内置集成浮力罐的几何形Spar平台运动性能数值模拟

对一种新的深海单柱式平台--内置集成浮力罐的几何形Spar (Geometric Spar, G-Spar)的运动性能进行了数值计算研究,并与模型试验结果进行了比较.G-Spar平台结构复杂,探索性地建立了简化的三维水动力数值模型,对包括系泊缆和立管在内的耦合系统进行了运动响应传递函数(RAO)的频域分析和极端海况下的时域分析.研究表明,运动响应传递函数及极端海况下运动时历的计算结果和试验结果基本一致,G-Spar平台具有良好的运动性能,垂荡板对降低G-Spar平台的垂向运动起到了关键性的作用.     

经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验

为研究经典式Spar平台的涡激运动和驰振特性,开展了平台在系泊状态下的水池模型试验,分析不同流速作用下Spar平台的横荡运动特性,并通过对比仅流、仅波浪与波流耦合工况试验结果,分析波流耦合作用对Spar平台涡激运动和驰振运动性能的影响.结果表明:高折合速度的海流使得Spar平台发生驰振运动,相比涡激运动,其振荡周期更长、振幅更大,且具有随机性.波流耦合作用不会改变Spar平台流致运动的具体模式,但是显著影响流致运动的幅值.     

基于全耦合模型和管土作用模型的深海悬链线立管触地区域疲劳特性分析

利用建立的浮体、立管和系泊索全耦合模型预报悬链线立管(SCR)的顶端响应,并作为立管详细有限元模型的顶端边界条件,进行疲劳响应分析.在全局有限元分析中,SCR与海床的相互作用通过开发的触地单元模拟,该单元能够考虑海床吸力的产生和释放过程,以及海床沟槽的形状.针对不同的海床参数,计算了SCR触地区域的响应,并通过雨流计数法进行了疲劳损伤分析,得到了触地区域的疲劳损伤对海床参数的敏感性.     

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.     

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。     

均匀来流中Spar平台涡激运动响应研究

Spar平台由于其优良的特性,近年来,在深水工程领域,得到了越来越广泛的应用.Spar平台由于其特有的几何特性,从而导致其在水流中可能产生涡激运动.文中针对Spar平台的刚体特性,建立了Spar平台与尾流振子之间的耦合运动方程,利用该方法对一模型平台进行了数值验证,计算得到的锁定区域与实验测得的结果吻合良好.接着对一真实的Spar平台进行了计算,并得到Spar平台和尾流振子的时间历程曲线.结果表明Spar平台的运动幅度以及运动周期比通常涡激振动的幅度以及周期要大.     

细长柔性立管涡激振动疲劳损伤分析

为了深入分析细长柔性立管涡激振动响应带来的疲劳损伤,在拖曳水池中对柔性立管进行了试验研究.由拖车带动立管运动产生相对来流,再根据测试得到的应变数据,结合材料常数得到立管的疲劳损伤.分别使用了基于单频率、常幅值的频域法以及多频率、变幅值的雨流法对疲劳损伤进行分析.分析发现:不同流速、相同模态阶数下的应变响应频率很接近,是由不同的流速在立管周围产生不同的流体附加质量所致.在大多数情况下,频域法得到的预测疲劳损伤比雨流法得到的真实疲劳损伤要大;但在少数情况下则相反.     

晃荡载荷作用下液化天然气船泵塔结构疲劳寿命分析方法

针对液化天然气船运动而产生舱内晃荡载荷,研究了泵塔结构的疲劳分析方法和规律性. 船体耐波性能采用动态载荷方法求得,并按ABS规范选取对晃荡载荷最不利的船舶运动参数;应用二维晃荡程序计算流体晃荡所产生的速度与加速度,并基于Morison公式计算晃荡载荷;采用线性累计损伤理论的S N曲线法对泵塔管节点的疲劳寿命进行分析,获得了疲劳损伤随装载率的变化规律.     

海底管道允许悬空长度计算研究

海底管道中的悬跨段在波和流的联合作用下极容易发生疲劳和局部屈曲破坏.而悬空管道的长度是影响破坏的关键因素.本文针对管道悬空的允许长度,考虑涡激振动带来的疲劳损伤等情况,利用涡激振动响应模型和Miner疲劳累积损伤准则,分别从动态临界跨长,疲劳筛选临界跨长,疲劳损伤临界跨长和极限状态临界跨长四个方面进行计算.应用Matlab编制计算软件,进行实例计算,获得不同状态条件下海底管道允许悬跨长度,可为海底管道的设计与安全性的评估提供参考.     

