Euler-Bernoulli海洋立管涡致强迫振动响应研究

针对海洋立管(Pipe-in-pipe,PIP)系统在海水作用下发生的振动问题,开展了对PIP系统在涡致强迫振动下的动力学响应研究,分析了在涡致强迫振动下海洋立管外管直径、轴向拉力、外激力频率对海洋立管位移响应的影响规律。基于Euler-Bernoulli双梁模型,采用Lamb-Oseen涡模型,建立了动力学模型,利用格林函数法求得该强迫振动的稳态响应。结果表明,随着管道直径增加,外激力增加,产生最大力幅值的位置离管道越远;轴向拉力对外部管道的影响较大,对内部管道的影响较小;无因次频率取0.4时,外部管道位移超出允许变形极限,内外管壁发生周期碰撞,易对海洋立管造成损伤。     

基于浮框式测力模型的桥梁涡激力特性研究

基于开发的内置浮框式三节段测力模型装置,通过弹性悬挂测振风洞试验测试了某大跨度斜拉桥初步设计主梁断面的涡振响应及对应的涡激力.分析了发生竖向涡激共振的0°与+3°两种风攻角下的数据,验证了内置浮框式三节段测力模型在桥梁断面气动力测试中的可靠性,对比研究了不同风攻角下涡激力与涡激振动响应的测试结果,探讨了锁定区间范围内涡振频率、力与位移之间相位差及涡激力做功的变化情况.结果表明,内置浮框式三节段测力模型可以在风致振动过程中同步测试气动力;所测试得到的涡激力频率在风速锁定区间内与位移响应频率完全一致,同时,模型的竖弯涡激力与涡激振动位移响应之间存在的相位差随风速增大而增大,而涡激力做功有一个先增大后减小的变化过程.     

悬浮隧道锚索涡激-参激耦合振动响应分析

针对参激-涡激耦合激励下的悬浮隧道锚索动力响应问题,考虑了流体与结构非线性相互作用,假设涡激升力系数为结构振动位移的多项式,建立与结构运动耦合的涡激升力公式.通过欧拉梁理论和伽辽金法建立和求解锚索在环境激励振动下的运动微分方程,以一个拟建的悬浮隧道锚泊系统设计初步方案为数值算例,结合MATLAB程序并采用龙格-库塔法对锚索动力方程的进行了数值求解,分析了参数激励幅值、频率和流速等关键敏感性因素对锚索参激-涡激耦合振动响应的影响作用,以期为实际工程的设计提供有益的参考.分析结果表明:在涡激-参激联合激励作用下,会激起系统较大响应,系统安全性和稳定性变差;随着参数激励幅值的增加,锚索位移均方根逐渐增大,涡激升力与结构的耦合作用逐渐减小;涡激升力高阶项起到了非线性阻尼的作用,从而模拟涡激振动的振幅自限制性.     

深海立管参激-涡激联合振动试验

深海立管在海流作用下发生涡激振动,在平台垂荡作用下发生参数激励振动,参数激励-涡激联合振动使立管动力特性更为复杂.在船舶拖曳水池通过拖车带动立管运动模拟均匀流下立管涡激振动,并设计频率和行程均可调的连杆装置带动连接立管顶端的弹簧,以模拟立管顶端受平台垂荡运动的影响,从而进行立管参数激励-涡激联合振动试验,研究流速、顶张力及参数激励对深海立管涡激振动的影响.结果表明,流速越大,立管振动应力越大,振动主频率越高;顶张力越大,振动应力越小,顶张力变化对立管涡激振动主频率影响不大;参数激励加剧了立管的涡激振动,立管振动应力随平台垂荡幅值增大而增大,随垂荡频率升高而增大,立管振动频率出现了参数激励频率的成分.     

