深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

基于小波变换的顶张力立管涡激振动规律实验研究

为研究顶张力立管在海流作用下的涡激振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验中立管竖直固定于实验支架上,外部承受不同速度的流体作用,上端施加变化的顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换方法对实验数据进行时间频域分析,得到立管涡激振动频率和振动幅值以及来流向与横向的耦合振动规律,考察顶张力变化对立管自振频率以及涡激振动的影响。     

计及附加质量系数变化效应的立管涡激振动时域响应研究

针对海洋立管涡激振动问题提出了一套时域预报数值方法,引入附加质量单元,能够计及附加质量系数变化效应对立管模态分析及涡激振动预报的影响。基于上述方法对均匀流工况以及线性剪切流工况下立管模型的涡激振动响应进行分析,并与相应试验结果的均方根位移及曲率、应变及位移响应时历曲线以及响应幅值谱进行了对比。结果表明,本文模型能够有效预报海洋立管涡激振动响应,且与传统数值模型相比,本文模型预报结果与试验数据更为吻合,可以较好地体现附加质量系数变化效应对涡激振动预报较为明显的影响。     

带浮力块立管的横流-顺流双向涡激振动响应研究

布置浮力块是降低深海立管对顶张力的需求以及减小涡激振动疲劳损伤的重要途径,对带有浮力块的立管涡激振动响应展开研究,为理论及实际工程应用提供一定参考。基于刚性圆柱体双向强迫振荡试验数据及能量守恒原理,建立了布置有浮力块的顶张式立管双向涡激振动响应频域预报模型,研究不同浮力块覆盖率对立管涡激振动响应的影响。从抑制涡激振动疲劳损伤角度出发,进行浮力块布置方案优化研究。结果表明,浮力块交错分布可有效降低立管的疲劳损伤,而浮力块全覆盖将增加立管的疲劳损伤。对立管进行浮力块布置时,应使立管涡激振动由立管和浮力块共同控制,以减少振动发生并降低疲劳损伤;亦可使立管涡激由浮力块单独控制,以降低响应模态阶次。同时,为避免产生过大的位移响应,应降低高流速区浮力块的覆盖率以控制结构的能量输入。     

海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究

以FrancisBiolley改进的vanderPol尾流振子模型为基础,考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立了海洋立管涡激振动微分方程,用Hermit插值函数对立管微分方程进行离散,并用Miner理论对立管的疲劳寿命进行分析,通过编程和实例计算,分析了管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。结果表明,当管内流体流速变化使立管的固有频率接近漩涡脱落频率时,立管涡激振动响应将会增大,疲劳寿命将会显著减少。     

不同流场下含内流立管涡激振动响应特性及Coriolis力效应研究EI北大核心CSCD

细长结构物在海洋来流作用下会发生涡激振动(vortex-induced vibration, VIV),涡激振动是海洋立管疲劳损伤的主要诱因之一。立管实际工作过程中内部输送油气,产生惯性力、科氏力(Coriolis力)和离心力,使得立管的动力响应变得更为复杂。基于含内流立管涡激振动响应时域预报模型,分别计算了在均匀流和剪切流下含内流立管涡激振动响应,并分析了机理较为复杂的科氏力作用。结果表明:均匀外流下内流会降低立管的固有频率,增大响应幅值;剪切外流下内流会激发出更高阶的模态响应。均匀外流下,科氏力在一定区域内固定做正功或负功,分别引起均方根位移的增大或减小;剪切外流下,科氏力使得立管顶部区域均方根位移升高,中部区域均方根位移降低。内流速度越大,科氏力效应越显著。     

涡激振动问题的有限元计算研究

研究涡激振动的有限元计算。应用条带假设和在锁定响应时涡激作用力的Scanlan第二经验模型可以实现涡激作用力在时间和空间上的离散化;由于涡脱落激励中复杂的结构与尾流相互作用,使振动方程具有非线性的时间与频率混合项,为此本文推导了时频域混合变换的AFT方法计算涡激振动的时程响应。与传统的连续模型和随机振动理论计算涡激响应方法相比,具有更高的适应性。     

深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法

针对深海顶端张紧式立管,基于刚性圆柱体顺流方向受迫振荡实验的水动力信息,采用有限元方法和能量平衡原理,建立了立管顺流涡激振动幅值响应的分析模型。该模型计及了立管横流方向涡激振动对顺流升力放大效应,根据激发力来源不同,分无量纲频率响应区间计算幅值并进行加权模态叠加。预报结果与Chaplin阶梯状来流涡激振动实验测量数据对比,吻合程度较好。     

参数激励下深海立管多模态耦合振动特性分析

由于浮体升沉运动影响,引起立管在水平方向上发生参数激励振动。参激振动可以引起平衡位置的不稳定性,如果系统参数组合落在不稳定区域,将导致立管振动破坏。针对简谐参数激励,建立立管横向振动方程,考虑立管内部张力沿轴线变化,立管固有频率和振型发生变化,参激振动出现模态耦合效应。采用Floquet理论分析了立管无阻尼和有阻尼时的参激稳定性,计算了临界参数激励下的动力响应。与单模态参激振动对比表明,同等阻尼下,模态耦合参激振动不稳定区域显著增大,更易发生参激共振。多模态耦合参激振动发生时,小激励也能激起大响应,特别是弯曲应力将显著增大。     

均匀流下柔性立管涡激振动响应及涡激力载荷特性研究

采用模型试验的方法研究了均匀流下柔性立管的涡激振动(VIV)响应特性及涡激力载荷特性。对均匀流场中柔性立管的VIV响应特性进行了分析,而后通过欧拉-伯努利梁动态响应控制方程和最小二乘法求取了柔性立管顺流向(IL)和横流向(CF)的涡激力系数。研究结果表明:均匀流下柔性立管的VIV为位移和主导频率不随时间变化的稳态响应,顺流向涡激振动的主导频率为横流向的2倍;柔性立管的激励系数与强迫振动试验获得的系数不一致,无因次频率处于激励区间的激励系数存在负值,激励系数不仅和无因次频率及无因次振幅相关,还与CFIL方向位移相位角相关;在无因次频率0.13~0.22时,横流向的附加质量系数在1.5~3.0振荡变化;而顺流向的附加质量系数在无因次频率在0.26~0.42内从-1.0迅速增大到1.2后基本保持不变。