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1、海洋平台实验-中国石油大学中国石油大学海洋平台实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名：教师：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（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动态电阻应变仪一台、采
2、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，丄线 ，粘合剂，逼层 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，应变片的鈕贴 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
3、应变仪的测量电路当电桥的四个桥臂都由血变片 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昼状 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
4、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
5、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AU=止一）BD 4 1 2 3 46）应变与应力的关系在送性范围内，根据胡克定律可得：。二E七本实验中有机玻璃管的弹性模量E二3 x 109Pa二3GPa。本实验中选用方式六四、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
6、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:设置釆集上下限、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（给出算例）（35分）1. 自振由实验得到立管自振应变时程曲
7、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。爲IO记彙仪gat ，逼.号eF FT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：流速频率周期最大应变最小应变平均值均方桓值0.22顺流48.8229. 90837. 05137.222横流73.09255, 69665. 06 165. 1030.25顺流58.13834. 79142. 35542. 595横流77. 05960, 12169. 43869. 480.28顺流197.15152. 135164. 677161 854横流74.46539, 21
8、652, 98953. 1470* 3顺流横流6. 4450. 1551B4. 027-85. 75747.8165, 680.32顺流5. 0360+146266. 355152. 316195. 04196. 555横流6.9340,144166. 021-104, 52642.9467. 8920.35顺流5+8820. 17281. 075184. 79220. 22221. 612横流6.1540. 1625132. 145-126. 4140, 42260.032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，
9、顺流 向的应变值大于横流向。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P =1224*103Kg/m3,长L=1.2m。 由公式M二晋）2 一 d22计算得M=01Kg4 一 dJ 计算得 I=1.776*10-9m44. 7322兀C .EI固有频率计算公式fnC，式中c为边界条件系数（两端铰支c =L2 M所以自振频率理论值fn=18Hz（铰支）fn=7 94Hz（固支）因实验釆用铰支，故fn=18Hz自振频率实验值：由实验数据分析得 fn=15625Hz（2）将自振频率实验值与理论值进行比较,并分析误差
10、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032m/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256355,最小值162816,平均值195640,均方根值196555 横流向,周期为0144,频率6934应变最大值166021,最小值-104526,平均值4294,均方根值67892ES3Um対ri时aril（4）为避免涡激共振，应采取什么措施？ 应尽量使波浪频率远离立管的自振频率，以避免发生共振。 七、总结（5分）通过本次实验，我掌握了应变片的粘贴技术，以及动态电阻应变仪、采集 系统及信号处理系统的使用，同时还了解了相似理论和时域信号向频域信号转 化的原理，知道了海洋结构物的自振和动力响应，最后感谢学长的悉心指导。
