灾害性海洋环境下深水立管结构可靠性研究

针对南海深水海域可能出现的灾害性海况条件,基于先进的深海浮式平台系统时域耦合分析和立管结构有限元动力响应计算的结果,采用广义极值理论,通过对非线性随机动力响应结果的数值拟合,研究了灾害环境下载荷概率模型的构建方法.基于结构可靠性技术,分析了立管构件的屈服极限状态,并进行了立管系统失效概率的求解及随机变量敏感性分析.结果表明,所提出的方法能充分考虑了深海平台系统的耦合效应,可以为灾害性海况下深水立管的可靠性评估提供有益的参考.     

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。     

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。     

基于时域缩放的深水立管波致疲劳分析

推导出线性条件下深水立管的动力响应与有义波高之间的关系,并对其进行了非线性修正.据此采用时域缩放的方法得到立管的动力响应,进而进行疲劳分析,并与精确方法的计算结果进行了比较.结果表明,采用线性缩放计算得到的疲劳寿命较为保守,而采用指数缩放的结果更优,其误差在工程上可接受的范围之内.该方法可隐性考虑系统响应非线性的影响,且只需计算少量海况即可得到较为满意的结果,可以用来进行初始设计阶段立管的疲劳分析及疲劳参数的敏感性分析.在疲劳校核阶段,该方法依然适用,以最大有义波高下的响应作为基准进行缩放保证了计算结果的保守性.     

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.     

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.     

复杂载荷下深水顶张式立管屈曲失效风险分析

研究了深水顶张式立管在极端环境载荷、第三方破坏载荷以及材料腐蚀等多种复杂载荷条件下立管的结构屈曲失效风险,并考虑海洋立管风险分析中不加以区分的立管类型与失效形式,采用新的非基于事故统计的方法探究其规律,进行风险辨识.为了研究深水顶张式立管的屈曲失效风险,通过复杂载荷条件下结构致灾机理的辨识建立多立管状态下的故障树模型,采用海洋工程领域中应用较为成熟的专家综合评估法及模糊故障树法进行风险分析,最终从概率及后果两个维度给出屈曲失效薄弱环节.通过实例分析、计算,验证本文提出方法的适用性和可靠性,并得出对深海资源开发有参考价值的结论.     

深水浮式海洋平台水动力性能计算研究

在以边界元方法（BEM）和计算流体力学方法（CFD）构建的软件平台基础上,实现了有关深水浮式海洋平台设计中诸多水动力性能计算,包括波浪中的运动响应与荷载计算、砰击荷载预报、气隙校验、立管动力响应分析、系泊与动力定位系统评价,以及出入水问题的解与工程应用等.所有算例计算表明,计算或预报结果具有工程应用精度,可以为工程设计提供参考.     

极端海况下海洋立管的动态可靠性分析

运用ANSYS有限元模拟软件,以一海洋立管为模型,采用Morison方程结合Stokes五阶波理论计算波浪力。研究了海洋立管在波浪、海流载荷同时作用下的动力可靠性。利用格拉马-沙尔勒叶级数拟合法分别对海洋立管在三种极端海况下最大米塞斯等效应力响应的分布密度函数进行求解,获得其概率密度分布模型。利用数值积分,采用应力-强度模型计算海洋立管的动态可靠度。分析结果表明:当海况严峻程度增大时,结构的最大米塞斯等效应力随之增大,海洋立管的动态可靠度随之减小,失效概率随之增大。研究结果可以为极端海况下海洋立管的可靠性评估和安全开发提供了一定的理论依据和重要的参考价值。     

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...     

渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能研究

海洋平台桩腿外侧立管结构在海冰载荷直接作用下易发生强烈冰激振动响应,继而导致立管结构低周疲劳断裂破坏。本文提出了应用不规则锥体作为降低立管结构强烈冰激振动的方法,通过现场振动监测数据及数值计算分析表明,在工程实践应用中不规则锥体有效地降低了立管结构的冰激振动响应,避免了立管结构低周疲劳失效问题,从而也为平台结构外侧立管结构的抗冰振提供了一种参考方法。     

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.     

渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能

海洋平台桩腿外侧立管结构在海冰载荷直接作用下易发生强烈冰激振动响应,继而导致立管结构低周疲劳断裂破坏。提出了应用不规则锥体作为降低立管结构强烈冰激振动的方法,通过现场振动监测数据及数值计算分析表明,在工程实践应用中不规则锥体有效地降低了立管结构的冰激振动响应,避免了立管结构低周疲劳失效问题,从而也为平台结构外侧立管结构的抗冰振提供了一种参考方法。     

段塞流诱导柔性立管振动响应实验分析

在气液两相循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,预测了气体表观流速对水动力段塞流诱导柔性立管振动响应的影响规律,分析了振幅响应、模态权重、频谱变化以及管内流动特性.结果 表明,随着气体表观流速的增大,振动幅度逐渐增...     