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.     

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.     

深水测试管柱-隔水管耦合涡激疲劳分析

在深水钻完井测试作业过程中,由于海流作用隔水管易发生涡激振动引起疲劳损伤,由隔水管涡激振动引起测试管柱疲劳损伤问题不容忽略。针对深水高压气井测试作业特点,考虑测试管柱和隔水管之间相互作用,建立测试管柱-隔水管耦合涡激振动模型,提出测试管柱-隔水管涡激疲劳分析方法。结合南海某深水高压气井,研究测试管柱-隔水管耦合系统涡激振动机理、疲劳损伤规律及影响因素。研究结果表明:测试管柱-隔水管耦合系统高流速下更易于发生多模态涡激振动,疲劳损伤沿水深方向呈现波动变化,顶部和下挠性接头附近疲劳损伤最为严重,其中测试管柱疲劳损伤约为0.2~0.25倍隔水管疲劳损伤,适当增大隔水管顶张力和测试管柱提升力可有效改善测试管柱-隔水管耦合系统涡激疲劳性能。     

新型正交异性桥面板疲劳性能分析

为了减少传统正交异性板的疲劳损伤以及提高其抗疲劳特性,邓文中院士提出了一种新型的正交异性板截面型式．文章主要以这种新型的桥面板为研究对象,通过有限元软件分析计算,可知其疲劳性能优于传统正交异性板．     

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.     

深水钻井隔水管与井口技术研究进展

钻井隔水管与井口系统是深水钻井装备中重要而薄弱的环节,其正确设计与使用直接关系到钻完井作业的顺利完成。系统开展了面向南海的深水钻井隔水管与井口技术研究,建立其力学分析方法,形成一套深水钻井隔水管与井口系统钻前设计与作业技术体系;提出隔水管与井口系统的波激疲劳、涡激疲劳、磨损以及隔水管接头完整性评估方法,并进一步完善深水钻井隔水管与井口完整性管理方案;建立深水钻井隔水管关键装备与作业风险评价框架,探索台风环境下的隔水管系统安全保障的关键技术;在此基础上开发深水钻井隔水管作业管理软件,承担中国南海6口自营深水井的隔水管与井口系统钻前设计与作业技术研究工作,成功将科研成果应用到深水钻井实践中,并取得良好的应用效果。笔者对这些进展进行总结和回顾,并对今后的研究方向进行展望。     

隔水管随机响应疲劳可靠性分析

为实现对波流共同作用下的隔水管疲劳可靠性分析,在时域里对隔水管进行随机非线性响应计算,给出空间隔水管非线性涡激动力响应的增量迭代算法.通过计算得到的隔水管关键点的应力时间历程和应用累积损伤模型,估算隔水管的疲劳寿命并进行可靠性分析,得出不同顶部预张力、旋转刚度和相关应力成分对疲劳可靠性影响的分析结果.     

钢纤维增强聚合物改性混凝土的疲劳损伤行为

对钢纤维增强聚合物改性混凝土这种新材料的弯曲疲劳损伤特性进行了试验和理论研究,并且和钢纤维增强混凝土进行了对比.通过合理定义损伤变量,由试验测定了新材料和钢纤维增强混凝土的疲劳损伤及其演化规律;根据疲劳累积损伤理论,提出了新形式的疲劳损伤演化方程,与试验结果对比,该方程能较好地反映新材料的损伤演化规律.对两种混凝土材料在相同加载应力水平下的疲劳损伤演化行为进行了比较,结果表明钢纤维增强聚合物改性混凝土比钢纤维增强混凝土具有更好的抗疲劳性能.     

基于钢筋低周疲劳的桥墩地震易损性分析

基于Coffin-Manson钢筋疲劳损伤模型,采用非线性纤维梁柱单元,对纵筋采用HRB335和HRB500E的圆柱形桥墩拟静力试验进行数值模拟,研究拟静力作用下低周疲劳对钢筋和构件承载力退化的影响.为了进一步研究钢筋低周疲劳对试件累积损伤的影响,将Takemura和Kunnath提出的两组不同加载模式下的拟静力试验进行数值模拟.结果表明:基于Coffin-Manson模型,采用纤维单元,在材料层面上考虑钢筋的低周疲劳,可以较好地模拟试件在不同加载模式下的累积损伤和承载力退化.