基于应变响应统计特征的海洋立管损伤诊断方法

考虑海洋立管的实际服役环境和现有监测技术水平,发展一种基于应变响应统计特征的损伤诊断方法。推导以应变测量单元为基础的细长梁式结构应变响应与结构模态参数的映射关系,提出连续测试数据的均方根应变作为海洋立管的损伤特征参量。针对损伤程度较小或量测噪声影响较大可能引起的损伤误判,根据小波多分辨率分析理论,利用小波去噪和分解处理该损伤特征参量的空间域数据,进而实现准确地损伤定位。在此基础上,进行了某张力腿式平台顶部张紧式立管的数值模拟;依据损伤诊断策略对假定布设应变传感器的上部500个应变测量单元分析得到上述损伤特征参量。结果表明:该方法对立管局部刚度下降进行了有效的识别,对单、多处损伤的损伤判别和定位的效果良好,损伤诊断效果受量测噪声以及服役工况和顶张力等因素变化的影响较小,可为相关工程结构健康监测提供理论和技术支持。     

通过附加浮筒改良的张力腿平台多体耦合运动响应

为了改善张力腿平台在极端海洋环境下的运动响应,提出了在张力腿上附加浮筒的新形改良方式,建立了附加浮筒后张力腿平台多体耦合运动分析模型,并给出了在时域下对该模型迭代求解的方法。考虑不同的附加浮筒尺寸和就位水深,应用绕射和辐射波浪理论和流体动力学分析软件AQWA12.0,数值模拟了平台上体及附加浮筒的水动力参数,分析了在风、浪、流分别作用和联合作用下平台上体、多个附加浮筒以及张力腿之间的多体耦合运动响应。结果表明：张力腿平台的纵荡和垂荡响应主要由风和流引起,纵摇主要由波浪引起;附加浮筒能明显减小张力腿平台各方向的总的和低频慢漂部分的运动响应,作用效果将受到附加浮筒尺寸和就位水深的影响,而平台波频部分的运动响应没有明显改变。     

二阶波浪力和聚焦位置对畸形波作用下张力腿平台动力响应的影响研究

通过波浪聚焦和波列叠加模型模拟生成了满足畸形波定义的畸形波。求解畸形波作用下张力腿平台动力响应,并分析二阶波浪力和畸形波聚焦位置对张力腿平台动力响应的影响。结果表明:畸形波会引起张力腿平台纵荡、垂荡和纵摇的大幅值运动;二阶差频波浪力会引起纵荡方向的大幅振荡,纵摇运动主要由二阶和频波浪力贡献,垂荡运动则由二阶和频波浪力引起的垂向高频振荡和二阶纵荡差频力引起的大幅值下沉运动组成;因不同频率波浪力之间的相位差,使得张力腿平台纵荡、垂荡响应极值与纵摇响应极值分别发生在畸形波作用在后立柱和平台中心时。     

钢悬链线输流立管顶部浮体激励非线性响应研究

钢悬链线立管在上部附体激励作用下的动力响应在立管的性能化设计中是非常重要的。本文作者考虑钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨了弯曲刚度的存在、内流流动和外部流体的非线性作用力对立管受浮体激励顺流向动力响应的影响。     

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。     

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。     

油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应

海洋立管是海上油气集输系统的重要组成部分，用于连接海底油气井口与海上油气集输站。在油气储运工程中，海洋油气集输介质多为油气水三相流体。为了研究油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下产生的耦合振动问题，进行了数值计算与实证研究。基于多相流体力学与动力学理论，构建了油气水三相严重段塞流模型和海洋立管结构动力学模型，结合这2个模型，模拟了立管耦合振动响应过程，并设计了下倾管倾斜角度为3°的L型油气水三相流立管系统进行实验。对模型计算值和实测值进行对比，结果表明：所提出的耦合振动响应模型比现有严重段塞流瞬态数学模型更适用于油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究，计算结果与实验结果较吻合；立管底部压强与底部位移呈周期性变化，且变化周期基本一致；流体压强是引发立管系统耦合振动响应问题的关键因素。研究结果为油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下的耦合振动响应特性分析及其结构设计提供了参考。     