悬浮隧道锚索多阶涡激非线性振动

为研究悬浮隧道锚索高阶涡激非线性振动,建立了悬浮隧道锚索在涡街和参数激励作用下振动的数学方程,并用多阶伽辽金法对其进行了化简,运用四阶龙格-库塔法进行了数值求解.通过一系列数值算例对流作用下悬浮隧道锚索的多阶涡激振动响应进行了分析.结果表明:涡街单独作用时,第一阶谐振响应最大,二、三阶谐振响应逐渐减小;产生涡激谐振的模态响应最大,其他阶的模态响应很小.参数激励单独作用时,一阶参数振动的响应最大,二、三阶参数振动的响应逐渐减小;产生参数振动的模态响应最大,其他阶的模态响应很小;锚索的高阶涡激非线性振动不可忽视.锚索产生参数振动时,是否产生涡激谐振对模态响应的影响不大,涡激振动仅为参数振动提供恒定扰动的作用.     

不同表面粗糙度下圆柱体涡激振动响应特性数值研究

使用数值模拟方法,研究了不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应特性,对圆柱体的涡激振动位移响应幅值、响应频率、涡激力、漩涡泄放模式以及涡激振动位移响应与涡激力之间的相位角等参数进行了分析.结果表明,圆柱体涡激振动响应幅值随着粗糙度的上升呈下降趋势.当圆柱体表面光滑或表面粗糙度较小时,涡激振动响应可分为初始分支、上分支以及低分支.在初始分支以及上分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2S模式;在低分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2P模式.当圆柱体表面粗糙度较大时,涡激振动响应仅存在初始分支和低分支.初始分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2S模式;低分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2P模式.     

涡激振动对管道液固两相流流场的影响

采用以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型和计算流体动力学(CFD)技术模拟涡激振动下的管道内部液固两相流流动,研究了涡激振动对深海采矿矿物颗粒水利提升的影响.通过对3种涡激振动工况下液固两相流流场计算分析,发现管道的涡激振动会改变颗粒轴向速度分布和颗粒浓度分布.在涡激振动作用下颗粒轴向速度分布发生"波动"现象,颗粒浓度分布发生周期性的变化,局部浓度明显提高.     

套管柱在钻井液-水泥浆耦合系统中振动特性的数值模拟

利用ANSYS Workbench数值模拟软件分析了油井环空内套管柱共振响应特性,研究了振动波在套管柱-钻井液-水泥浆耦合系统中的传播规律。结果表明,套管柱共振频率随自身长度的增加而逐渐减小;套管柱底端振幅随频率、套管壁厚的增加而减小,随激振力的增大而增大;振动波衰减曲线分为快速衰减和缓速衰减两部分,振动波衰减速率随激振频率、套管壁厚的增加而逐渐减小,随激振力增加而加快;"强激振力+薄壁套管+低频"组合下共振效果明显,适合改善局部井段固井质量,而"弱激振力+厚壁套管+高频"组合振动波作用距离较远,适合提升长井段固井质量。     

水下系泊支撑平台非线性动力响应

针对水下系泊支撑平台在水流涡激作用下的非线性动力响应,基于水力学理论和海洋工程结构力学理论,建立流固耦合非线性动力学方程。采用伽辽金法和综合数值解法,计算了支撑平台浮体固有频率与漩涡泄放频率相近发生谐振时,系泊浮体的非线性动力响应。结果表明,第一阶振型对振动位移的贡献最大;高阶振型对振动位移的贡献依次减小,且各阶模态随时间变化呈现明显的非线性特征。高阶模态对动弯矩、动切力的贡献要远远大于对振动位移的贡献,尤其是对动切力的影响非常大。在计算动力响应时,应该多取几阶振型来保证计算精度。     

基于流固耦合作用的纤维增强复合材料海洋立管 涡激振动的三维计算流体动力学模拟

对正交式纤维增强复合材料海洋立管、优化后的纤维增强复合材料海洋立管和金属海洋立管进行基于流固耦合作用的三维计算流体动力学涡激振动模拟,探索不同材料的海洋立管的涡激振动特征;通过等效弹性模量法及层状结构法分别构建3种整体模型,通过System coupling模块与Fluent软件模拟所得的流场结果进行交互,以实现二者之间的耦合作用,并对比不同建模方式及不同种类立管在涡激振动作用下立管位移和应力响应的影响。结果表明:不同建模方式所得的涡激振动特征相近;结构的构造不同使得优化后的纤维增强复合材料海洋立管的位移及应力响应均大于正交式纤维复合材料海洋立管的;在涡激振动作用下,纤维增强复合材料海洋立管的振动幅值大于金属海洋立管的,其应力幅值小于金属海洋立管的,并且二者的变形与应力分布特征也显著不同,与不同种类海洋立管的几何构造尺寸、弹性模量、顶张力、支撑条件等有关。     

