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。     

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.     

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.     

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.     

流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验研究

洋流流速沿水深的分层变化对长柔性立管涡激振动性能有一定的影响.在开发流速增大装置的基础上,在拖曳水池中完成了1组流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验,测量数据包括流向和垂直流向上立管表面的应变值,试验数据采用模态分析法加以分析.结果表明:流速分层流场中细长柔性立管涡激振动不同于均匀流场及剪切流场的振动;流速增大层立管流向弯曲曲线的最大弯曲点偏向于流速增大层的作用段;立管流向和垂直流向振动的频率分布呈现出集中和分散2种形式;激发的立管垂直流向振动与拍振动类似.     

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.     

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.     

计及平台垂荡的立管涡激振动模拟与试验验证

针对顶端平台垂荡运动与涡激振动联合作用下顶张式立管动力响应预报问题,提出了一套可供选择的时域数值模拟方法.涡激振动模拟基于流体力分解模型,流体力系数库来源于受迫振荡试验数据.采用时变轴向张力等效立管顶端平台垂荡运动对结构动力响应的影响效应,在每一分析步内根据实时轴向张力更新结构刚度矩阵.最新公布的某2.552 m立管模型试验结果用于验证推荐数值方法在顶张力恒定及时变条件下的有效性,预报结果与试验观测吻合度较高.针对数值模拟与模型试验对比研究中发现的亚谐振响应、非对称振型及Mathieu型共振等现象,进行了深入研究并给出相应解释.     

运用修正剪应力输运湍流模型模拟双自由度涡激振动

针对低质量比圆柱双自由度涡激振动振幅响应的数值模拟结果小于实验值的问题,基于OpenFOAM开源软件,对标准剪应力输运(SST)湍流模型以及数值模拟方法进行了修正,并通过圆柱绕流算例进行验证.运用扫频法,对约化速度为2~14,质量比m~*=2.6的圆柱双自由度涡激振动进行了数值模拟,并对结果进行了详细的分析与对比.结果表明,与标准SST模型的结果相比,采用修正SST模型的数值模拟结果与实验数据更为接近,运用扫频法能更好地体现涡激振动的非线性特性.文中提出的修正模型可以应用于海洋立管涡激振动的预报.     

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．     

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.     

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。     

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。     

淹没深度对离心式叶轮模态参数的影响

离心式叶轮结构振动及其幅值受周围水体附加质量和阻尼的影响.为了明确不同淹没深度对离心式叶轮动力响应特性的影响,开展了数值计算和实验研究.基于声固耦合方法,开展了空气和不同淹没深度条件下叶轮的模态分析;通过锤击法获得了在空气和不同淹没深度条件下的叶轮结构响应参数,并评价了固有频率的数值预测精度;根据数值计算和实验结果,构建了结构振型、附加质量参数和阻尼参数随淹没深度的变化规律.结果表明:随着淹没深度增大,结构振型未发生改变;但叶轮附加质量系数和阻尼比都呈线性增长趋势;完全淹没时,水体附加质量及阻尼比分别为空气中的0.39倍和1.76倍.      

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。     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合模态分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了流固耦合模态分析,研究了有无流固耦合存在时立管振动模态的变化以及立管支承方式、流体边界条件对立管固有频率和阵型的影响。同时,将仿真分析同DNV公式求解的固有频率进行了对比验证。结果表明:流固耦合作用明显地降低了立管的固有频率,但并不改变固有阵型;立管的支承方式不改变阵型,但会影响管道的固有频率,约束数量增加,固有频率变大,随着模态阵型阶数增加,立管的固有频率增加,而最大阵型位移随之减小;立管固有频率随气相流速的增加而减小,随截面含气率的增大而增大;通过仿真分析和DNV公式求解两种方法得到的固有频率相差不大,验证了仿真分析的合理性。分析结果对海洋立管的优化设计和振动对策提供了重要的理论依据。     

基于尾流振子模型的套管涡激振动响应研究

针对PIP （Pipe In Pipe）系统（套管）的涡激振动问题,开展了对PIP系统在涡激振动作用下的动力学响应研究,分析了在涡激振动作用下不同无因次波数、内外管道直径比、连接层刚度以及张力对海洋立管位移响应的影响规律。研究基于Euler-Bernoulli双梁理论,采用尾流振子模型,建立了动力学模型,利用谐波平衡法求得内、外管道的振动响应表达式。结果表明,在不同无因次波数的作用下,套管的振动存在不稳定现象,在七阶模态时,管道的振动出现单一频率的振动现象;在高频率比区域,随着无因次连接层刚度的增大,内、外部管道的位移均呈现先减小后增大的趋势,并且逐渐趋于稳定;张力对外部管道位移的影响相对复杂,内部管道的位移随张力的增大呈现减小的趋势。     

深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究

目前,对隔水管的振动研究鲜有涉及深水钻井工况对其横向振动特性的影响。为此,采用牛顿法建立了隔水管横向振动流固耦合模型,利用微分变换法（DTM）对模型进行求解,分析了钻井液排量与密度、张力比、钻柱结构等因素对隔水管横向振动固有频率的影响规律。结果表明,钻井液的存在会减小深水隔水管横向振动固有频率;隔水管横向振动固有频率随钻井液密度的增加而降低,随张力比的增加而增大;钻井液排量和钻柱尺寸对隔水管的横向振动固有频率影响不大。该研究可用于指导深水钻井作业,优化深水钻井工艺参数。