海洋细长结构参数激励不稳定区的确定方法

分别采用变形参数法,改进的变形参数法及傅立叶分析法确定海洋细长结构参数振动Hill方程的不稳定区,比较三种方法的优缺点,并给出了前三阶不稳定区图像,为张力腿、立管等海洋细长柔性结构的设计提供参考。     

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。     

畸形波作用下二阶波浪载荷对张力腿平台动力响应的影响

畸形波易对海上的建筑物造成极大的危害。为研究畸形波作用下张力腿平台的动力响应特性,考虑张力腿平台的六自由度运动与张力腿非线性恢复刚度,建立非线性耦合运动方程。结合随机频率相位角调制法生成的畸形波波面时历,计算在畸形波条件下平台所受的一阶及二阶和、差频波浪载荷,并采用数值方法求解平台六自由度的运动。结果表明,在畸形波作用下,一阶、二阶波浪载荷均受到畸形波的影响,但各波浪载荷成分的增幅在不同自由度上并不相同。以纵荡为代表的低频运动主要受二阶差频波浪载荷影响,以垂荡、纵摇为代表的高频运动受二阶和频波浪载荷的影响。而由平台水平面内运动引发的下沉运动在二阶差频波浪载荷的作用下显著增大,从而诱发了垂荡运动产生了显著增加,因此在畸形波作用下垂荡运动同时受到二阶和频及差频波浪载荷的影响。此外,由于畸形波具有冲击载荷的特性,不同自由度运动幅值出现时刻并不相同。     

严重段塞流引起的海洋立管振动响应

基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论,建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型,对数学模型进行求解,研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应。数值模拟过程中,采用欧拉法计算严重段塞流流动参数,利用Galerkin法对立管结构动力学方程进行有限元离散,Newmark-β法求解离散方程。为了提高计算效率和精度,采用了变时间步长逐步积分方案。将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型和数值方法的准确性。对严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化进行了深入分析。结果表明:立管系统的振动响应、内力变化规律与严重段塞流的周期性特征密切相关;弹性基础可以极大降低管道结构的振动幅度及内力,尤其是下倾管的弯曲内力;上升管的高频振动幅度较大,轴力和弯曲内力变化也较大。严重段塞流引起海洋立管振动响应的分析对海洋立管设计及其支承防护具有重要的指导意义。     

随机荷载下陡波形立管的非线性动力分析EI北大核心CSCD

对陡波形立管在随机荷载作用下的非线性动力响应进行了数值分析。考虑内部流体,基于柔性杆理论建立了陡波形立管(SWR)的数值模型,采用Newmark-β法求解立管动力响应,利用MATLAB软件编写相应计算程序DRSWR,将DRSWR的计算结果与OrcaFlex进行对比验证,然后对陡波形立管在随机波浪、顶部浮体随机运动共同激励下的应力响应进行了参数敏感性分析。结果表明:浮子段应力水平、应力变化幅值最高;应力极值点为拱弯点和垂弯点;大波高、低周期的波浪会导致立管整体应力水平急剧升高;平均静偏移增大导致立管应力极值减小;大幅高频的慢漂运动会使悬挂点应力显著增大;高密度、高流速内部流体会使陡波形立管处于高应力状态。     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合特性分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了流固耦合特性分析,包括模态分析和动力学分析。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。动力学分析研究了单、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,提出了立管减振措施。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。     