层状土中单个管桩的竖向振动特性

将桩周土和桩芯土模拟为连续分布的弹簧和阻尼器,通过求解土层的竖向振动得到了Winkler地基模型的刚度系数和阻尼系数.在考虑土体分层特性的基础上运用传递矩阵法建立了管桩桩顶与桩底位移和轴力的关系,通过考虑桩端边界条件得到了层状土中单个管桩桩顶的竖向复刚度.借助数值算例研究了管桩壁厚、桩土模量比、桩芯土与桩芯土剪切模量比、土层厚度和剪切模量等参数对层状土中管桩竖向振动的影响.     

深海采矿扬矿硬管内流作用下的涡激振动分析

为研究内流作用对深海采矿扬矿硬管涡激振动的影响,以Matteoluca改进的涡激振动结构和尾流振子耦合系统模型为基础,采用加速度耦合方式,用模态主振型函数对硬管微分方程进行了离散,对建立的内部流场作用下的深海采矿扬矿硬管涡激振动微分方程,计算分析了输送速度对硬管涡激振动固有频率和响应幅值的影响.结果表明,当输送速度使硬管固有频率在漩涡脱落频率附近变化时,结构和尾流振子耦合系统的振幅将会增加,系统的工作稳定性降低.为了保证管道输送的连续性,要避免采用使管线产生“锁振”现象的输送速度.     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,^{在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,}通过简化Scanlan^{经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和}TMD参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。     

基于堆叠自编码器神经网络的复合电磁检测铁磁性双层套管腐蚀缺陷分类识别方法

铁磁性双层套管长期服役于恶劣的工作环境,极易出现腐蚀缺陷,定期为服役中的双层套管进行在线检测十分必要,而对管壁腐蚀缺陷位置的分类识别是管道定量检测与维修的前提和基础,实时准确的套管腐蚀缺陷分类识别能力是决定管道在线检测效率的重要因素。针对这一情况,将脉冲远场涡流和脉冲涡流技术相结合,提出了基于堆叠自编码器神经网络的分类方法。通过仿真和实验选取合适特征量作为输入层,实现了内管外壁腐蚀、外管内壁腐蚀和外管外壁腐蚀的分类,实验整体预判精度可达97.5%,结果表明该方法可对双层套管腐蚀缺陷缺陷实施高效、高精度分类识别。     

锅炉管道在内压及温度作用下的应力分析

利用有限元方法和经验公式求出了整体锅炉管道在内压和温度作用下的变形及各截面上的弯矩,重点分析了椭圆形截面管上各点的环向应力。结果表明:在内压作用下,沿椭圆形截面环向应力的最大值发生在椭圆长轴顶端的内侧,是破坏的裂源点;椭圆度的大小是影响弯管破坏的最主要因素;内压是造成椭圆形截面管破坏的主要外界因素。     

廊架对人行刚构桥涡振性能的影响

为研究装饰廊架对桥梁涡振性能的影响，以某带有空间廊架的景观人行桥为工程实例，制作了小、中、大3种廊架尺寸的主梁节段模型，通过节段模型风洞试验，分析廊架对主梁涡振性能的影响；为考虑实桥空间廊架造型尺寸变化对全桥气动特性的影响，通过全桥气弹模型风洞试验，分析均匀流场和紊流场中主梁跨中和1/4跨处的位移响应。结果表明：装饰廊架会明显改变主梁的涡振性能，小廊架和中廊架状态涡振性能较无廊架状态差，而大廊架状态涡振性能明显优于无廊架状态，大廊架状态除在个别工况出现小幅度涡振外，其他工况均无涡振出现；随着廊架尺寸的增大，主梁涡振性能得到改善；主梁迎风侧不同时，涡振响应会有较大差异，迎风侧宽与迎风侧窄相比，无廊架、小廊架和中廊架最大振幅分别减小49.72%、27.57%和23.21%;全桥气弹模型在均匀流场和紊流场试验中均未出现明显的涡振现象，因此安装装饰廊架的桥梁涡振性能明显优于不安装廊架状态。     

