涡激振动实验装置的设计
水流中涡激振动压电俘能器的实验装置及其使用方法_CN109799396A
(51)Int .Cl . G01R 29/22(2006 .01) H02N 2/18(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109799396 A (43)申请公布日 2019.05.24
( 54 )发明 名称 水流中 涡激振动压电 俘能 器的 实验装置及
其使用方法 ( 57 )摘要
所述的压电俘能装置包括结构一、结构二和结构三； 所述结构一包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(17) ，螺杆(24)通过螺母(25)放置在夹持 梁(17)的通孔中；在夹持梁(17)下面的螺杆(24)上放置带有通孔的上调距板(19) ，夹具体 (26)放置在螺杆(24)的最下端，夹持块(18)通过螺钉(27)将压电悬臂梁(20)夹持固定在夹 具体 (26) 中 ；压电 悬臂梁 (20) 自由 端与圆柱绕流体 (29) 相接 ，圆柱绕流体 (29) 内部嵌入受 激永磁铁(28) ；上调距板(19)和下调距板(23)中间放置两根支撑杆(21) ；激励永磁铁(30) 通过磁铁夹具(22)分别安装在两根支撑杆(21)上； 所述结构二包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(33) ，螺杆(31)通过螺母(32)放置在夹持 梁(33)的通孔中，螺杆(31)末端放置夹具体(37) ，夹持块(34)通过螺钉(36)将压电悬臂梁 (35) 夹持固定在夹具体 (37) 中 ；压电 悬臂梁 (35) 自由 端与圆柱绕流体 (43) 相接 ，圆柱绕流 体(43)内部嵌入受激永磁铁(42)；所述结构二装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(41) ， 螺杆(39)通过螺母(40)放置在夹持梁(41)的通孔中，上调距板(44)和下调距板(47)中间放 置两根支撑杆 (45) ，激励永磁铁(46)通过磁铁夹具 (38)分别安装在两根支撑杆 (45)上 ； 所述结构三包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(50) ，螺杆(48)通过螺母(49)放置在夹持 梁(50)的通孔中 ，螺杆(48)末端加工有一排调距通孔，夹具体(51)通过螺钉固定在螺杆 (48) 末端的 调距通孔中 ；夹持片 (52) 通过螺钉将压电 悬臂梁 (53) 夹持固定在夹具体 (51) 中 ，压电 悬臂梁 (53) 自由 端与圆柱绕流体 (59) 相接 ，圆柱绕流体 (59) 内部嵌入受激永磁铁 (58) ；所述结构三装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(57)，螺杆(55)通过螺母(56)放置 在夹持梁(57)的通孔中，螺杆(55)下端放置带有通孔的上调距板(63) ，上调距板(63)和下 调距板(62)中间放置两根支撑杆(60) ，激励永磁铁(61)通过磁铁夹具(54)安装在支撑杆 (60)上。 2 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述水 槽(2)整体结构采用有机玻璃加工而成； 所述蜂窝器(3)采用六角格子塑料蜂窝器； 所述阻尼网(4)采用金属丝网，层数为三层。 3 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述直 流推杆电机(12)可由遥控器控制推杆的伸缩。 4 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述泄 水挡板(11)为有机塑料加工而成。
海洋立管涡激振动实验设计
ＩＳＳＮ１００６－７１６７ＣＮ３１－１７０７／ＴＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ第３９卷第４期 Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．４２０２０年４月Ａｐｒ．２０２０ 海洋立管涡激振动实验设计娄 敏， 钱 刚（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛２６６５８０）摘 要：设计了海洋立管涡激振动实验。
首先设计单立管涡激振动实验，通过实验，学生可掌握应变片半桥设计的基本知识，波流联合水槽及数据采集仪的工作原理和使用方法，学会立管涡激振动的测试方法，并且对涡激振动的理论知识进行巩固和强化。
在此基础上拓展进行立管群涡激振动实验及涡激振动抑制实验，分析立管间距以及不同抑振装置对涡激振动的影响，增强了学生应用所学知识发现问题、分析问题和解决问题的实践创新能力，从而达到提高教学质量的目的。