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。     

张紧器-高压隔水管耦合系统横向振动特性研究

为了准确分析张紧器-高压隔水管耦合动力学特性，考虑平台漂移以及张紧器、海水阻尼等影响，基于动力学基本原理建立深水钻井工况下张紧器-高压隔水管横向振动力学仿真模型，并在MATLAB中利用有限差分法进行离散求解，分析了管内高压流体、张紧器耦合作用、海流流速、平台漂移量、张紧器张力比等因素对高压隔水管和常规隔水管横向振动的影响。仿真结果表明：在管内高压流体、张紧器耦合作用的影响下，高压隔水管的横向振动位移减小、应力增大；随着海流流速的增大，隔水管的横向振动位移增大，位于海面附近的隔水管的横向振动应力增大，隔水管底部的横向振动应力基本不受海流流速的影响；随着平台漂移量的增大，隔水管的横向振动位移增大，且越靠近海面变化越明显，但横向振动应力基本保持不变；随着张紧器张力比的增大，隔水管横向振动位移减小、应力增大，且对于常规隔水管，易产生应力集中。研究结果可为深水钻井工况下张紧器-高压隔水管的耦合振动特性分析提供理论依据。     

深海立管涡激共振疲劳寿命简化计算方法

针对深海顶端张紧式立管固有的特点,采用解析与经验公式相结合的方法建立了海洋立管涡激振动下疲劳寿命的简化预报模型,该模型能充分计及轴向张力对振型的变化以及对疲劳寿命的影响,通过实例计算指出了深海立管涡激振动诱发疲劳破坏的危险区域,并讨论了流速对疲劳寿命的影响。该模型形式简洁、计算量少,适合对深海立管等细长挠性受拉构件的疲劳寿命进行初步校核计算。     

Global design and analysis of deep sea FRP composite risers under combined environmental loads

The use of composite materials in offshore engineering for deep sea oil production riser systems has drawn considerable interest due to the potential weight savings and improvement in durability that can be achieved. The design of composite risers consists of two stages: (1) local design based on critical local load cases (LCs) to obtain the geometric configuration of the riser which will be analysed in the global design stage, and (2) global analysis of the full length composite riser under global loads including top tension force, platform motion, hydrostatic pressure, gravity, buoyancy, wave and current loads to determine and assess critical locations. This study describes the methodology, LCs, analysis procedure and results of the global design of the composite riser based on the geometries of the tubular optimised in the local design stage. The results show that a careful local design of the tubular using inclined reinforcements in addition to axial and hoop reinforcements can offer substantial weight savings and at the same time ensure that the structure is capable of withstanding the global loads applied on it.     

Preliminary design of composite riser stress joints

The objective of this paper is to investigate the technical feasibility of using hybrid carbon and glass-fibre reinforced epoxy composite tubes as production risers for a tension leg oil platform tethered in 1000 m of water. The axial forces and bending moment distributions applied to the riser were calculated by hydrodynamic finite element analysis, taking into consideration the extreme environmental conditions, large displacements, waves, currents and platform motions, which could occur in a 100 year recurrent storm. Loads induced by pre-tensioning the riser, the weight of the riser, external water pressure and the internal pressure that could arise in the event of a blow-out in the well were also considered.The riser was of 220 mm internal diameter and the walls were reinforced with layers of carbon-fibre wound at ±20° to the tubes axis, sandwiched between circumferentially wound glass-fibre reinforced epoxy layers on the inner and outer surfaces. The thickness of the carbon-fibre reinforced layers tapered along the 24 m lengths of the top and bottom sections of the riser, which are described as tapered joints. The strengths at various sections of the composite tubes were calculated using orthotropic, laminated, thick cylinder theory and progressive failure analysis. The wall thicknesses were chosen by comparing the predicted first failure load and 1/3rd final failure load envelopes with the various combinations of axial tensile and bending loads and internal and external pressures that the tubes could encounter. The possibility of delamination occurring at the ply drop-offs in the walls of the tapered joints was investigated using finite element methods and fracture mechanics.The composite riser was shown to satisfy all the design requirements and to weigh less than half the weight of an equivalent steel component.