技木。为此，本发明采用以下技术方案ー种新型海底管土相互作用模型试验平台，它包括设置模拟海床的模型槽，其特征在于所述试验平台还设有
1)、设置在模型槽端部的立柱(I);
2)、支承动カ装置的可升降的横梁(6)，所述横梁(6)与升降驱动装置连接，所述横梁通过其升降导向机构与立柱连接；
所述动カ装置包括；
3-1)、可沿水平纵向在横梁上平移的纵向活动平台(29)以及将所述纵向活动平台(29)锁紧在横梁上的锁紧机构，所述纵向活动平台处在横梁之下，通过滚动体支承在横梁上，所述横梁上设有所述水平纵向平移的导向件；
3-2)、可沿水平横向运动的横向活动支架(9)，所述横向活动支架(9)处于纵向活动平台(29)之下，横向活动支架通过其平移导向装置与纵向活动平台连接，所述横向活动支架
(9)的平移驱动装置安装在纵向活动平台(29)上；
3-3)、安装在横向活动支架上的油缸(11)，其工作方向为垂直方向；3-4)、被所述油缸驱动升降的竖向活动平台(37)，所述竖向活动平台通过其升降导向机构与横向活动支架(9)连接；
3-5)、安装在竖向活动平台(37)上的竖向活动支架(10)；
3-6 )、铰接在竖向活动支架(10 )底端的转动块(40 )，其转动轴向为所述横向，所述转动块还配设有防止其转动的锁紧机构；
3-7)、安装在转动块(40)上的模型管道固定机构。在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进ー步的技术方案
所述横梁的升降驱动装置包括牵引绳、牵引绳卷筒、卷筒操作手柄，所述卷筒操作手柄和牵引绳卷筒之间连接減速器，所述立柱上设置有所述牵引绳的滑轮。所述横梁的升降导向机构为竖向卡板(5)，所述卡板(5)与立柱上的导向构件滑动连接。所述竖向活动平台的升降导向机构包括竖向直线导轨及竖向滑块，所述竖向活动平台和竖向滑块连接，所述油缸(11)与竖向活动平台和竖向滑块连接。所述转动块所配设的锁紧机构为锁紧螺栓(39)。所述纵向活动平台(29)的锁紧机构为处于所述导向件上的压紧板(26)。所述模型管道固定机构包括模型管道夹套(41)以及与模型管道夹套(41)螺纹连接的锁紧螺母(45)。本发明配设有模型管道(12 )，所述模型管道(12 )的两端由密封盖(42 )封闭，模型管道(12)内悬挂钢丝绳，所述模型管道内配设固定所述钢丝绳的固定板(43)。本发明配设有模型管道(12)，所述试验平台的传感器均安装在所述试验平台的模型管道上，所述传感器包括拉线式位移传感器、弯矩应变计、孔隙水压カ传感器和土反カ传感器。本发明设有数据采集系统以及油缸的液压伺服系统，所述数据采集系统包括拉线式位移传感器、弯矩应变计、孔隙水压カ传感器和土反カ传感器。由于采用本发明的技术方案，本发明具备以下功能快速布置的海床环境，模拟复杂的受カ状况，可调控的双向循环动力加载系统，对管土相互作用模型的运动学及动力学等參数进行即时量测的数据采集系统。本发明能够实现深海复杂循环动荷载环境下管土相互作用模型试验研究，并提高进行模型试验的效率与结果的准确性，对于更深一歩了解海底管土相互作用特性有着巨大的促进与推动作用。本发明与国内外现有的相关试验技术相比，可以适用于粉土和粘土，可以考虑横向荷载，而且可以考虑模型管道端部的连接型式对管土相互作用的影响，且加载系统和数据采集系统精确可控。


图I是本发明所提供的实施例的示意图。图2是本发明所提供的实施例的动カ装置局部示意图之一。图3是本发明所提供的实施例的局动カ装置部示意图之ニ。图4是本发明所提供的实施例的模型槽槽底板部分示意图 图5是本发明所提供的实施例的減速器部分示意图。
图6是本发明传感器位置布置示意图。
具体实施例方式參照附图。本发明包括设置模拟海床的模型槽13，所述模拟海床为粉土或粘土16，所述模拟海床上部为水，本发明还配设有模型管道12、所述模型管道12采用PVC材料制成，所述试验平台动カ装置包括
1)、设置在模型槽13端部的立柱I;
2)、支承动カ装置的可升降的横梁6，所述横梁6与升降驱动装置连接，所述横梁通过其升降导向机构与立柱I连接；
所述横梁6的升降导向机构为竖向卡板5，所述卡板5与立柱I上的导向构件滑动连接，卡板5可使横梁6沿着立柱I上下位移。，所述横梁6的升降驱动装置包括牵引绳3、牵引绳卷筒49、卷筒操作手柄51 ;通过摇动所述手柄51，可使横梁6沿着上下位移，以调节横梁6的竖向位置，所述卷筒操作手柄51和牵引绳卷筒49之间连接減速器4，所述减速器4可控制横梁6上下滑动的速度。所述立柱I上设置有所述牵引绳的滑轮23、24。所述动カ装置包括；