关键词：海洋立管；涡激振动；创新性实验；电测法中图分类号：ＴＥ９７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６－７１６７（２０２０）０４－００５９－０４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＶｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄＶｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＭａｒｉｎｅＲｉｓｅｒＬＯＵＭｉｎ， ＱＩＡＮＧａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（ＥａｓｔＣｈｉｎａ），Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５８０，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｍａｒｉｎｅｒｉｓｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｎｅｗｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔａｌｅｎｔｔｒａｉｎｉｎｇ，ａｎｄｗｉｔｈｔｈｅｇｏａｌｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｔｕｄｅｎｔｓ＇ｐｒａｃｔｉｃａｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｖｅａｂｉｌｉｔｙ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｒｉｓｅｒｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｔｕｄｅｎｔｓｃａｎｏｂｔａｉｎｔｈｅｂａｓｉｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｈａｌｆ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｕｓａｇｅｏｆｗａｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔｆｌｕｍｅａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｈｕｓｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｒｉｓｅｒｉｓｍａｓｔｅｒｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｓ，ｔｈｅｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｒｉｓｅｒｇｒｏｕｐｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｐａｃｉｎｇａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｕｄｅｎｔｓｔｏｆｉｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎａｌｙｚｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｏｌｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｈｅｙｈａｖｅｌｅａｒｎｅｄ，ａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅｒｉｓｅｒ；ｖｏｒｔｅｘ ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ收稿日期：２０１９ ０７ ０４基金项目：国家自然科学基金项目（５１５７９２４５）；国家重点研发计划项目（２０１６ＹＦＣ０３０３８００）；中国石油大学校级教改项目（ＪＹ Ｂ２０１８８１）作者简介：娄 敏（１９８１－），女，山东曲阜人，博士，教授，主要从事海洋结构物设计制造等方面的研究。
涡激振动发电装置传动机构优化设计
涡激振动发电装置传动机构优化设计王成龙1，李佳冀2，王文婷2（1.哈尔滨工程大学，哈尔滨150001；2.中国船舶集团有限公司第703研究所，哈尔滨150036）0引言涡激振动发电装置是一种将海流的水动能转化为振子动能，然后将振子动能转化为电能的能量转换装置，图1为密歇根大学Bernitsas教授团队[1]研发的涡激振动发电装置VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)的实验模型装置及发电原理图。
其中水动能转化为振子动能的过程是依靠圆柱振子在流体中的流致振动现象来实现的。
而振子动能转换成电能，则需要先将振子的直线往复运动变成永磁发电机动子的转动，然后发电机发电并将电能储存。