基于复模态法的深水钻井隔水管反冲响应力学特性

考虑隔水管在正常钻井作业过程中由于轴向拉伸储存的弹性势能和反冲过程中钻井液下泄时产生的黏滞阻力的共同影响,通过将隔水管离散化为三自由度质量-弹簧-阻尼系统,建立隔水管紧急解脱后的反冲响应力学分析模型和控制方程;以浮式钻井设备的升沉运动作为边界条件,以隔水管解脱前的变形为初始条件,考虑控制方程中阻尼矩阵不能被对角化的影响,采用复模态分析法对控制方程进行求解;根据实例分析得到反冲过程中隔水管底部总成(low marine riser package,LMRP)振动位移的变化规律,并讨论水深、波高、顶部张紧器弹簧刚度及解脱相位角等因素对LMRP振动位移的影响,研究隔水管反冲响应的主控因素。结果表明:在同样的作业条件下,水深越大,隔水管紧急解脱的安全作业窗口越小;波高越大,隔水管的反冲响应越剧烈;顶部张紧器的刚度是决定隔水管反冲特性的一个重要因素,张紧器刚度越小,LMRP与防喷器发生碰撞的可能性越大;解脱相位角对隔水管的反冲特性影响不大。     

频率对BG-P110油管钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响

油管服役工况下,受腐蚀介质和交变载荷的共同作用,腐蚀介质腐蚀油管内外壁而产生表面结构不连续。当有拉伸、弯曲、振动载荷出现时,表面结构不连续处会产生应力集中,发生腐蚀疲劳断裂失效。以宝钢BG-P110油管材料为对象,通过不同载荷频率下的疲劳和腐蚀疲劳裂纹扩展试验,分别测量大气和3.5 wt%Na Cl环境下的疲劳裂纹扩展速率。结合断口形貌和成分分析,分析频率对BG-P110油管材料腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。交变载荷相同时,腐蚀环境加快BG-P110油管的疲劳裂纹扩展速率;腐蚀环境相同时,频率越低BG-P110油管疲劳裂纹扩展速率越大。     

爆炸载荷作用下埋地聚乙烯管的动力响应分析

爆炸载荷作用下埋地管线的动力响应研究对管道附近的爆破施工和管道安全防护设计具有重要意义。数值模拟研究了四种相同标准尺寸比(管外径与壁厚的比值)的埋地聚乙烯(PE)管在爆炸载荷作用下的动态响应,初步揭示了PE管的振速、应变、应力和压力等指标参数的动响应规律。研究表明：PE管正对爆心截面处受横向振动影响最大,而管道正对爆心截面两侧受轴向振动影响最大;管道受压应变影响程度比拉应变大,易受压损伤;在误差允许范围内,四种相同标准尺寸PE管的动态响应参数(峰值振速、峰值环向压应变和峰值压力)可采用考虑场地系数和衰减系数的拟合公式进行预测分析。     

海上管中管结构力学研究现状与发展

为了避免风浪流、泥线低温等海洋环境载荷对钻完井作业及生产管柱的影响,海上管中管结构以其良好的安全保护、保温、传输等性能被广泛应用。目前,管中管的力学、强度及安全分析主要依据单管结构进行。为了系统梳理管中管在作业过程中力学分析方法,对管中管的结构组成,海上单管承内压、外压、屈曲设计与校核分析方法进行了介绍;同时,根据海上管柱易出现横向塌陷的特点,在单管塌陷及其传播公式基础上,对管中管的4种主要塌陷模式、管中管的塌陷传递压力计算方法进行了说明;在总结管中管动力学分析理论及其成果的基础上,提出了管中管结构动力学研究的发展方向。该研究有助于中国海上管中管结构力学的深入研究,可为中国深水领域的管中管安全作业提供借鉴。