深海顶张式立管涡激振动响应预报及其疲劳损伤影响因素研究

摘要

随着世界各国油气资源的开采向深海推进,立管涡激振动问题逐渐引起了学术和工业界的关注。当一定流速的海流经过深海立管时,在管柱尾流两侧形成脱落漩涡,尾涡交替发放对立管产生周期性的作用力,从而引发立管振动。涡激振动现象会大大降低系泊、立管和海底管道等结构物的疲劳寿命,因此准确预报涡激振动引起的疲劳损伤是深海立管设计的重要环节。深海立管在来流作用下,同时发生横流和顺流两个方向的涡激振动,国内外现有研究工作大部分仅针对横向振动的情况。然而近期实验和现场观测表明,虽然横流方向的响应幅值大于顺流,涡激振动在顺流方向被激发模态的阶数高,振动频率大,疲劳损伤不可忽略。本文进一步完善了横流涡激振动响应的预报方法,并在此基础上建立了顺流方向涡激振动幅值及疲劳损伤的预报模型,针对海流流速、轴向张力和立管材料等影响因素展开分析和讨论,可以为深海立管设计以及相关规范的完善和补充提供参考。
　　本研究主要内容包括：⑴基于刚性圆柱体受迫振荡实验的水动力信息,采用有限元方法和能量平衡原理,建立了立管在横流方向的涡激振动幅值响应预报模型。鉴于SHEAR7和VIVANA在稳态结构响应分析阶段存在差异,本文给出了不同附加质量处理方式下的模态频率和振型对比,为合理预报立管涡激振动响应幅值和疲劳损伤提供理论基础。⑵考虑横流涡激振动对顺流向激发力的放大效应,结合相关实验的水动力参数信息,建立了立管在顺流方向的涡激振动幅值响应预报模型,推荐了一个适合工程应用的频域疲劳损伤度合成方法。基于本文模型的预报结果与国外两个知名实验测量结果对比,吻合程度良好。⑶针对流速分布剪切度、立管内部流体密度、顶部预张力、外直径尺寸和立管材料属性等五个方面的影响因素,文中给出了横流和顺流向涡激振动响应幅值以及疲劳损伤的参数敏感性分析。结果表明,流速分布的剪切度对疲劳损伤影响显著,实际工程应用中,流速的准确测量是预报涡激振动疲劳损伤的基础。此外,张力分布直接影响立管的轴向刚度,合理的选取顶部预张力,能够有效降低涡激振动带来的疲劳损伤。文中最后改变立管材料属性进行了对应的疲劳损伤预报,对比了响应幅值、应力及疲劳损伤的变化情况,可以为其他材料立管设计提供参考。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2顶张式立管研究概况

1.3本文主要工作

第二章 顶张式立管涡激振动响应预报方法

2.1引言

2.2横流涡激振动的响应预报

2.3顺流涡激振动的响应预报

2.4本章小结

第三章 算例及实验对比分析

3.1阶梯状来流下立管涡激振动预报及对比分析

3.2剪切流下立管涡激振动预报及对比分析

3.3深海立管涡激振动疲劳损伤预报及对比分析

3.4本章小结

第四章 深海立管涡激振动响应影响因素分析

4.1引言

4.2流速剪切度对涡激振动响应的影响

4.3立管内部流体密度对涡激振动响应的影响

4.4顶部预张力对涡激振动响应的影响

4.5立管外径对涡激振动响应的影响

4.6立管材料对涡激振动响应的影响

4.7本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文

参考文献