钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,钢悬链式立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管,涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题。本文运用柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR,并根据本文提出的钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型,研究立管尤其是触地点处的涡激振动特性,算例表明,考虑流固耦合的两向涡激振动模型能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动,可进行均匀流场中涡激振动的研究分析;钢悬链式立管触地点处的涡激振动响应较大且复杂,应作为SCR涡激振动研究的关键点。     

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。     

深水钢悬链线立管非线性有限元静力分析

基于大挠度柔性索理论,采用可曲线梁模型模拟钢悬链线立管,考虑触地点挠度的影响,对CABLE3D程序进行了二次开发.同时考虑浮式结构运动和钢悬链线立管与海底相互作用问题,分析了Spar平台静态偏移引起的钢悬链线立管静态位形、顶张力、触地点弯矩以及挠度影响下节点有效张力的变化趋势.分析表明:浮体运动将引起立管顶张力和触地点...     

钢悬链式立管出平面涡激振动模态分析及试验验证

钢悬链式立管是目前应用最为广泛的一种深水立管形式,基于现有的钢悬链式立管出平面运动理论,提出了一个钢悬链式立管出平面涡激振动模型。该模型实现了钢悬链式立管涡激振动与刚体转动的耦合。基于该模型在CABLE3D基础上二次开发分析程序CABLE3D_Rotation模拟立管的出平面涡激振动。分析发现,考虑流固耦合作用的立管出平面涡激振动为一变频变幅的随机振动,对立管中下部响应影响较大,在立管动力分析中不应忽略。随后通过试验证明了钢悬链式立管动力响应中存在刚体转动模态,验证了提出的考虑流固耦合的非线性刚体转动模型的准确性。     

深水钢悬链式立管与浮式平台整体分析方法研究

本文提出了钢悬链式立管与浮式平台整体分析模型，将SCR和浮式平台作为一个系统进行整体分析，基于Cable3D程序开发出整体分析程序，并分别采用耦合法和整体分析方法分析了浮式平台作用下的SCR的运动响应及SCR对平台运动的影响，研究表明，整体分析方法可以很好的反映结构之间的动力效应，立管系统对平台的运动的响应幅值有一定影响。     

深水刚悬链线立管限位锚安装与限位链回接技术研究

刚悬链线立管（Steel Catenary Riser,简称SCR）通常用于深水浮式平台的油气输送管道,其水下端通常通过管线终端（Pipeline End Termination,简称PLET）与海底管线相连,水上端悬挂在平台上方,浮式平台与海底之间的立管呈现出悬链线构型。由于受到风浪流影响,浮式平台和立管会在一定的范围内移动,这就对海底的立管以及末端的PLET形成了拖拽力,从而可能导致管线或PLET移位或管线连接受损,导致油气泄露。SCR限位锚是采用吸力桩形式形成锚点,通过限位链连接立管管体,形成立管限位,从而保障立管的在位安全。     

非线性管-土作用下钢悬链线立管触地区疲劳分析

基于P-y曲线建立非线性管-土相互作用模型,分别运用大挠度曲线梁和弹性地基梁单元模拟钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的悬垂段和流线段,研究周期运动下管-土相互作用响应和SCR触地区的疲劳分析。SCR具有复杂的非线性动态行为,特别是触地点区域,由于海床模型的不确定性,一直是数值模拟的难点。通过Fortran编写子程序嵌入CABLE3D,开发得到包括非线性管-土作用模型的新程序CABLE3D RSI,围绕SCR与海床相互作用响应和立管的整体动力分析等内容展开研究;根据时域内的动力响应,运用S-N曲线法得到触地点区域的疲劳损伤分布情况,研究有关参数对疲劳损伤的影响。结果表明:1) 周期载荷作用下,立管在海床上形成的沟槽逐渐发展,相比于线弹性和刚性海床非线性海床分布力更加符合工程实际;2) 海床刚度模型、土剪切强度以及吸力因子都对立管触地区的疲劳损伤具有重要影响。     

基于非线性海床刚度模型的钢悬链线立管动力响应分析

基于P-y曲线模拟钢悬链线立管(SCR)-海床相互作用的力学行为,运用弹性地基梁模拟SCR流线段,研究海床刚度模型对SCR动力响应的影响。立管与海床的相互作用取决于土刚度、立管特性和沟槽的发展等诸多因素。现在的方法大多是将海床模拟为线性或非线性弹簧系统,而没有考虑土的塑性变形和吸力效应。运用P-y曲线模拟管-土相互作用过程,内容包括:①在浮体升沉运动和波浪载荷作用下,得到了管-土作用的荷载位移曲线、贯入深度和海床分布力的变化情况;②分析立管触地点的位移、弯矩、应力等动力响应特征,与线弹性海床模型进行了比较。研究表明,非线性海床土刚度模型较为准确地模拟了土的塑性变形和约束力对立管触地区动力响应的影响,弹性地基梁单元较好地模拟了立管的流线段,荷载位移曲线也体现了土吸力的产生和释放过程。     

浮体垂荡激励下深海悬链线立管触地端动力响应及沟槽发展研究EI北大核心CSCD

基于Randolph-Quiggin非线性管土作用模型,借助ABAQUS Subroutine功能中的User Defined Element(UEL)拓展模块创建钢悬链线立管触地单元,研究了顶端垂荡激励下立管触地段动力响应特性。通过与模型试验结果比较分析,验证了开发的数值分析模型的合理性,并讨论了其相较传统线性管土作用模型体现出的优势。开展参数敏感性分析,深入探讨了立管顶端垂荡幅值及周期对沟槽形状、立管位移及弯矩响应等的影响效应。     

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。     

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。     

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。     

梁撞击弹塑性波传播的动态子结构方法的研究

该文针对简支梁横向弹塑性撞击问题,建立动态子结构模型,推导了相应的动力学控制方程,并采用Newmark隐式积分法进行求解,将动态子结构方法应用于撞击激发弹塑性波传播问题的研究。考虑局部弹塑性接触变形,通过对撞击激发的弹塑性波传播,包括弯矩波、挠曲波、速度波和应力波传播过程的计算,研究动态子结构法分析弹塑性波的传播特征,弯曲波的弥散特征,以及塑性铰形成机理等的合理性。经过与三维动力有限元计算结果的比较表明,动态子结构方法可以合理地应用于柔性梁中弹塑性撞击瞬态波传播问题的研究。     

动静件有干摩擦的转子系统动态特性分析

本文用动力学基本理论建立了转子和定子之间有干摩擦的转子系统动态特性分析的数学模型。对该模型的动态特性分析表明：这类问题的失稳运动在不同条件下可以是正进动,也可以是反进动;转子转速在临界转速以下时也会发生反进动失稳运动;摩擦力在系统未失稳时起推迟发生正进动失稳的作用,但是也有扩大反进动失稳转速范围的作用。