水下机械结构阻尼测试装置设计

【摘要】水下设施常承受海洋波浪、海流等复杂环境因素影响，尤其水下机械结构所承受的阻尼力对机械结构的力学性能及稳定运行均产生重要影响。本文设计了一种水下机械结构关键阻尼参数测试装置，并使用该测试装置对水下机械结构的阻尼参数进行了测试探讨，为水下机械结构力学性能的试验研究提供了参考方法和手段。

【关键词】机械结构；阻尼；测试装置

1引言

随着海洋油气开发逐步进入深水，水下设施尤其水下机械结构在深水海洋开发中扮演着越来越重要的角色。水下机械结构具有布置灵活、适应性强、可重复使用、成本较小等优点，同时由于反复承受海洋波流等复杂环境荷载，水下机械结构所承受的阻尼力对其力学性能及稳定运行产生重要影响。本文通过对水下阻尼力分析方法进行理论研究，并开发出一种水下机械结构阻尼测试装置，为水下机械结构的力学性能试验提供了依据和参考。

2流体力学基本理论及水下阻尼力分析方法

2.1流体力学基本理论

流体运动应遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律3大定律。在流体力学理论中体现为连续性方程、动量方程和能量方程。我们一般把液体看作是不可压缩流体，气体看作是可压缩流体。海洋工程中，水下机械结构所承受的海洋环境通常作为不可压缩流体进行考虑。黏性是流体抵抗剪切变形的一种属性。不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，即流体的黏性不同。自然界中的通常的流动状态主要有两种形式，即层流与湍流。层流是指流体在流动过程中流体运动较为规则，流体层间没有相互掺混，质点的轨线光滑，且流场稳定；而湍流的特征则不同，流体层间运动不规则，各部分激烈掺混。一般而言，海洋工程中海床边界层、海面边界层范围内的水流运动情况十分复杂，湍流较为普遍。而其他水深范围内通常可认为是层流运动。

2.2水下阻尼力分析方法

海洋工程中，结构物的阻力一般由两部分组成：①由于流体的黏性在物体表面上作用着切向应力，由此切向应力所形成的摩擦阻力；②由于边界层分离，物体前后形成压强差而产生的压差阻力。摩擦阻力和压差阻力之和统称为结构物所受阻尼力。学术界研究及工程经验得出，结构物阻力与来流的动压、结构物在垂直于来流方向的截面积A成正比，即单位长度的结构物所受到的阻尼力为D=1/2ρU2dCD，CD为阻力系数。

3水下机械结构阻尼测试装置开发及测试方法

3.1水下机械结构阻尼测试装置开发

水下机械结构阻尼力的测试需要对海洋流速U及机械结构在波流冲击下所受阻尼力进行测试。同时根据现场实际工况，考虑不同流速、不同角度下海流对机械结构的冲击作用。考虑在静止流体中模拟运动情况，即通过控制机械结构系统的运动速度来实现结构物在海洋环境中的模拟。考虑设计一套承载系统来对机械结构物进行固定。为了实现不同角度模拟，进行变角度设计。同时，考虑不同流速的模拟，进行可连续调速的动力与传动系统设计。水下机械结构阻尼实验需要对结构物与海水的相对运动速度、机械结构物所承受的阻尼力进行测试，因此进行测试系统设计。水下机械结构物承载系统包括承载悬臂、角度调节器、运动模块、触发装置等部件。可实现水下机械结构与海流之间0、30、60、90等不同夹角的阻尼力试验模拟，承载系统采用可拆卸架式结构，在满足强度设计要求的同时，兼具质轻，利于测试，误差小等优点。传动装置系统由变速电机、变频器提供系统动力，包括传动轮、传动链、限位装置、触发结构等组成结构。水下机械结构阻尼测试装置可实现适用于0~200m水深、水下机械结构物0.5~40m尺度范围、海流速度0.5~10节范围的原型模拟。

3.2水下机械结构阻尼测试方法

通过对原型的简化模拟，可分析出承载悬臂匀速运动时，悬臂受到水下机械结构作用的水平力，考虑水下机械结构物运动速度恒定，此水平力与水下机械结构所受到的阻尼力相等，因此所测出的承载悬臂上水下机械结构的水平力即为阻尼力。阻尼力测试方法采用应变测试法，通过应变计的设计与信号采集，得出应力及应变参数，从而通过计算得到阻尼力。海流流速模拟测试方法通过使用光电编码器在试验中采集承载系统的运动-时间信号，从而测试得出海流流速，此方法测试精度可达0.001m/s。

4实例分析

以南海某海域海上油田工程项目中所使用的20m长水下抛砂机械导管为例，进行水下机械结构阻尼测试分析，数据如表1所示，测试试验相似比为1：100.由σ=Eε，εmax=M/WZ其中，WZ=IZ/ymax对矩形截面（高h，宽b），WZ=bh2/6=1.33×10-6m3，M=Fd×LF，Fd为阻力，LF=0.4m为机械导管中心与应变计的距离。悬臂为铝材质，E=68GPa，G=26GPa（见表2）。根据表2数据，经过与现场测试结果对比，该试验结果误差率约3.2~9.8%，模型试验方法及测试结果较为可靠。

5结论

本文对水下机械结构的阻尼分析方法进行了探讨，并开发了一种水下机械结构关键阻尼参数的测试装置，为水下机械结构力学性能的试验研究提供了参考方法；该水下机械结构阻尼测试装置测试精度可靠，通过与现场测试比对，误差率小于10%，可为今后深水海洋工程中水下机械结构抗阻尼设计提供借鉴。

参考文献

[1]周光炯.流体力学[M].北京：高等教育出版社，2000.

作者:伊锋 雷震名 高钒铭 单位:.中海石油（中国）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