海洋结构物动力实验设计与实践

娄 敏，张耘晗

海洋结构物动力实验设计与实践

娄 敏，张耘晗

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

依据新工科人才培养要求，围绕提高学生实践能力和创新能力目标，设计了海洋结构物动力综合创新性实验。该实验不仅可对课堂理论知识进行强化和巩固，还提高了学生的实践能力，使学生掌握了电测法测试技能及信号处理技能。通过实验拓展，开发了一系列创新性实验，激发了学生的学习积极性，提升了学生的创新能力。

海洋结构物；自振频率；动力响应；电测法

自2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，先后出台了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等，提出了培养具有全球视野、实践精神和创新能力的高水平复合型人才教育目标[1-2]，同时要求高校实验教学应注重培养学生的社会责任感、法制意识和创新实践能力[3-6]。

“海洋平台工程”是新工科船舶与海洋工程专业培养方案中的专业必修课，其目的是通过教学，使学生系统掌握海洋平台的结构形式和基本设计方法，不断提高学生的创新精神和实践能力。海洋结构物动力性能是该课程教学的一个重点内容，是平台设计的必要关键环节，该内容还是该课程的难点，通过理论推导出的一系列公式抽象、不易理解。为了让学生获取直观清晰的学习认知，激发学生对海洋平台工程的学习兴趣，同时围绕对船舶与海洋工程专业学生创新实践能力的培养目标，本文设计了海洋结构物动力综合创新性实验[7-11]。

1 实验原理

海洋结构物处于海洋环境中，受到弹性恢复力、阻尼力、惯性力及外加荷载的作用，其结构动力方程式为[12]：

1.1 自振频率

自振频率是指在自由振动时海洋结构物的频率，与外荷载无关，其振动方程为：

通过对方程（2）的求解，即可获得海洋结构物的自振频率。

1.2 波流荷载作用下动力响应

当海洋结构物处于波流环境中，其外荷载为波流荷载，对于小尺度构件，可采用莫里森方程计算，其单位长度的波流荷载为：

其中：C为阻力系数，为海水密度，为质点速度，为立管直径，C为惯性力系数，为水质点加速度，为立管单位长度截面积。

联立公式（2）和（3）求解，即可获得海洋结构物波流荷载下动力响应。

2 实验设计

海洋结构物动力实验教学内容来自于教师的科研成果，通过教师精心设计转化为适合课堂教学的学生实验项目。

2.1 实验目的

（1）熟悉电测法和桥路知识的基本原理，掌握电测法测量方法；

（2）掌握海洋结构物自由振动的基本原理，学会自由振动的激励和测试方法；

（3）熟悉造流造波系统的工作原理，掌握波流荷载下海洋结构物动力响应规律和测试方法；

（4）熟悉时域信号向频域信号的转化原理，掌握自由振动频率和波流荷载下海洋结构物振动频率的处理方法。

2.2 实验装置与仪器

海洋结构物可以是复杂的海洋石油平台，也可以是相对简单的海洋立管，其基本原理一致。在该实验设计中，为了教学的直观性，选取海洋立管作为实验模型，立管模型如图1所示。立管长1200 mm，其中水下部分为700 mm，应变片粘贴于水上100 mm处，即图1中Position 1#。由于需要测量立管在波流作用下的动力响应，将该立管模型放置于波流水槽中，根据水槽宽度和立管模型长度设计一个用于固定立管的铝合金支架，如图2所示。

本实验通过测量立管模型的应变来研究立管的动力响应，用动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理软件来进行信号采集和处理。应变片与动态电阻应变仪通过屏蔽线相互连接，以防止外部信号干扰测试信号。为了便于观测，动态电阻应变仪与数据采集仪器及数据采集仪器与装有数据处理软件的电脑之间分别通过数据线连接，立管响应信号及其变化可直接显示在计算机屏幕上。

图1 立管示意图

图2 水槽中的立管布置图

2.3 实验过程

（1）应变片粘贴与导线焊接。本实验在立管Position 1#处（见图1）沿周向布置4个应变片，其中与水流平行的2个应变片即1#和3#应变片组成一个半桥，测量立管顺流向振动；与水流垂直的2个应变片即2#和4#应变片组成一个半桥，测量立管横向振动，应变片布置如图3所示。

（2）自振频率测试。给立管一冲击荷载，然后测量立管在初始冲击下的自由振动，振动时域曲线如图4(a)所示。采用傅里叶变化方法将时域信号转换为频域信号，如图4(b)所示，图4(b)曲线峰值对应的频率即为立管自振频率，该频域只与立管刚度和质量有关，与外荷载无关。

