海洋立管涡激振动及疲劳分析

摘要

由于国际上海洋石油工业向深水推进，以立管为代表的海洋结构物的涡激振动问题重新受到人们的关注。海洋立管作为平台和海底进口之间的主要构件，同时也时比较容易损坏的构件。一定速度的海流和波浪流经立管时，会在其两侧形成交替脱落的旋涡，旋涡的脱落将对立管产生一个周期性的交变力，使得管道产生涡激振动，管道的振动反过来又对流场产生影响，使得旋涡增强。当旋涡脱落频率和立管自振频率接近时，旋涡的泄放将被结构的振动所控制，发生“锁频”现象，从而立管振动加剧，造成疲劳破坏。论文分析了一系列与圆柱体及海洋立管涡激振动有关的重要物理参数，利用数值模拟工具以及理论模型，合理地模拟了与圆柱体涡激振动相关的物理现象。
　　 论文的主要内容可以归纳为以下几个方面：
　　 1、利用CFD软件中动网格技术进行了数值试验，再现了受迫振动试验中圆柱绕流中旋涡脱落等物理现象，得到了工程中感兴趣的参数，如升力系数、曳力系数等，结果与试验值做比较，验证了CFD模型的正确性。建立了Ansys和CFX双向耦合模型，此模型能很好扩展成全三维或切片2.5维模型。
　　 2、提出了一种对升力系数向升力曲线转化的方法。采用Newmark时程分析法通过matlab编程对尾流振子模型中的方程进行求解，并按照Shear7软件中升力模型系数的定义做了计算，结果表明，尾流振子模型做为VIV经典经验模型，可以在给定一定经验值的条件下对Shear7或VIVANA等专业软件中默认的升力模型曲线做出修改。
　　 3、基于SHEAR7软件的立管疲劳分析。本文选悬链线立管为实例，在计算之前其转化为等效的直管，并将海流，管内拉力等作相应转换。并根据软件的输出数据，得到了立管的均方根位移、应力、疲劳损伤率等曲线，从而分析立管各部位受涡激振动影响的程度。最后根据DNV规范提供的S-N曲线公式可以对立管的疲劳寿命作简化计算。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景、目的及其意义

1.2涡激振动的基本概念和振动预报模型

1.3国内外研究现状

1.3.1 CFD模型

1.3.2经验模型

1.3.3 VIV的实验研究

1.4本文主要内容

第2章圆柱体涡激振动的基本概念和研究方法

2.1漩涡泄放与涡激振动

2.2涡激振动的基本参数

2.2.1 Reynolds数

2.2.2 Strouhal数

2.2.3耦合运动的其它一些重要参数

2.3防止和抑制涡激振动的方法

2.4圆柱涡激振动的两类实验

2.4.1自激振动实验

2.4.2受迫振动实验

2.5本章小结

第3章 CFD方法的VIV升力系数曲线

3.1 CFD数值方法概述

3.1.1 CFD的求解过程

3.1.2湍流数值模拟方法简介

3.1.3湍流模型

3.1.4 RANS方法运动方程及k-ω/SST湍流模型建立

3.2圆柱体受迫振荡的数值模拟

3.2.1计算模型建立

3.3圆柱自激振动(FSI)

3.3.1计算模型建立及结果

3.4本章小结

第4章尾流振子模型的VIV升力系数曲线

4.1激励耦合的尾流振子模型

4.1.1结构方程

4.1.2振子方程

4.1.3尾流振子模型

4.1.4模型参数的选取

4.2 Shear7的升力曲线模型

4.3尾流振子模型具体实例中的应用

4.4本章小结

第5章钢制悬链线立管在剪流下的VIV疲劳分析

5.1立管在剪流作用下的响应

5.1.1立管计算数据

5.1.2立管悬链线坐标计算

5.1.3基于ABAQUS软件的立管频率与响应分析

5.2基于Shear7软件的立管VIV疲劳分析

5.2.1 Shear7的分析流程与原理

5.2.2 SCR的VIV疲劳分析

5.3立管疲劳寿命估算

5.3.1疲劳计算准则

5.3.2相关参数的确定

5.3.3立管疲劳寿命的简化计算

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