本次优化设计主要针对该发电装置上几种不同的能够将线性运动转变为回转运动的机构进行对比，分析其优劣性，得出最适合该发电装置的机构。
并且针对每个发电装置都需要配备1台发动机的问台发电机，达到降低成本的目的。
1传动机构的选择将机构的直线运动转换为回转运动或由回转运动转换为直线运动，这种对运动形式的改变是工程中经常需要解决的问题。
目前解决此类问题的常用机构包括齿轮齿条、凸轮机构、滚珠丝杠及用于发动机气缸中的曲柄装置等。
齿轮齿条机构采用螺纹传动来实现其功能，运行过程中受滑动摩擦阻力影响，会使传输效率降低；凸轮顶杆装置易因其面摩擦作用而损坏，且产生的直线运动行程短，所以也不适用于VIVACE；由文献[2]知，滚珠丝杠也可以将直线运动转化为回转运动，因其拥有较高的精度、效率及较小摩擦阻力的优点，所以滚珠丝杠在机械工程领域被广泛使用。
但滚珠丝杠传动装置需要有带螺纹的长螺杆来实现，会使整体结构变复杂，且滚珠丝杠和其它滚动摩擦的传动元件需要较高的润滑要求和环境条件，因此也不适合在情况复杂的海流中使用；曲轴是发动机中的主要运动机构，发动机中的连杆对曲轴施加往复力，由曲轴将该往复力转换为转矩从而实现发动机转动，运转过程中，曲轴承受弯曲扭转载荷且其拥有足够的强度和刚度[3]。
涡激振动抑制装置聚氨酯弹性体的研制
１ 。与螺旋列板相 比， ） 导流板 的制作和施工 成本较 高， 当雷诺数 （ ） 且 ｅ 超过一定值 时， 流板 摆动不 导
基金项 目： 国家 ８ ３课题“ ６ 深水立 管工 程设 计关键技术研究 ’ ２０ Ａ ０ Ａ ０ ） ’ ０ ８ Ａ ９ ｌ ５ 资助 （ Nhomakorabea。
・
２ ・ ８
聚氨 酯 工 业
法制得 适 用 于深海 立管 涡激振 动抑 制 装置 上 的聚氨 酯 弹性 体 ， 讨论 了聚 醚 多元 醇种 类 、 Ｃ Ｎ Ｏ含 量 、
扩链 系数 、 化 工 艺等对 聚氨 酯 弹性 体 性能 的 影 响 。结 果表 明 ， 聚体 Ｎ Ｏ质 量 分 数 为 １％ ， 硫 预 Ｃ ０ 扩 链 系数 为 ０ ９ ， ．５ 硫化 工 艺为 １０℃ 、 ０ 时间为 ８～１ ， 得 的 聚氨 酯 弹 性体 性 能 可 满足 深 海 立管 涡 ２ｈ 制
动 （ ｏｔｘＩｄ ｃｄＶｂａｉ ， 称 ＶＶ） Ｖ ｒ ｎｕｅ ｉｒｔｎ 简 ｅ ｏ Ｉ 。立 管 是 连 接 海 面与 海底 设备 的导 管 ， 海 洋 油 气 勘 探 开 发 必 是 不 可少 的关 键 设 备 。对 于深 海 立 管 来讲 ， 由于水 流
（） ａ 螺旋列板 （） ｂ 导流板
稳， 立管振 动很 厉 害 ， 以在 油气 开 采 中螺旋 列 板更 所 适 合用于立 管 的涡激 振 动抑 制 。聚 氨酯 弹性 体 因具
有优异的耐磨性 、 弹性 、 韧性和工艺性能， 适合 “ ” ｓ 型 或 “” Ｊ 型铺设 ， 作螺旋列板 的理 想材料 。 是制 卜
振频率接近时， 就会 发生强烈振动 ， 称之为涡激振
ＭＤ一０ Ｌ Ｉ ０ Ｌ合成 预 聚体 ， 适 合 浇 注 形 状 比较 复 杂 １ 最 的螺旋 列板 。
深水立管涡激振动抑制装置的研制
果表明： ①对 于相 同的螺 高 和螺 距 ， 头 和 ４螺 头 ３螺
的螺旋 列板 其抑 制 效率 基 本 没 有 太 大 变 化 ， 虑 到 考 ４螺 头 较 ３螺 头 列板 的 曳力 系数 更 高 ， 给 立 管 带 会 来 强度损 坏 ， 一般 会 选 用 ３螺 头 的列 板 。② 固定 螺
第２ ４卷
第 ３期
矫 滨 田等 ： 水 立 管 涡 激 振 动 抑 制 装 置 的研 制 深
７ １
功应用 于 Ｓ ｒ ｎ 、 ｒｇ ｎ ｅｒ ｏ Ｏ ｅａ ｏ和 Ｂ ｕｕ ａ ｒ ｔｓ等多 个 平 台Ｅ ； ４ ］ 流线 型导流板 是 Ｓ ｅ ｌｂ ｌ ｏｕｉ ｓ的专 利 产 品 ， ｈｌ Ｇ ｏ ａ Ｓ ｌｔ ｎ ｌ ｏ 这种装 置可通过 自由摆动来适 应周 围 的流动 ， 善管 改 子附近 的水 流状态 ， 而有效地 弱化 导致振 动 引发 的 从
表 １ 螺 头 数 为 ３时螺 旋 列 板 主 要 结 构 参 数 设 计
螺距 （ ／ Ｐ Ｄ） 螺 高 （ Ｄ） Ｈ／
Ｏ １ ． ０ Ｏ １ ． ５ ０ ２ ． Ｏ １ ． ７ ５ ０ １ ． ５
螺旋 列板 与导 流板 ２种装 置对 各种 方 向水流 引
起 的涡激 振动 均 能进 行 有 效 地 抑 制 ， 应 振 幅 可 降 响
图 ３ 螺 旋 列 板 截 面 形 状 设 计
形状 为梯 形 ， 列板 顶 部 宽度 Ｔ 设 定 为 ０ ０ 列 板 ． ４ Ｄ，
根部 宽度 Ｔ １设定 为 ０ １ ． ３Ｄ。
圆壳 厚 ： 壳 厚 度 Ｔｓ的设 计 主 要 是 考 虑 满 圆
足螺 旋列 板整 体强 度要 求 ， 定 为 ０ ０ ５Ｄ。 选 ． ３
定常流中涡激振动的实验装置及其使用方法[发明专利]
![定常流中涡激振动的实验装置及其使用方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b08f140e856a561253d36f95.png)
专利名称：定常流中涡激振动的实验装置及其使用方法专利类型：发明专利