3-1)、可沿水平纵向在横梁上平移的纵向活动平台29以及将所述纵向活动平台29锁紧在横梁6上的锁紧机构，所述纵向活动平台29处在横梁6之下，通过滚动体支承在横梁6上，所述横梁6上设有所述水平纵向平移的导向件7，即纵向活动平台29可沿着安装在横梁6下部的导向件7做纵向运动，所述纵向为图I、2中的左右方向。所述纵向活动平台29的锁紧机构为导向件7上的压紧板26，它可根据需要把纵向导向滑板7固定在横梁6上而不能活动。3-2)、可沿水平横向运动的横向活动支架9，所述横向活动支架9处于纵向活动平台29之下，横向活动支架9通过其平移导向装置与纵向活动平台连接，所述横向活动支架9的平移驱动装置安装在纵向活动平台29上；所述横向与所述纵向以及垂直方向相垂直。所述横向活动支架9的平移导向装置包括横向直线导轨30、31，横向滑块32、33，横向滑块32、33可沿着横向直线导轨30、31做横向滑动，直线导轨30、31固定在纵向活动平台29的下表面上，横向滑块32、33与横向活动支架9的上部相连接。横向活动支架9的平移驱动装置为油缸8。3-3)、安装在横向活动支架9上的油缸11，其工作方向为垂直方向；
3-4)、被所述油缸驱动升降的竖向活动平台37，所述竖向活动平台37通过其升降导向机构与横向活动支架9连接；
所述竖向活动平台37的升降导向机构包括竖向直线导轨36及竖向滑块34、35，直线导轨36设置在横向活动支架9上，所述竖向活动平台37和竖向滑块34、35连接，所述油缸11与竖向活动平台37和竖向滑块34、35连接，驱动它们升降。3-5)、安装在竖向活动平台37上的竖向活动支架10 ；
3-6)、铰接在竖向活动支架10底端的转动块40，其转动轴38的设置方向为所述横向，所述转动块还配设有防止其转动的锁紧机构；所述转动块40所配设的锁紧机构为锁紧螺栓39。通过所述固定螺栓39可改变竖向活动支架10与模型管道12端部的连接型式。3-7)、安装在转动块40上的模型管道固定机构。
所述模型管道固定机构包括模型管道夹套41以及与模型管道夹套41螺纹连接的锁紧螺母45。本发明配设有模型管道12，所述模型管道12的两端由密封盖42封闭，模型管道12内悬挂钢丝绳，以根据需要调节重度。所述模型管道内配设固定所述钢丝绳的固定板43。本发明设有数据采集系统以及所述油缸11的液压伺服系统，所述数据采集系统包括拉线式位移传感器DW、弯矩应变计BW、孔隙水压カ传感器PT和土反力传感器SK。所述试验平台的传感器均安装在所述试验平台的模型管道上。本发明的模型槽还设置有模型槽侧肋15，，模型槽的侧板为钢化玻璃侧板14。所述模型槽13底部设置有排水层17。模型槽底板18安装在所述排水层17下部，所述模型槽底板18的构造參见附图4。附图标号46为紧固螺栓，附图标号47为固定座，附图标号48为地脚螺栓固定孔。在进行试验时，具体步骤是首先在模型槽13里倾倒一定量的海床粉土或粘土 16，上面倒入一定深度的水，底部布置的排水层17可以加速槽内土体的排水固结，快速达到可以进行试验的海床环境。然后通过模型槽上部的管道收放装置19将模型管道12放到模拟海床上，通过手柄51调节横梁6的初始位置，以调节模型管道12的初始位置。模型管道端部固接竖向循环荷载加载过程锁紧压紧板26使纵向活动平台29不能沿着纵向导向件7自由滑动，锁紧固定螺栓39使模型管道12不能绕着转动轴38自由旋转，通过液压伺服系统控制油缸11，分别采用不同幅值、不同频率、不同循环次数进行加载，通过数据采集系统实时记录各传感器的数据。模型管道端部固接横向循环荷载加载过程锁紧压紧板26使纵向活动平台29不能沿着纵向导向件7自由滑动，锁紧固定螺栓39使模型管道12不能绕着转动轴38自由旋转，通过液压伺服系统控制油缸8，分别采用不同幅值、不同频率、不同循环次数进行加载，通过数据采集系统实时记录各传感器的数据。模型管道端部铰接竖向循环荷载加载过程放开压紧板26使纵向活动平台29能够沿着纵向导向件7自由滑动，松开固定螺栓39使模型管道12能够绕着转动轴38自由旋转，通过液压伺服系统控制油缸11，分别采用不同幅值、不同频率、不同循环次数进行加载，通过数据采集系统实时记录各传感器的数据。模型管道端部铰接横向循环荷载加载过程放开压紧板26使纵向活动平台29能够沿着纵向导向件7自由滑动，松开固定螺栓39使模型管道12能够绕着转动轴38自由旋转，通过液压伺服系统控制油缸8，分别采用不同幅值、不同频率、不同循环次数进行加载，通过数据采集系统实时记录各传感器的数据。试验完成后，通过模型管道收放装置19将模型管道12吊起，将模型槽13内的水放掉，人工将模拟海床土翻动、搅拌，再向模型槽内倾倒一定量的水，进行一定时间的固结，继续进行下一次试验。
