波流耦合作用下的立管涡激振动分析

摘要

随着海洋石油工程不断向深水海域拓展，深水平台立管的安全问题日益突出。在一定的特征波浪作用下，具有较低阶固有频率的深水立管极易发生涡激振动，进而导致疲劳破坏。 本文以深海立管的涡激振动为研究对象，重点研究影响立管固有频率变化的各种因素，对立管顶张力、长度、外径、壁厚和内流密度的影响做了较为深入的分析并提出了避免发生锁频共振的方法。另外，通过给定的深水立管第二边界条件模拟立管上端的漂移运动，得到了更为合理的结构动位移和动弯矩，有利于进一步深入研究深水立管的动力学特性。通过对第二边界条件下深水立管的动力学分析发现：当立管振动达到一定程度且V<,r>数超过某一数值后，立管涡激振动频率和尾迹涡脱落频率的变化偏离了Strouhal规律，但频率的变化始终一致；轴向的振动幅值远小于横向振动的幅值，数值计算中可以忽略其影响；虽然横向振动的幅值比纵向振动的幅值大，但是横向振动频率却比纵向振动的频率小；随着流速的升高，立管的振动幅值经历了一个先增大后减小的过程。 本文利用ABAQUS对立管进行数值模拟计算其动力响应，应用Morison方程求出波流耦合载荷，将水动力载荷由流场传递到立管进行动力分析，在振动分析中，每一步的计算结果作为下一步的初始条件进行迭代分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1课题的理论意义和应用价值

1.1.1课题背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究概况及发展趋势

1.3涡激振动综述

1.3.1实验方法

1.3.2解析方法

1.3.3半经验公式

1.3.4有限元法

1.4本文工作

参考文献

2立管的概念及涡激振动理论

2.1立管系统的基本概念

2.1.1概念

2.1.2立管分析常用软件

2.1.3现行立管设计标准和规范

2.2涡激振动的基本理论

2.2.1涡激振动概述

2.2.2涡激振动的机理

2.3海洋立管的涡激振动

2.3.1引发因素及相关因素

2.3.2深水立管的涡激振动特点

2.3.3海洋立管上的波流耦合作用力的计算

参考文献

3海洋立管动响应分析方法

3.1概述

3.2涡激振动微分方程及求解

3.2.1振动微分方程的建立

3.2.2振动微分方程的求解

3.3立管的动力特性分析

3.3.1算例1

3.3.2算例2

3.4小结

参考文献

4涡激振动的求解及分析

4.1概述

4.2环境载荷及其数学模型

4.2.1 Morison方程

4.2.2海流

4.2.3海流载荷

4.2.4波浪理论

4.2.5波浪载荷

4.3第二边界条件的基本方程

4.4第二边界条件的计算和分析

4.5涡激振动算例分析

4.6计算结论分析

4.7小结

参考文献

结论与展望

1.结论

2.展望

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