海洋結構物動力實驗設計與實踐

婁 敏，張耘晗

海洋結構物動力實驗設計與實踐

婁 敏，張耘晗

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

依據新工科人才培養要求，圍繞提高學生實踐能力和創新能力目標，設計了海洋結構物動力綜合創新性實驗。該實驗不僅可對課堂理論知識進行強化和鞏固，還提高了學生的實踐能力，使學生掌握了電測法測試技能及信號處理技能。通過實驗拓展，開發了一系列創新性實驗，激發了學生的學習積極性，提升了學生的創新能力。

海洋結構物；自振頻率；動力響應；電測法

自2017年2月以來，教育部積極推進“新工科”建設，先后出臺了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等，提出了培養具有全球視野、實踐精神和創新能力的高水平復合型人才教育目標[1-2]，同時要求高校實驗教學應注重培養學生的社會責任感、法制意識和創新實踐能力[3-6]。

“海洋平臺工程”是新工科船舶與海洋工程專業培養方案中的專業必修課，其目的是通過教學，使學生系統掌握海洋平臺的結構形式和基本設計方法，不斷提高學生的創新精神和實踐能力。海洋結構物動力性能是該課程教學的一個重點內容，是平臺設計的必要關鍵環節，該內容還是該課程的難點，通過理論推導出的一系列公式抽象、不易理解。為了讓學生獲取直觀清晰的學習認知，激發學生對海洋平臺工程的學習興趣，同時圍繞對船舶與海洋工程專業學生創新實踐能力的培養目標，本文設計了海洋結構物動力綜合創新性實驗[7-11]。

1 實驗原理

海洋結構物處于海洋環境中，受到彈性恢復力、阻尼力、慣性力及外加荷載的作用，其結構動力方程式為[12]：

1.1 自振頻率

自振頻率是指在自由振動時海洋結構物的頻率，與外荷載無關，其振動方程為：

通過對方程（2）的求解，即可獲得海洋結構物的自振頻率。

1.2 波流荷載作用下動力響應

當海洋結構物處于波流環境中，其外荷載為波流荷載，對于小尺度構件，可采用莫里森方程計算，其單位長度的波流荷載為：

其中：C為阻力系數，為海水密度，為質點速度，為立管直徑，C為慣性力系數，為水質點加速度，為立管單位長度截面積。

聯立公式（2）和（3）求解，即可獲得海洋結構物波流荷載下動力響應。

2 實驗設計

海洋結構物動力實驗教學內容來自于教師的科研成果，通過教師精心設計轉化為適合課堂教學的學生實驗項目。

2.1 實驗目的

（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）掌握海洋結構物自由振動的基本原理，學會自由振動的激勵和測試方法；

（3）熟悉造流造波系統的工作原理，掌握波流荷載下海洋結構物動力響應規律和測試方法；

（4）熟悉時域信號向頻域信號的轉化原理，掌握自由振動頻率和波流荷載下海洋結構物振動頻率的處理方法。

2.2 實驗裝置與儀器

海洋結構物可以是復雜的海洋石油平臺，也可以是相對簡單的海洋立管，其基本原理一致。在該實驗設計中，為了教學的直觀性，選取海洋立管作為實驗模型，立管模型如圖1所示。立管長1200 mm，其中水下部分為700 mm，應變片粘貼于水上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力響應，將該立管模型放置于波流水槽中，根據水槽寬度和立管模型長度設計一個用于固定立管的鋁合金支架，如圖2所示。

本實驗通過測量立管模型的應變來研究立管的動力響應，用動態電阻應變儀、數據采集儀和數據處理軟件來進行信號采集和處理。應變片與動態電阻應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，動態電阻應變儀與數據采集儀器及數據采集儀器與裝有數據處理軟件的電腦之間分別通過數據線連接，立管響應信號及其變化可直接顯示在計算機屏幕上。

