海洋输液立管动力特性及涡激振动响应理论研究

摘要

海洋立管是海洋平台与海底井口间的主要连接件.该文以海洋输液立管的涡激振动为研究对象,阐述了当管外流体流经立管时产生涡激振动的机理、特点以及和相关参数的关系,具体分析了Matteoluca尾流振子模型.推导了输液立管在管外环境荷载作用下的振动微分方程,采用伽辽金方法对其动力特性进行求解,给出有内流时海洋立管动力特性表达式.通过对立管振动微分方程和Matteoluca尾流振子方程的解耦,并采用Hermit插值函数进行离散,得到其有限元表达式,采用Newmark时程分析法进行求解.并用Miner理论对立管的疲劳寿命进行分析,得到计算立管疲劳寿命的表达式,并对提高立管的疲劳寿命提出了一些措施.通过编程和具体的算例,分析了管内流体流动对立管的动力特性和涡激振动响应以及疲劳寿命的影响,结果表明,立管的固有频率随着管内流体流动的增加而降低,当管内流体流速变化使立管的固有频率接近旋涡脱落频率时,立管涡激振动响应将会增大,疲劳寿命将会显著减少,可以通过适当增加预张力的方法来降低管内流体流动对固有频率带来的影响,使涡激振动的幅值随流速变化的敏感性降低,提高立管的疲劳寿命,但立管的应力也会相应的增加.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1关于涡激振动

1.2.2关于内流引起的管道振动

1.2.3.关于海中立管的动力学研究

1.2.4立管疲劳寿命研究

1.3本文的主要研究工作

第二章旋涡诱发振动理论及尾流振子模型分析方法

2.1概述

2.2旋涡的形成和泄放

2.2.1涡激振动的机理

2.2.2 Strouhal数和旋涡脱落频率

2.2.3涡激振动的特点

2.3 Matteoluca尾流振子模型分析方法

2.3.1尾流振子模型特点

2.3.2 Matteoluca尾流振子模型

2.4切变流中海洋管道的涡激振动

2.5小结

第三章海洋输液立管的动力特性

3.1概述

3.2立管运动微分方程的建立

3.3输液立管动力特性研究

3.3.1立管动力特性计算

3.3.2程序实现及算例分析

3.4小结

第四章海洋输液立管的涡激振动响应

4.1概述

4.2数学模型

4.3方程的标准形式

4.4动力方程组的求解

4.4.1 Newmark-β法

4.4.2动力有限元程序及框图

4.4.3实例计算和分析

4.5小结

第五章立管疲劳寿命分析

5.1概述

5.1.1 S-N曲线

5.1.2 Palmgren-Miner定律

5.2立管疲劳寿命计算

5.2.1计算公式

5.2.2实例分析

5.3小结

第六章结论

6.1本文结论

6.2存在的问题及进一步研究的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