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文档简介

中国石油大学中国石油大学海洋平台海洋平台实验报告实验报告 实验日期 实验日期 成绩 成绩 班级 班级 学号 学号 姓名 姓名 教师 教师 同组者 同组者 具体实验内容 格式样板如下 字体均用宋体 填空 每空 1 分 共 20 分 海洋结构物模型自振频率测试实验 波流荷载作用下海洋结构物模型动力响应实验 一 实验目的和要求一 实验目的和要求 1 熟悉海洋输油立管的特点及工作环境 2 熟悉相似理论 并根据相似理论将实际工程中的立管模型转化为实验模 型 3 熟悉自由振动的特点 4 熟悉时域信号向频域信号转化的原理 5 掌握主要测试仪器的使用 动态电阻应变仪 采集系统及信号处理系统 6 对实验结果进行分析 提交分析报告 二 测试仪器和加载设备二 测试仪器和加载设备 动态电阻应变仪一台 采集仪一台 信号处理系统一套 电阻应变片若干 立管有机玻璃管实验模型一根 固定装置一套 三 实验原理三 实验原理 1 自振 1 电测法 电测法以电阻应变仪量测为主 基本原理是 以电阻应变片 作为传感元件 将 构件的应变转换为电阻变化 通过电阻应变仪测量得到电压变化 2 电阻应变片的工作原理 电阻应变片由 敏感栅 上线 粘合剂 盖层 和 基底 构成 电 阻应变片工作时 由于金属丝受到轴向的拉力而被拉伸或压缩产生变形 其电 阻值随之变化 3 应变片的粘贴技术 试件的应变通过粘结剂将应变传递给电阻应变片丝栅 应变片的 粘贴 质量 将直接影响应变的测量结果 应变片的粘贴技术包括选片 选粘结剂 粘贴和 防水防潮处理等 4 电阻应变仪的测量电路 当电桥的四个桥臂都由 应变片 组成的测量电路称为全桥电路 工作时各 桥臂电阻状态都将变化 电阻拉伸 阻值增加 电阻压缩 阻值减小 电桥也 将有电压输出 2 动力响应 1 相似原理 流体力学中的相似理论是指导模型试验研究以及预报实体水动力性能的基 本理论 模型和实体的两个系统应满足以下三个相似条件 1 几何相似 模型和实体虽然大小不同但其 形状 完全相似 2 运动相似 模型和实体在流体中运动时 其对应点处在任意瞬间的同类物 理量如流体的速度 加速度等都有相同的 比例 3 动力 相似 流体作用于模型和实体上的各种力相互成比例 这些力包 括 重力 惯性力 粘性力和表面张力等 2 时域信号向频域信号转化的原理 时域是信号在时间轴随时间变化的总体概括 其动态信号是描述信号在不 同时刻取值的函数 频域是描述 频率 变化和 幅度 变化的关系 也就是通 常说的频谱图 傅立叶变换可以把一个基于时间变量 t 的函数展开成傅立叶级 数即分解为不同的频率分量 以便进行各种滤波算法 傅立叶变换将原来难以 处理的时域信号转化为易处理的频域信号 3 造波造流原理 本造波系统为 推板式 造波机 采用曲柄连杆机构驱动在水槽一端的推 板进行往复运动 使水池中水产生波动 曲柄连杆机构通过变频器控制电机转 速实现造波频率调节 同时通过调节 曲柄结构转动半径 实现波高调节 4 数据采集原理 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后 再 经过信号调理 采样 量化 编码 传输等步骤 最后送到控制器进行数据处 理或存储记录的过程 5 直流全桥原理 4 4321 0 KU U BD 6 应变与应力的关系 在 弹性 范围内 根据胡克定律可得 E 本实验中有机玻璃管的弹性模量 GPaPaE3103 9 本实验中选用方式六 四 实验步骤与过程四 实验步骤与过程 1 用铅笔定位应变片的粘贴位置 2 粘贴应变片 粘贴应变片之前 首先用 酒精棉球 在距离实验管一端 25 30cm 位置处清 洗表面 将应变片粘贴在清洗 风干后的实验管段表面上 压紧应变片 固定应变片 每片应变片固定时间大约 3 到 5 分钟 将应变片完全 牢固粘 贴于实验管段 3 焊接 连接测量导线 按全桥接法焊接应变片导线与数据信号线 将数据 线一端焊接到 接线端子上 另一端与 动态电阻应变仪 连接 4 将支架固定好 并将立管模型固定在支架上 5 打开信号采集仪和电阻应变仪开关 6 进入信号处理系统 并对其进行设置 根据应变采集模块的通道 选择采 集 通道 设置采集 上下限 频率 7 给立管多个冲击载荷 并记录立管应变时程曲线 8 开启造波机 调节频率大小 通过造波机造出某一波高和频率的波浪 并 记录立管应变时程曲线 9 开启造流泵 同时造流造波 并记录立管应变时程曲线 五 数据处理五 数据处理 给出算例 35 分 1 自振 由实验得到立管自振应变时程曲线如图 1 将时域信号转化为频域信号 得到立管自振频谱 如图 2 图 1 立管自振应变时程曲线 图 2 立管自振频谱 由图 2 得到立管固有自振频率为 15 625Hz 2 动力响应 实验测得的数据如下表所示 分析数据 频率和周期的有效数据只有两组不能得到较准确的规律 开始时应变值横流向大于顺流向 随着流速的增大 逐渐发生翻转 顺流 向的应变值大于横流向 六 问题六 问题 40 分 1 计算海洋结构物自振频率 自振频率理论值计算 有机玻璃管外径 D 0 015m 内径 d 0 011m 密度 1 224 103Kg m3 长 L 1 2m 由公式计算得 M 0 1Kg 22 d 4 DM 由公式 计算得 I 1 776 10 9m4 44 d 64 DI 固有频率计算公式 式中 C 为边界条件系数 两端铰支 M EI L C 2 n f 两端固支 2 73 4 C 2 2 C 所以自振频率理论值 fn 18Hz 铰支 fn 7 94Hz 固支 因实验采用铰支 故 fn 18Hz 自振频率实验值 由实验数据分析得 fn 15 625Hz 2 将自振频率实验值与理论值进行比较 并分析误差产生的原因 自振频率实验值 fn 15 625Hz 理论值 fn 18Hz 理论值大于实验值 原因 理论值是根据两端铰支的条件计算得到 而实验所用立管的固定是一端 铰支一端自由 所用理论计算公式为计算梁固有频率的近似计算公式 计算时 会产生一定误差 3 计算波浪荷载作用下的海洋结构物模型的动力响应 周期 频率 应变 以流速为 0 32m s 测得的数据为例 由所得数据图可以读出 顺流向 周期为 0 146 频率 6 836 应变最大值 256 355 最小值 162 816 平均值 195 640 均方根值 196 555 横流向 周期为 0 144 频率 6 934 应变最大值 166 021 最小值 104 526 平均值 42 94 均方根值 67 892 4 为避免涡激共振 应采取什么

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