多参数耦合作用下海洋立管动力响应实验

为探究多参数耦合作用下的海洋立管动力响应,设计并开展了海洋立管动力响应模型实验。模型实验的主要研究参数分为立管设计参数与流场参数。立管参数：弹性模量,边界条件、顶张力,流场参数：流速和波浪参数（波高及周期）。综合考虑五种参数进行实验室的海洋立管模型实验,模型材料选取了铝（Al）和有机玻璃（PMMA）,分别定性的对应金属立管及纤维复合材料增强海洋立管;边界条件采用两端铰接（S-S）和铰接-固接（S-F）;顶张力选取 10N和30N;外流速采用 0.3m/s和0.7m/s;波浪考虑波浪的大小分别选择周期为1.0s波高为5cm的小波浪和周期为2.0s波高为15cm的大波浪。实验研究了立管模型在 32种不同工况参数搭配下的动力响应情况,通过对实验数据分析,得出了多参数耦合作用下各参数对海洋立管的影响效果。结果表明：立管振幅与弹性模量、约束数量以及顶张力的大小成反比,与流速及波浪大小正相关,特别是在垂直来流方向,直接影响立管是否发生明显的涡激振动。     

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.     

考虑大变形的深水立管涡激振动非线性分析方法

在以往研究成果的基础上,提出考虑大变形的深水立管涡激与参激耦合振动的力学模型,并开发相应的计算程序。在验证新模型计算程序可靠性的基础上,以服役于1 500 m水深的深水顶张式立管为算例,对其涡激振动的动力特性、涡激振动的响应特征以及涡激参数和环境荷载参数对立管振动响应的影响进行研究。结果表明:提出的分析方法能够很好地预测深水立管涡激振动的特征,深水立管的涡激振动响应受顶端平台激扰的影响,其响应特征是环境荷载、立管结构参数、顶部平台垂荡运动的函数。     

阶段流下大长细比深海立管抑振敏感性试验研究

在大型波流耦合试验水池中进行了阶段流作用下深海立管涡激振动抑振敏感性试验研究。试验立管模型长6.2m,长细比310,模型材料采用铜管,立管上部1.2m处于均匀稳定的流场中,下部5.0m处于静水之中。采用螺高为0.25 D的梯形截面双螺旋和三螺旋导板作为抑振装置,研究了不同覆盖率对立管涡激振动抑制效率及振动频率的影响,分析了其敏感性规律。结果表明:螺旋导板在立管上的覆盖率对抑制涡激振动有着重要的影响;在敏感区域内,覆盖率对抑制效率及振动频率的影响产生明显的过渡;当覆盖率超出敏感区域,抑制效率高且变化较小,而立管振动频率则产生明显的降阶。     

复合材料立管涡激振动数值计算

基于尺度自适应模拟(SAS)和计算结构力学(CSD),对复合材料海洋热塑性增强立管(Reinforced Thermoplastic Pipe,RTP)涡激振动响应进行数值计算.数值计算了聚氯乙烯(PVC)立管涡激振动响应和复合材料层合板模态,并与实验数据对比,验证了文中双向流固耦合方法和复合材料建模的准确性.并且,分别计算了不同条件下的RTP立管和相同尺寸的钢制立管的涡激振动响应.计算结果表明:来流速度为0.1m/s时,RTP立管都发生了频率锁定现象;RTP立管的来流向振动响应和横向振动响应同样重要,不可忽略;来流向振动响应及流场三维效应导致立管中部区域振动响应的轨迹比较杂乱;来流速度为0.2m/s时,相同尺寸的钢制立管的来流向和横向振幅比RTP立管的小,且钢制立管主要是低阶模态振动;铰-铰约束情况下的RTP立管的振幅相比固定-固定约束情况下的整体上稍大,且主要是2、3阶振型运动.     

海底管线涡激振动响应动力特性

海底管线管跨段的涡激振动,尤其是管跨在涡激振动下的频率锁定现象,是引发海底管线断裂失效的主要因素之一．通过对不同尺寸管道在不同流速条件下的漩涡发放频率、结构自振频率以及振幅的测量实验,找出了圆形管道在稳定流中涡激振动的规律,提出了由约化速度来控制涡激振动的方法为了将模型实验结果与理论计算结果进行比较,建立经验参数与不同实验条件下的物理参数之间的关系,利用尾流振子模型方法计算模型的涡激振动动力响应．通过模型实验说明尾流振子模型方法求解管道涡激振动的可行性,计算结果与实验结果吻合较好．     

阶梯状来流中立管的涡激振动响应预报

将变参数受拉柔性梁的有限元模态分析与涡激振动预报结合在一起,建立了变参数柔性立管的横向涡激振动预报模型,考虑到海洋立管的模态信息与涡激振动响应高度耦合,为合理计算附加质量对模态信息的影响,模态分析与涡激振动响应预报迭代进行.其中,使用有限元方法对立管进行模态分析,考虑了质量、拉力、抗弯刚度沿立管轴向的变化;在此基础上,涡激振动响应计算在各个模态上分别进行.在出现多模态参与的情况时,比较各模态的振幅,对模态受力进行折减.与近期阶梯状来流作用下立管涡激振动实验结果的比较显示,本文模型是有效的.     

深海顶张式立管组合参激共振的非线性振动分析

研究了深海顶张式立管参数激励和涡激共同作用下的非线性振动特性.考虑平台升沉运动激励和涡激力建立立管振动方程,采用多尺度方法求解立管振动方程的近似解析解.考虑和型组合参激共振1 2?????情况研究立管的振动特性,计算得到了立管的幅频响应曲线,分析了平台升沉运动对深海立管非线性振动的影响.结果表明:当参激频率满足和型组合参激共振条件时,立管振动响应中频率为1/2参激频率的亚谐波成分明显;且由于内共振关系的存在,立管1阶模态被激发,其幅值远大于2阶模态幅值;随着平台升沉运动幅值的增大,立管横向振动幅值显著增大,这表明平台运动对于立管弯曲振动有重要影响.     

不同雷诺数下圆柱结构涡激振动的数值模拟

圆柱结构在单相流作用下的振动响应特性研究对于圆柱管流致振动的控制有重要的工程意义。本文基于SST k-ω湍流模型对直圆柱管和弯圆柱管进行数值模拟分析,并以0.46~2.5 m/s的水流流速,对质量比为3.94的直圆柱管和弯圆柱管结构开展研究,测试2种圆柱管结构在不同来流速度下的横流向、顺流向振动响应,对比2种圆柱管结构在单相流作用下的数值模拟分析结果和试验结果。研究结果表明:直圆柱管和弯圆柱管有限元模型的横流向振幅在流速范围内逐渐增大,顺流向振幅先增大后减小;当流速范围为1.91~2.05 m/s时,漩涡脱落频率随流速的增大而增大,与试验结果吻合较好。本实验为圆柱管涡激振动研究提供了借鉴。     

考虑复杂预应力的深海立管参激稳定性

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的问题,探讨了立管受海洋平台升沉运动所引起的立管参激振动问题.基于结构预应力和立管振动理论,开展了含复杂预应力的顶张力立管结构参激振动问题研究.对顶张力立管的参激振动进行了数值计算,对比了复杂预应力大小、方向对立管结构固有频率、振型及参激不稳定区的影响.计算结果表明,焊接残余应力的存在使立管振动频率、振型、不稳定区大小和迁移方向发生改变,影响着立管结构的共振特性.