考虑顺流向振动的深水顶张力立管涡激振动分析

摘要

涡激振动是造成深水立管疲劳损伤的一个重要因素,关于涡激振动的研究逐步完善。但是,前期涡激振动的研究主要针对立管横向振动,结构在顺流向的振动往往被限制,很少有研究对立管的两向自由度振动进行研究,这主要是因为前期的研究认为顺流向振动的幅值相对较小,可以不考虑。
　　 但是近期发现顺流向振动影响到漩涡的脱落模式以及横向振动的响应幅值。但是迄今为止,国内外研究者并没有对两向涡激振动进行系统研究。
　　 本文的研究目的就是通过数值方法研究顶张力立管两向涡激振动动力特性及疲劳损伤,并开发用于顶张力立管动力分析及疲劳分析的软件。
　　 研究内容主要包括:提出了考虑横向流固耦合的横向升力及顺流向脉动拖曳力的修正模型,考虑了附加质量和附加阻尼的影响;并对其模型进行了验证;研究质量比m*和频率比(f*=顺流向振动频率/横向振动频率)对立管动力特性及疲劳损伤的影响;通过MATLAB编程开发立管动力分析及疲劳分析系统,提出非等效管模型。
　　 研究认为:当质量比m*＞6.0时,顺流向振动相对于横向振动来说可以忽略不计,并且顺流向振动频率与横向振动频率之间维持2倍的关系,结果同现有的实验结果符合;当质量比m*＜6.0时,顺流向振动幅值明显增大,尤其是顺流向振动处于锁频状态时。并且,两者频率成分中不仅具有2倍的关系,同时还存在着部分相同频率。频率比不同时,在较宽的低约化速度带顺流向对横向振动起到一定的抑制作用;在6.3＜Ur＜8.0时,顺流向振动的考虑使得横向振动幅值具有一个小的增幅。但是,不同频率比时,横向振动的考虑都使得顺流向振动幅值具有较大的增幅。低质量比时,当横向振动响应幅值处于“初始支”时,顺流向振动产生的疲劳等同于横向振动的疲劳,不可忽略;在“超上支”时,顺流向振动疲劳在较宽的约化速度范围对立管的疲劳损伤并不起主要的作用。但是,两向自由度时横向振动产生的疲劳相对于单自由度时的横向疲劳在6.5≤Ur≤8.5时增加一倍,可见考虑顺流向振动时,立管的疲劳损伤增幅较大。在“下支”时,顺流向振动对横向振动疲劳的影响不明显。当频率比为1.0时,顺流向振动在5.0≤Ur≤8.0时影响横向振动疲劳。在频率比为2.0时,顺流向振动对横向振动疲劳影响不是很明显,略有增大;在两种频率情况下,横向振动的考虑都将增大顺流向振动疲劳。开发的立管动力分析及疲劳分析系统可以有效地预测立管的动力特性和疲劳损伤。由非等效管模型计算得到的外套管和内套管的强度更加符合工程实际。
　　 顶张力立管的两向涡激振动是国内外都比较新的研究课题,本文的研究得到了一些结论,可以用于工程实际。但是还有许多特性与现象需要更多的研究。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景及课题意义

1.1.1 海洋能源开发

1.1.2 立管装置

1.2 国内外研究现状

1.2.1 两向自由度的涡激振动

1.2.2 涡激振动计算模型

1.2.3 涡激振动分析软件

1.3 主要研究工作及创新点

2 涡激振动机理及模型

2.1 概述

2.2 涡激振动形成机理

2.3 涡激振动现象相关参数

2.4 尾流振子模型

2.5 涡激力模型修正

2.5.1 试验描述

2.5.2 试验结果

2.5.3 考虑流固耦合的涡激力模型

2.5.4 考虑横向流固耦合的涡激力模型

2.6 本章小结

3 涡激振动预报及模型验证

3.1 概述

3.2 数学模型

3.2.1 控制方程

3.2.2 有限元离散

3.3 动力分析

3.3.1 定解条件

3.3.2 边界条件

3.3.3 初始条件

3.3.4 求解方法

3.4 波浪Ⅱ向应

3.5 涡激振动分析

3.6 本章小结

4 两向涡激振动动力特性分析

4.1 概述

4.2 质量比对两向涡激振动的影响

4.2.1 大质量比(质量比14.45和8.30)

4.2.2 小质量比(质量比3.50和1.87)

4.3 频率比对立管两向涡激振动的影响

4.4 本章小结

5 两向涡激振动疲劳分析

5.1 概述

5.2 S-N曲线法

5.2.1 频域法

5.2.2 时域法

5.2.3 雨流计数法编程实现

5.3 频率比对疲劳的影响

5.4 质量比对两向涡激振动疲劳的影响

5.5 本章小结

6 立管动力分析及疲劳分析系统

6.1 概述

6.2 MATLAB简介

6.3 非等效管模型

6.3.1 轴力引起的应力

6.3.2 弯曲应力

6.3.3 环向应力

6.3.4 径向应力

6.3.5 两种模型应力比较

6.4 系统实现

6.4.1 结构参数设置

6.4.2 模态分析

6.4.3 荷载参数输入界面

6.4.4 动力分析

6.4.5 疲劳损伤分析

6.5 本章小结

7 全文总结及展望

7.1 全文总结

7.2 存在的问题及展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士期间的学术论文