海洋环境荷载下输液立管的静、动力特性研究

考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立海洋立管侧向运动微分方程,用Hermite插值函数离散,在微机上编写海洋立管静,动力分析程序,通过计算分析研究管内流体对立管侧向变形和应力的作用,另外,探讨管内流体的流动速度和立管顶端的预张力对立管动力特性的影响,结果表明,立管变形和应力均随管内流体流动速度增加而增大,同时内流速度的增大会降低立管的固有频率,但适当增大立管顶端预张力会抵消内流流速增加引起的固有频率下降。     

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。     

金属材料与复合材料海洋立管的三维CFD涡激振动模拟

研究了流固耦合作用下,传统金属海洋立管与复合材料海洋立管的涡激振动特性,并对比了雷诺数Re=7 500时,两种海洋立管的动力响应.利用ANSYS-Transient模块,采用等效模量法构建两种海洋立管模型;利用Fluent模块建立流体场模型,并通过system-coupling模块实现立管和流体场的流固耦合作用.由于两种海洋立管的外径、支撑条件、雷诺数等相同,所以它们的尾涡云图,速度矢量图及升阻力系数特性基本相同.但由于两种海洋立管的材料属性,顶张力等不同,它们的动力特性明显不同.相同流场条件下,复合材料海洋立管具有更大的变形及更小的应力响应.     

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。     

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.     

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。     

微分求积法分析水下输流管道的竖向动力特性

在复杂的海洋和河流环境条件下,水下输流管道的动力特性受到内外流体等耦合作用的影响,呈现与陆地管道不同的特点.尝试用微分求积法(DQM)来分析水下输流管道的竖向振动特性,综合考虑内流因素(包括流速、压强)和外流因素(包括流速、阻尼)以及轴向力对管跨段竖向振动的影响.计算分析了水下输流管道悬跨段的动力特性及允许跨长随内外流流速、轴向力、管内压强等的变化情况.结果表明,DQM用于水下管跨段的动力特性和疲劳分析、可靠性分析及设计是可行的.     

流固耦合对裸露输气管道固有频率的影响

以采空区埋地管线系统为研究对象,利用Hamilton原理,推导出考虑弯曲变形、流体压力和温度变化等因素的输气管道横向振动微分方程。以两端简支管道为例,利用里兹法求解固有频率,进而分析了温差、流体流速、压力以及几何因素对输气管道固有频率的影响。研究结果表明:管内流体流速对管道固有频率的影响较小,工程流速范围内,可忽略流体流速的影响;管道固有频率随流体压力的增加而降低;管道固有频率值随管长的增加而降低,随外径的增加而增加;管道固有频率随温度改变量的增加而降低。     

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。     

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。     

考虑弹性基础的气液两相流海洋立管耦合振动分析

基于气液两相流立管系统的模态分析和气液两相流流动特性试验,预测与评估不同流态的气液两相流引起弹性基础上海洋立管的振动特性。模态分析中考虑流体密度分布的变化和不同弹性基础系数对振动模态的影响;气液两相流流动特性试验中,绘制含7种流型的流型图,测试各流型的压力波动特性并进行时频分析。模态分析与试验结果相结合,分析不同弹性基础时7种流型引起立管共振的可能性,并预测各流型引起立管振动的特性。最后,测试7种流型引起的试验装置的振动响应,验证耦合振动分析方法的准确性。结果表明:气液两相流和弹性基础对立管系统的固有频率和振型有显著影响;立管系统无弹性基础支承时,严重段塞流I、严重段塞流Ⅲ、段塞流和波动气泡流会引起立管系统的共振;基础的弹性系数较大时,两相流不会引起立管系统的共振,试验装置的振动响应与管内两相流流动参数的波动规律一致。     

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。     

深水钻井隔水管系统配置及动力学特性分析

针对钻井隔水管钻井隔水管问题，总结了海洋隔水管基本配置特征，使用变分原理推导了隔水管动力学数学方程，确定了考虑上下端旋转刚度的边界条件，建立了波浪载荷影响下的隔水管动力响应分析模型，利用埃尔米特三次差值函数对其进行离散，分析了不同工况对隔水管变形特性的影响。结果表明，顶张力越大，隔水管的位移越小；海流类型对隔水管的变形特征具有明显影响；海流的表面流速对隔水管的变形影响十分显著，表面流速增加时，隔水管位移大大增加；常规海况下，风速较低，风速对隔水管动力响应的影响很小；但当系统遭遇极端天气（如台风）时，隔水管的位移会明显增加。     