通过本模型试验平台，可以分别得到循环动荷载的幅值、频率和循环次数对海底管土相互作用模式的影响，进一歩了解管土相互作用的机理，并建立简单可用于工程的公式。
权利要求
1.新型海底管土相互作用模型试验平台，包括设置模拟海床的模型槽，其特征在于所述试验平台还设有 1)、设置在模型槽端部的立柱(I); 2)、支承动カ装置的可升降的横梁(6)，所述横梁(6)与升降驱动装置连接，所述横梁通过其升降导向机构与立柱连接； 所述动カ装置包括； 3-1)、可沿水平纵向在横梁上平移的纵向活动平台(29)以及将所述纵向活动平台(29)锁紧在横梁上的锁紧机构，所述纵向活动平台处在横梁之下，通过滚动体支承在横梁上，所述横梁上设有所述水平纵向平移的导向件； 3-2)、可沿水平横向运动的横向活动支架(9)，所述横向活动支架(9)处于纵向活动平台(29)之下，横向活动支架通过其平移导向装置与纵向活动平台连接，所述横向活动支架(9)的平移驱动装置安装在纵向活动平台(29)上； 3-3)、安装在横向活动支架上的油缸(11)，其工作方向为垂直方向； 3-4)、被所述油缸驱动升降的竖向活动平台(37)，所述竖向活动平台通过其升降导向机构与横向活动支架(9)连接； 3-5)、安装在竖向活动平台(37)上的竖向活动支架(10)； 3-6)、铰接在竖向活动支架(10)底端的转动块(40)，其转动轴向为所述横向，所述转动块还配设有防止其转动的锁紧机构； 3-7 )、安装在转动块(40 )上的模型管道固定机构。
2.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于所述横梁的升降驱动装置包括牵引绳、牵引绳卷筒、卷筒操作手柄，所述卷筒操作手柄和牵引绳卷筒之间连接减速器，所述立柱上设置有所述牵引绳的滑轮。
3.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于所述横梁的升降导向机构为竖向卡板(5)，所述卡板(5)与立柱上的导向构件滑动连接。
4.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于所述竖向活动平台的升降导向机构包括竖向直线导轨及竖向滑块，所述竖向活动平台和竖向滑块连接，所述油缸(11)与竖向活动平台和竖向滑块连接。
5.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于所述转动块所配设的锁紧机构为锁紧螺栓(39 )。
6.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于所述纵向活动平台(29)的锁紧机构为处于所述导向件上的压紧板(26)。
7.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于所述模型管道固定机构包括模型管道夹套(41)以及与模型管道夹套(41)螺纹连接的锁紧螺母(45)。
8.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于它配设有模型管道(12)，所述模型管道(12)的两端由密封盖(42)封闭，模型管道(12)内悬挂钢丝绳，所述模型管道内配设固定所述钢丝绳的固定板(43 )。
9.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于它配设有模型管道(12)，所述试验平台的传感器均安装在所述试验平台的模型管道上，所述传感器包括拉线式位移传感器、弯矩应变计、孔隙水压カ传感器和土反カ传感器。
10.如权利要求I所述的新型海底管土相互作用模型试验平台，其特征在于它设有数据采集系统以及油缸的液压伺服系统，所述数据采集系统包括拉线式位移传感器、弯矩应变计、孔隙水压カ传感器和土反カ传感器。
全文摘要
本发明提供一套新型海底管土相互作用模型试验平台，包括模型管道、动力装置以及设置模拟海床的模型槽，还设有立柱、横梁、卡板、减速器、钢丝绳、滑轮、固定压紧板、固紧螺栓、竖向动力装置、横向动力装置、连接机构、拉线式位移传感器、弯矩应变计、孔隙水压力传感器、土反力传感器、模型管道收放装置、液压伺服系统、数据采集系统。本发明能够实现深海复杂循环动荷载环境下海底管土相互作用特性的模型试验研究，并提高进行模型试验的效率与结果的准确性，对于更深一步了解海底管土相互作用特性有着巨大的促进与推动作用。
文档编号G01N13/00GK102645346SQ20121010072
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者国振, 张举, 李玲玲, 王立忠, 袁峰 申请人:浙江大学