海洋钢悬链线立管振动响应与疲劳预测

涡激振动是引发立管疲劳损伤的关键诱因之一。基于Van Der Pol尾流振子方程,研究了不同长度两端铰接的钢悬链线立管在相同来流流量不同剖面剪切来流作用下的涡激振动响应。采用二阶中心差分法对时域和空间域的耦合方程组进行了求解,并采用雨流计数法对立管的疲劳寿命进行了预测。结果表明,立管振动沿轴向传播呈驻波和行波的混合模式,随立管长度的增加,振动响应由驻波主导转变为行波主导。受剪切来流剖面的影响,立管振动响应呈现多频特性,行波自立管的顶部向底部传播,且其传播速率随来流剪切程度及立管长度而变化。随剪切程度的增强,立管从流体中获得的能量减少,能耗增加,振动位移减少。相同来流剖面时,随着水深的增加,立管疲劳损伤增加;而水深相同时,随来流剪切程度的增加,疲劳损伤逐渐增大。     

大应变钢悬链线输流立管动力特性研究

深水海洋立管通过柔性接头连接于上部浮体和海底之间,海洋立管的动力特性研究在动力响应的分析和性能化设计中是非常重要的。考虑深水立管大变形的特性以及内流的影响,利用二维动力学模型探讨了不同弹性模量、内部流体流速和顶部张力影响下立管的动力特性。得出如下结论:内部流体流速、弹性模量和顶部张力这三种因素的变化都会影响立管的固有频率,通常内流体流速增加、弹性模量降低以及顶部张力降低都会导致固有频率产生不同程度的减小;并且相应于各阶固有频率的振动模态的幅值大小和方向也随着各影响因素大小发生变化。     

深水立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型

利用基于圆柱体的受迫振荡试验数据提出的流体力模型,依据VIVANA的频域方法识别主导响应频率并建立升力和阻力模型,推导立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型,在时域内通过迭代求解出立管的单模态涡激振动响应.结果表明:所推导的时频联合预报模型可用来预测立管的主导响应频率,对于低流速下激励出的单模态响应预报结果与试验结果吻合较好;对于高流速激励出的多模态参与的响应,整体响应及振型预测较好,但不能很好地预测出某些局部峰值.     

钢悬链线立管提升作业耦合动力响应仿真研究

为探究提升作业过程中钢悬链线立管(SCR)动力响应结果,基于时域耦合理论与有限元法,建立了安装作业船舶-缆绳-SCR动力学模型,计算分析了SCR在提升过程中的弯矩变化,并详细分析了不同提升速率下的船舶运动、SCR弯矩及收放(AR)缆顶端张力.研究结果表明:SCR的弯矩与AR缆顶端张力受SCR提升速率影响较大,AR缆顶端张力与悬垂段处SCR弯矩随着SCR提升速率增加而增大;当提升速率从1 m/s增大至2.5 m/s时,AR缆最大张力从2.742 6 MN增大至4.191 8 MN.     

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.     

钢悬链线立管触地点区域管土动力相互作用分析

钢悬链线立管(SCR)与海床土体的相互作用对立管的疲劳寿命影响很大.运用ABAQUS软件模拟了不同沟槽形状时管道初次侵入土体,得到了土体的p-y曲线.考虑海床土体竖向非线性、沟槽侧向作用力和沟槽回填土的影响,建立了SCR与海床土体的有限元模型,进行了立管整体动力响应分析.结果表明:沟槽形状不同时,土体反力曲线不同,SCR动力响应不同;管土接触面积越大土体的竖向反作用力越大;沟槽土体的回填能减小触地点弯矩幅值,能够调整整个立管的弯矩分布,从而减小立管触地点的疲劳破坏.     

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.     

考虑预应力分布的立管涡激振动特性分析

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的现象,提出了考虑复杂预应力的立管涡激振动问题.基于梁结构理论,从应力-应变方程出发,建立了含复杂预应力的立管结构运动控制微分方程.对剪切流作用下典型顶张立管的涡激振动问题进行了数值计算,对比了复杂预应力对立管结构的自然频率、振型及典型节点振动特性的影响.计算结果表明,复杂预应力的存在对立管结构的动力特性有着重要的影响,特别是结构自然频率.文中所提出的方法可为复杂载荷作用下的立管结构动力特性问题的研究提供新思路.     

悬链线立管多相流流型研究

以水和空气为介质,在不同倾角的水平段和悬链线段组合中,研究气液两相流可能出现的流型及其特点,其中流型主要通过肉眼观察结合压力波动检测的方法来进行辨别.同时针对实验范围内出现的部分流型,研究该流型下管段压力和压降随气液速度以及角度的变化规律,并对悬链线管段为段塞流和严重段塞流时管内含气率、气泡长度、气泡速度、气泡频率等参数进行测量.结果表明:试验范围内共出现9种组合流型,4种组合区域所占区域最广;气液流速的变化对管线压降有一定的影响,水平管段的角度对压降的影响远小于气液速度的影响;液速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随气速的增加而增加,气速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随液速的增加而减小.     