天然气水合物开采立管力学特性研究

深水天然气水合物开采立管是开采水合物的关键通道,管内由于水合物分解形成多相内流会导致其受力变形更为复杂,在内外流综合作用下水合物开采立管易发生失效事故。为分析水合物开采立管的力学特性,考虑管内水合物的分解与流动,并将其引入立管动力学方程,建立了海洋环境与管内多相流共同作用下的水合物开采立管动力学模型,采用有限单元法对模型进行离散求解,以固态流化试采工艺为例,分析了浆体密度、排量与出口回压对水合物开采立管力学响应特性影响规律。结果表明,立管内水合物分解形成多相流使得立管系统质量减小,导致立管沿程截面张力增大,水合物开采立管的形变位移、弯矩与偏转角度均比纯液立管小;无浮力块配置的水合物开采立管最大位移出现立管中下段,最大弯矩与偏转角度出现在立管底端;水合物开采立管的弯曲位移、弯矩与偏转角度随着浆体密度、浆体排量和立管出口回压的增大而增大;适当增加水合物开采立管顶部张力或配置浮力块,减小浆体密度与排量,降低立管出口压力均有利于减小立管的弯曲变形。研究结果可以为水合物开采立管的安全控制提供理论指导。     

海上采油立管的动力分析

本文应用线性波理论,通过波浪叠加法,探讨了海洋平台油气生产立管系统的动力性质。应用线性化的Morison方程计算作用于立管的波浪力,包括随机波和规则波两种情况。有限元方程的求解是通过模式叠加方法在时域内进行的。分析了波力单独作用及由波力和平台位移共同作用下立管的两种动力响应情况。介绍并比较了所得到的数值结果,包括位移、扭矩和弯矩等数据。结果表明,本文所提出的分析方法是可行的,计算机程序则可为立管的强度设计提供方便。     

多灾害作用下特大桥梁深水基础动力稳定性分析

以拟建的琼州海峡大桥深水基础为研究对象,考虑地震力、船撞力、波浪力等多种灾害因素,采用有限元动力分析法对深水基础位移响应进行分析,探讨其动力响应特性.结果表明:深水基础在地震力作用下基本为同向运动,并发生较大的水平位移,100年超越概率4%(E2水准)时位移最大达24.4cm.船撞力作用下,水平位移达15.1cm;波浪力作用下,水平位移达10.8cm;群桩在动荷载作用下响应复杂,由于土体的约束以及上部大刚度沉井的惯性力作用,桩身及上部沉井相对位移较大,导致桩头部位发生明显的应力集中.计算结果可为今后特大桥梁深水基础,尤其是为琼州海峡大桥深水基础的设计提供参考.     

基于Longuet-Higgins分布的深水立管疲劳分析

利用Longuet-Higgins分布将表征长期海况的波浪散布图分解为单个规则波的散布图,以此进行深水立管的疲劳分析,并与雨流法的计算结果进行了比较.结果表明：波浪散布图的离散应充分考虑系统响应的影响;若将波浪散布图离散得较为理想,则采用该方法计算得到的疲劳寿命将和雨流法的结果非常接近,且离散的越精细,其结果也和雨流法的越接近.该方法计算速度快、占用硬盘空间少,可用于实际工程中深水立管的疲劳分析.     

基于PDEM的TTR参数振动响应分析策略

提出了一种基于概率密度演化方法(PDEM)的结构动力可靠性分析策略,以一个特定的顶张紧式立管(TTR)为算例,计算了其随机参数激励振动响应的平均超越率,进而较为准确地评估了立管的动力可靠性.同时,还分析了立管发生参数共振时其响应概率的重尾分布特性.最后,分析了立管振动系统中的阻尼、参数激励强度和参数激励频率对立管振动响应的影响.结果表明:增大阻尼和减小参数激励强度可以起到减弱参数共振的效果,但是在设计阶段,最为有效的避免参数共振的方法是调整结构的各阶固有频率,使其远离参数激励谱峰值频率的一半;当各阶固有频率与谱峰值频率的比例不在46%～67%范围内时,参数共振效应很弱,可以忽略不计.