图3 立管应变片布置

图4 立管自由振动测试

（3）波流荷载下立管动力响应。波流荷载下立管动力响应分为多种工况。一是仅有流作用。通过造流系统分别设置高、中、低3种流速，测量立管动力响应，分析流速对立管动力响应的影响规律。二是仅有波浪作用。波浪参数是由波高和波周期来确定的，通过造波机可分别设置具有不同波高和波周期的波浪。具体操作如下：首先设置相同的波浪周期，然后利用3个不同的波浪高度来测量立管动力响应，分析波浪高度对立管动力响应的影响规律；然后设置相同的波高，对应3个不同的波浪周期，分析波浪周期对立管动力响应的影响规律；三是波和流共同作用，同时开启造流造波系统，进行波流联合作用下立管动力响应测试，与仅有流、仅有波作用下的情况进行对比分析。

3 拓展创新性实验

在该实验基础上，通过文献阅读，追踪最新的科研动态，拓展出如下系列创新性实验。

3.1 涡激振动实验

当流体流经立管时，除了产生与水流方向一致的顺流向运动外，还发生旋涡脱落，导致立管在与海流垂直的方向发生横向涡激振动，涡激振动可能在一定程度上引起立管的疲劳破坏。在海洋结构物动力实验基础上，学生对立管横向振动即应变片2#和4#（见图3）的信号进行采集，可获得立管涡激振动响应。

3.2 尾流干涉下立管动力响应实验

在实际工程中，为节省平台空间，往往将立管紧凑布置，因此有多根立管组成立管群。此时立管动力响应会受到上游及左右立管的尾流干涉作用，其运动与单根立管截然不同，是目前国际研究的前沿方向。在海洋结构物动力实验基础上，学生开发了立管群的动力响应实验，研究了尾流干涉对立管动力响应的影响规律。

3.3 尾流干涉作用下立管涡激振动抑制实验

当旋涡脱落频率与立管自振频率一致时，将发生涡激共振，这会导致立管振动幅值的急剧增加。在工程中可以采用抑振装置来抑制涡激振动，目前国内外对涡激振动抑制的研究方案主要针对单个立管，而考虑尾流干涉作用下多个立管之间涡激振动的抑制研究较少。在海洋结构物动力实验基础上，学生对立管群的涡激振动抑制装置进行了实验研究，分析了诸如隔板、控制杆、减震器等多种抑制装置的涡激振动抑制效果。

4 结语

通过海洋结构物动力实验，学生掌握了电测法测试技能和时频信号转换原理，对课堂教学中海洋结构物自振频率和波流荷载下动力响应有了直观且深刻的体验，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的实践能力。

在该实验基础上，通过文献阅读，追踪最新科研动态，拓展出一系列创新性实验，发表10余篇学术论文，其中SCI、EI论文5篇，获授权立管涡激振动抑制装置国家发明专利3项，较好地提升了学生的创新能力。

[1] 胡波，冯辉，韩伟力，等. 加快新工科建设，推进工程教育改革创新: “综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J]. 复旦教育论坛，2017, 15(2): 20–27.

[2] 钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究，2017(3): 1–6.

[3] 夏有为. 为振兴中华创建“双一流”: 访南开大学校长龚克教授[J]. 实验室研究与探索，2017, 36(2): 1–4.

[4] 贾永霞. 创新性实验教学的探究与实践[J]. 实验室研究与探索，2018, 37(12): 206–208.

[5] 张清祥. 探索实验教学载体，培养学生实践创新能力[J]. 实验技术与管理，2012, 29(2): 130–133.

[6] 靳明，王献玲，韦丽红，等. 基于本科生科研创新能力的探究型实验设计与实践[J]. 实验技术与管理，2019, 36(1): 213–216.

[7] 陈建民，娄敏，王天霖. 海洋石油平台设计[M]. 北京: 石油工业出版社，2015.

[8] 屈敏佳，解宝. 工科院校学生科技创新能力培养现状及对策[J]. 现代交际，2014(2): 241–242.

[9] 周卫鸣. 海洋平台升降试验风险分析和安全措施[J]. 科技创新导报，2013(3): 127.

[10] 李效民. 顶张力立管动力响应数值模拟及其疲劳寿命预测[D]. 青岛: 中国海洋大学，2010.

[11] 王海娟. 以创新能力培养为核心研究初中生物工程实验设计[D]. 上海: 上海交通大学，2012.

[12] 赵鑫媛. 脉动内流影响下的立管涡激振动非线性动力响应研究[D]. 北京: 中国石油大学，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

国家自然科学基金项目（51579245）；国家重点研发计划项目（2016YFC0303800）；中国石油大学（华东）教学改革项目（JY-B201881）

娄敏（1981—），女，山东曲阜，博士，教授，博士生导师，研究方向为海洋结构物设计制造。

E-mail: shidaloumin@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.039