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。     

带柔性接头的深海立管动力特性和非线性静力响应分析

深海立管各段之间并非完全刚性连接，本文提出了一种柔性接头的物理模型并建立了整个立管系统的控制方程，研究了柔性接头对立管动力特性和几何非线性静力响应的影响，可用于控制和改善立管的动力响应     

起重机箱形伸缩臂的动力稳定性分析

应用计及轴力效应的有限单元法对起重机箱形伸缩臂在轴向周期载荷作用下的动力稳定性即参数共振问题进行分析研究。运用Lagrange方程建立周期载荷作用下梁杆系统在小变形情况下参数振动方程,确定箱形伸缩臂结构动力不稳定边界的临界频率方程,并讨论阻尼对箱形伸缩臂动力稳定性的影响。分析结果表明:运用计及轴力效应的有限单元法求解动力稳定问题是非常精确和有效的;随着阻尼系数的逐渐增大,其动力不稳定区域逐渐减小,且对第二动力不稳定区域影响更加明显。     

考虑刚体转动的钢悬链线立管出平面运动分析

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展, 钢悬链线立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。该文在钢悬链线立管动力学模型研究中提出一种新模型:SCR刚体转动模型, 该模型基于SCR悬垂段大曲率的考虑, 假定立管为绕悬挂点与触地点连线形成的转动轴的刚体转动系统, 并将该转动效应以惯性力和水动力阻尼的形式与立管弯曲振动耦合, 进行立管的出平面运动分析。数值模拟算例表明, 刚体转动效应对钢悬链线立管的动力响应具有较大影响, 为立管动力分析中不可忽略的运动分量。     

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。     

管束结构的阻尼控制型流弹失稳特性研究

尽管自2012年SONGS事故以来,流弹失稳对管束结构的危害性和重要性再次引起了重点关注,但对导致这种不稳定现象的根本因素仍未确定。为进一步研究流弹失稳的基本物理机制,以压水堆蒸汽发生器通常采用的平行三角形管束为对象,基于开源CFD(computational fluid dynamics)工具OpenFOAM,同时耦合管的动力学方程,求解具有移动边界的非定常Navier-Stokes(uRANS)方程,建立了研究阻尼控制型不稳定机制的数值模型,进而预测管束的流固耦合振动,揭示影响阻尼控制型不稳定机制的关键参数和流动响应;重点讨论了不同质量阻尼参数下,系统的响应特性、能量输入与耗散,升力与位移间的相干性、相位差、相关系数,升力的频谱特性,主导激励机理。进一步揭示了管束流弹系统中占主导地位的激励机理和关键流动现象,有助于理解管束与流体之间的相互作用机理,同时为工程中使用开源CFD工具OpenFOAM预测流弹失稳行为提供了参考。     

深海钢悬链立管时域疲劳寿命预估研究

研究了钢悬链立管(SCR)时域非线性动力分析用于疲劳寿命预估。随着海洋工业不断往深海进发,过去十年内钢悬链立管成为众多油田开发的优选方案。然而,对于钢悬链立管设计而言疲劳是个关键难题。钢悬链立管的非线性动力特性显著,与频域方法相比,时域分析能够模拟非线性水动力载荷以及结构的非线性特性。本文数值模拟了海洋环境载荷作用下SCR的非线性结构动力响应,利用S-N曲线对立管进行整体疲劳寿命预估。对影响SCR疲劳寿命的各参数进行敏感度分析,输入的敏感度分析参数包括拖曳力系数、浮力因子、海床土体硬度等,研究表明疲劳寿命的预估结果与这些参数相关,所给出的结论便于设计人员更好理解钢悬链立管动力特性,选择合适的参数用于立管疲劳设计。     

基于整体分析的钢悬链线立管触地点动力响应分析

在立管动力平衡系统的力学模型中考虑浮式平台的惯性作用和管-土相互作用,研究在不同参数激励下钢悬链线立管触地点动力响应。基于大挠度柔性索理论,分别采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁、弹性地基梁模拟立管的悬垂段和流线段,考虑触地点处的大曲率,建立了立管的三维有限元模型,利用Galerkin方法对运动方程离散为一组非线性二阶常微分方程,运用Newmark-β法求解离散方程。通过在立管的动力方程中引入δ函数来体现浮式平台对立管的惯性和水动力影响,将悬链线立管与浮式平台作为一个整体进行动力分析,以工程中实际使用的1800m水深的钢悬链线立管为例,通过对立管顶部进行谐波激励,分别就水动力系数、管内流体密度和海床土体刚度对立管特征点动力分析的影响进行分析,研究表明:水动力系数的改变对立管触地点的动力响应的影响较为显著,主要体现在弯矩和张力幅值的增加;管内流体密度不同,触地点位置不同,表明立管在输送不同液体或气体可能发生疲劳破坏的位置也不同;而海床土刚度对立管触地点区域的弯曲应力影响较大,对轴向应力则影响不大,其结果对SCR设计具有重要的指导意义。     

有限测点下结构参数与基底激励的同步反演

提出一种利用结构在未知基底激励作用下,少数测点上的动态响应同步反演结构物理参数与基底激励的算法。首先,利用正交多项式展开结构基底激励,推导结构动态响应对结构物理参数和正交系数的灵敏度公式,并通过引入权值,克服由于不同待识别参数之间灵敏度向量的数量级差别较大而引起的灵敏度矩阵病态问题;然后,构造同步反演结构物理参数与基底激励的识别方程,并采用阻尼最小二乘法通过迭代计算求得方程最优解,完成结构物理参数与基底激励的同步反演;最后,采用一个12层的高层框架结构验证了算法的有效性。研究结果表明,该算法可利用少数测点响应同步精确反演结构的物理参数与未知基底激励。     

薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的振动特性分析

摘要：为深入研究薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的运动特性,应用Donnell简化壳理论,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的影响,建立了薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的非线性振动方程。基于Galerkin方法将偏微分方程转化为方便求解的常微分方程,利用多尺度法求解了系统主共振的一次近似解,得到了系统稳态响应的转迁集与分岔图,并通过奇异性分析,得到了系统工作稳定性和可靠性的结构参数区域。对薄壁圆柱壳在流体作用下的振动特性进行了数值模拟和实验研究,考察了阻尼系数、脉动频率、液体深度等对系统动力学特性的影响。研究表明,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的非线性振动方程更能体现薄壁圆柱壳在流体脉动激励下完整的动力学特性,同时系统中存在多种分岔行为。