循环荷载作用下NaCl溶液对黏土动力特性影响及微观机理分析

针对黏土易与水结合,孔隙溶液环境变化对黏土动力特性有较大影响的问题,使用GDS真/动三轴仪对黏土试样进行模拟交通循环荷载下的分级加载试验,研究不同浓度NaCl孔隙溶液、振动频率对土体应力-应变关系和动弹性模量的影响,分析骨干曲线及弹性模量的发展规律,并结合电镜扫描,分析NaCl溶液浓度和振动频率改变前后试样的孔隙分布规律,得到微观孔径与动力特性的关系。结果表明,随着NaCl溶液浓度和振动频率的升高,应力-应变曲线和动弹性模量曲线呈上移趋势;阻尼比-动应变曲线随振动频率的增加而上升,随NaCl溶液浓度的增加而下降;NaCl溶液浓度升高,水化反应产生的胶体增多,微填充作用可有效减少小孔隙,振动频率增加则使得片状颗粒间距被压缩,层状结构减少,土体更加密实,有效减少大孔隙。研究得出的含NaCl溶液黏土受孔隙溶液浓度与振动频率变化的影响规律,可为研究其他环境下黏土的强度变化提供参考。     

防台钻井隔水管脱离状态下振动响应模型试验

防台钻井隔水管近海面脱离后的振动特性关系到实际的生产安全。通过模型试验对其脱离状态下的振动特性进行研究。试验结果表明:脱离后,由于隔水管上端自由度得到释放,雷诺数较低时,其振动形态表现为刚性体自激振动的振型;随着雷诺数的增大,其振动响应中同时存在弹性支撑刚性体的自激振动和两端连接柔性管的模态振动,体现为主次频的关系;随着雷诺数的进一步增大,主次关系发生转变,对应于振型的转变;顺流向与横流向上的振型转变并不同步,顺流向上的振型转变需要更大的流速;相比于正常连接状态,脱离后的振型分布有向隔水管上端移动的趋势。     

球墨铸铁液压件发热冒口的研究

耐高压的液压件采用球墨铸铁(简称“球铁”)材质是一项先进技术。但是球铁的补缩困难,特别是对薄壁、复杂的液压件,热节处易产生缩松而导致铸件的渗漏,这是采用球铁生产液压件的关键问题。我们采用发热冒口解决球铁液压件的补缩问题。研究结果表明:发热冒口套热损失率比普通砂型冒口降低53％,等效模数约为几何模数(砂型冒口的模数)的两倍。节约冒口金属的50～80％,解决了普通砂型冒口解决不了的球铁液压件的补缩问题。     

海洋钻井隔水管顶张力分析

隔水管系统足海洋钻井的主要设备之-本丈对描述隔水管运动的四阶非线性偏徽分方程和边界条件进行了简化,并应用有限差分法对隔水管的受力情况进行数值分析.作用在隔水管上的顶张力,使用四种海况进行研究,并编制了相应的计算程序.通过实例计葬,与美国应力工程服务奋司的计葬结果进行比较,结果完全-致.末文提供的动态分析方法及计葬程序具有方法简便、精确度高和机时省千优点,对设计和校核隔水管系统具有实用价值.     

重复荷载作用下非饱和黄土的动力特性研究

通过对神河高速非饱和黄土在不同围压下进行振动三轴试验,测定了非饱和黄土的动弹性模量和阻尼比,以及黄土的动本构关系。结果表明,动弹性模量随动应变值增大而减小;在相同固结比条件下,动弹性模量随固结压力值增大而增大;随着动应变增大,非饱和黄土的阻尼比随之增大;非饱和黄土的动应力-动应变关系可近似用双曲线模型表达。同时分析了动弹性模量随动应变的规律,进一步验证动三轴试验中动弹性模量的变化规律的合理性。     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合振动分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了单、双向流固耦合振动分析,并将单、双向流固耦合进行了对比分析,同时考虑了立管支承方式、流体边界条件对立管振动的影响,最后提出了立管减振措施。结果表明:立管变形最大处发生在立管中间处,最大应力发生在立管的入口和出口处附件的上下部;双向耦合作用下立管最大等效应力和最大变形量均小于单向耦合;随着立管约束数量的增加,立管的变形量和等效应力变小;随气相速度增大时,立管位移减小,相反,随液相流速的增加,立管位移增大,随截面含气率的减小,立管位移增大。分析结果对海洋立管的优化设计和运行的可靠性提供了重要的理论意义。