圖1 立管示意圖

圖2 水槽中的立管布置圖

2.3 實驗過程

（1）應變片粘貼與導線焊接。本實驗在立管Position 1#處（見圖1）沿周向布置4個應變片，其中與水流平行的2個應變片即1#和3#應變片組成一個半橋，測量立管順流向振動；與水流垂直的2個應變片即2#和4#應變片組成一個半橋，測量立管橫向振動，應變片布置如圖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，振動時域曲線如圖4(a)所示。采用傅里葉變化方法將時域信號轉換為頻域信號，如圖4(b)所示，圖4(b)曲線峰值對應的頻率即為立管自振頻率，該頻域只與立管剛度和質量有關，與外荷載無關。

圖3 立管應變片布置

圖4 立管自由振動測試

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

3 拓展創新性實驗

在該實驗基礎上，通過文獻閱讀，追蹤最新的科研動態，拓展出如下系列創新性實驗。

3.1 渦激振動實驗

當流體流經立管時，除了產生與水流方向一致的順流向運動外，還發生旋渦脫落，導致立管在與海流垂直的方向發生橫向渦激振動，渦激振動可能在一定程度上引起立管的疲勞破壞。在海洋結構物動力實驗基礎上，學生對立管橫向振動即應變片2#和4#（見圖3）的信號進行采集，可獲得立管渦激振動響應。

3.2 尾流干涉下立管動力響應實驗

在實際工程中，為節省平臺空間，往往將立管緊湊布置，因此有多根立管組成立管群。此時立管動力響應會受到上游及左右立管的尾流干涉作用，其運動與單根立管截然不同，是目前國際研究的前沿方向。在海洋結構物動力實驗基礎上，學生開發了立管群的動力響應實驗，研究了尾流干涉對立管動力響應的影響規律。

3.3 尾流干涉作用下立管渦激振動抑制實驗

當旋渦脫落頻率與立管自振頻率一致時，將發生渦激共振，這會導致立管振動幅值的急劇增加。在工程中可以采用抑振裝置來抑制渦激振動，目前國內外對渦激振動抑制的研究方案主要針對單個立管，而考慮尾流干涉作用下多個立管之間渦激振動的抑制研究較少。在海洋結構物動力實驗基礎上，學生對立管群的渦激振動抑制裝置進行了實驗研究，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抑制效果。

4 結語

通過海洋結構物動力實驗，學生掌握了電測法測試技能和時頻信號轉換原理，對課堂教學中海洋結構物自振頻率和波流荷載下動力響應有了直觀且深刻的體驗，激發了學生的學習興趣，提高了學生的實踐能力。

在該實驗基礎上，通過文獻閱讀，追蹤最新科研動態，拓展出一系列創新性實驗，發表10余篇學術論文，其中SCI、EI論文5篇，獲授權立管渦激振動抑制裝置國家發明專利3項，較好地提升了學生的創新能力。

[1] 胡波，馮輝，韓偉力，等. 加快新工科建設，推進工程教育改革創新: “綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述[J]. 復旦教育論壇，2017, 15(2): 20–27.

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[3] 夏有為. 為振興中華創建“雙一流”: 訪南開大學校長龔克教授[J]. 實驗室研究與探索，2017, 36(2): 1–4.

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[5] 張清祥. 探索實驗教學載體，培養學生實踐創新能力[J]. 實驗技術與管理，2012, 29(2): 130–133.

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[11] 王海娟. 以創新能力培養為核心研究初中生物工程實驗設計[D]. 上海: 上海交通大學，2012.

[12] 趙鑫媛. 脈動內流影響下的立管渦激振動非線性動力響應研究[D]. 北京: 中國石油大學，2016.

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

國家自然科學基金項目（51579245）；國家重點研發計劃項目（2016YFC0303800）；中國石油大學（華東）教學改革項目（JY-B201881）

婁敏（1981—），女，山東曲阜，博士，教授，博士生導師，研究方向為海洋結構物設計制造。

E-mail: shidaloumin@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.039