发明人：王坤鹏,迟庆海,郭建廷,施奇,杨大明,谢仪
申请号：CN201810768152.4
申请日：20180713
公开号：CN108597344A
公开日：
20180928
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种定常流中的涡激振动实验装置及其使用方法，实验装置包括连接架装置，弹性支撑装置和圆柱体调节装置；连接架装置设有相互对称并各由两个杆组成的第一垂直杆组和第二垂直杆组，两连接杆组连接弹性支撑装置和圆柱体调节装置；圆柱体调节装置由圆柱体和竖直连接杆组成；弹性支撑装置设若干双向滑轨，双向滑轨连接于第一垂直杆组两杆之间和第二垂直杆组两杆之间，双向滑轨上设有双向滑块，圆柱体的两端通过竖直连接杆与其两侧的双向滑块相连接，所述竖直连接杆上固定有传感器。
本发明实验装置能够在定常流场中测得多个双自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动实验数据，对多圆柱体的涡激振动机理及其应用起到指导作用。
申请人：江苏科技大学
地址：212008 江苏省镇江市京口区梦溪路2号
国籍：CN
代理机构：南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：柏尚春
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实验目标
（1）垂直方向的强迫振荡并记录刚性管件模型三个方 向受力的时历 （2）水平方向的强迫振荡并记录刚性管件模型三个方 向受力的时历 （3）垂直方向和水平方向同时强迫振荡并记录刚性管 件的模型三个方向受力的时历 我们的目标是为该实验提供能在水平和垂直方向上变速运 行的装置，能在较短的时间内实现加速和减速的功能，垂 直和水平方向既能分别独立运动，又能同时协调运动，从 而带动实验对象以简谐振荡的模式运动
涡激振动实验装置的 设计
涡激振动概述
从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的 恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面 的旋涡。对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物， 这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周 期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者 柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体 (管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又 会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作 用的问题被称作“涡激振动”。
涡激振动概述
在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一 个统一的动力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解 决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中，流体的动压力 是一种作用于弹性系统的外加载荷，动压力的大小取决于弹 性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面， 流体动压 力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这 种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻 尼和弹性诸方面的耦合现象。
涡激振动概述
由惯性耦合产生附连质量，在有流速场存在的条件下，由 阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合产生附连刚度。流体的附 连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量（诸如流速、 水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特性，其关系式相 当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是水弹性问题 研究中的重要课题。源自研究方法 1.实验法。
本装置使用平面运动机构，同时在水平和垂直方向通过滑块的运动来 模拟流场对于研究对象的涡激振动现象。 拖曳水池中的刚性管件模型的多角度双向强迫振荡模型试验装置
2.数值法。
3.半经验公式。
垂直平面运动机构(VPMM)
（1步进电机2齿轮箱3偏心机构4光电控制5轴承6拖车安装架7导流罩8振荡杆9力 传感器10螺旋桨电机）