基于灰色理论的多参数海洋立管涡激振动试验研究

通过模型试验的方法对多参数作用下的海洋立管的涡激振动进行了研究。试验参数包括:立管模型材料、顶张力、边界条件以及流速。模型材料选取了铝(Al)、有机玻璃(PMMA)和硬质塑料(UPVC)三种;流速采用0.2 m/s、0.6 m/s和1 m/s;边界条件采用两端铰接(S-S)和铰接-固接(S-F)两种,顶张力选取为5 N和65 N。通过电测法获得动态应变数据,得到立管的顺流向振动响应、横流向振动响应以及漩涡脱落频率;利用灰色理论分析不同参数对立管涡激振动响应的影响。结果表明,立管材料对立管的振动起着主要影响,各参数对漩涡脱落频率的关联序为r_(01)r_(02)r_(03)r_(04)(r_(01)为材料,r_(02)为流速,r_(03)为边界条件,r04为顶张力);即立管材料、流速与边界条件对漩涡脱落频率影响大,顶张力较其他三个因素影响稍弱。     

并肩排列深海立管群涡激振动试验研究

在波流联合水槽进行均匀流下5立管群涡激振动试验.立管模型长2.0 m,外流流速范围0.1～0.6 m/s.试验采用5根立管并肩排列,相邻立管以4倍立管直径等间距布置,分析管群的无量纲位移、主导频率、位移轨迹等动力响应,探索耦合干涉效应下并肩排列立管群的涡激振动规律.研究表明:锁振区间内立管横向振动相互制约,位移相近,但...     

基于海床吸力和刚度衰减模型的深海钢悬链线立管动力响应分析

运用ABAQUS创建触地单元,将立管 海床作用的模拟简化为3种模型：线性刚度、线性截断、线性截断并考虑海床吸力和刚度衰减.将浮体垂向运动作为立管顶端边界输入,并对3种简化模型进行了计算比较.结果表明：考虑立管 海床分离以及吸力效应对计算结果的影响很大;考虑吸力效应时,在立管和海床分离的阶段会有较多的疲劳应力循环.第③类触地单元较好地反映了吸力的产生和释放过程,其包含的海床刚度衰减模型也给出了令人满意的结果.
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减振器对串联立管涡激振动抑制研究

基于Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,建立串联立管流固耦合模型,在考虑尾流干涉效应的前提下,分析减振器对串联立管涡激振动的抑制规律,并通过设计实验验证研究结果准确性。结果表明:减振器的存在改变了立管漩涡泄放频率,减振器尾角越小,漩涡泄放频率越小;当减振器尾角小于60°时,减振器对上下游立管的横向受力均有一定的抑制效果,当尾角大于60°时,减振器的涡激振动抑制效果不明显。     

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．     

海洋立管涡激振动抑振-俘能装置试验研究

设计了一种海洋立管涡激振动涡轮式抑振-俘能装置,并在波-流联合水槽中对3种不同覆盖率的抑振-俘能装置进行试验研究。通过变化外流流速与装置覆盖率,分析立管的位移均方根、抑振效率、发电量等参数,揭示不同流速与不同覆盖率对装置抑振效率及俘能效率的影响;结合装置发电效率和抑振效率,探索俘能与涡激振动抑制之间的耦合作用机理。研究结果表明：涡轮式抑振-俘能装置可以有效降低立管的振动幅值,在试验约化速度范围内的整体抑振效率高于60%,最大抑振效率可达97.13%;当约化速度满足装置俘能发电的最低限值后,发电量随着约化速度的增加稳步提升;抑振效率对于覆盖率的敏感度较低,抑振-俘能装置的发电效率受约化速度影响较大,在高约化速度下装置不仅可有效抑制涡激振动,还能够达到理想的发电效率,电量最大值时的抑振效率为81.85%。     

深海钢悬链立管Hill不稳定性预测

基于双频激励预测深海钢悬链立管(SCR)Hill不稳定性,即参量共振问题.根据Vandiver理论,将SCR等效转化为顶张力立管(TTR),以多频叠加函数模拟真实外激励,基于多频激励动力学方程得到Hill方程.分析基于多频激励的特殊情形,即双频激励预测系统参量稳定性特性,并以此评估工程中SCR的Hill不稳定性.结果表明:多频激励更能准确预测实际外激励,其预测是探究SCR参量稳定性的关键,相应激励函数的选取决定SCR的设计安全.     

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。     

考虑脉动风速的悬索跨越管桥涡激振动响应及疲劳分析

对悬索跨越管桥涡激振动响应及疲劳进行分析.考虑风速的脉动特性,利用Morison方程推导涡激耦合力,将动力载荷传递到管桥节点对结构动力响应进行分析:依据Miner理论对不同工况下管道和钢丝绳疲劳寿命进行计算.研究结果表明:考虑脉动风速时,随风速变化而变频变幅的涡激载荷力对结构振动的影响有限,并起到抑振的效果:结构的振动响应在4.0,8.0,9.5和11.5 m/s时出现峰值,最大竖向和横向振动幅值分别发生在风向攻角为00和90.时:管道结构的疲劳寿命随风速的增加明显缩短.     

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调谐质量阻尼器(tuned mass damper, 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。