基于非线性理论的海底管跨涡激共振可靠性研究

考虑波浪水质点与海底管线管跨段振动间的相对运动速度以及波浪和海流的联合作用，对传统的波浪载荷计算方法进行了改进，引入了波浪激励载荷中的二阶平方阻尼项，从而建立了海底管跨的非线性涡激振动方程．同时，基于非线性振动特性，将倍频共振和亚频共振的概念引入管跨的涡激共振失效分析方法中，建立了相应的极限状态方程和管跨涡激共振长度预测公式，并在此基础上提出了管跨的涡激共振失效可靠性分析方法，并通过算例验证了方法的可靠性与适用性．     

浪流共同作用下隔水管涡激动力响应分析

隔水管是海洋浮式生产系统中的重要附属设备.为了探讨在波浪海流共同作用下隔水管的动力响应及进行涡激振动分析,文中给出了三维空间中隔水管运动的控制方程,其中以Matteoluca改进的Vanderpol尾流振子模型为基础计算涡激振动时隔水管与流体之间的相互作用.利用Hermite插值函数对隔水管的运动方程进行有限元离散,采用Newmark方法求解隔水管的动力响应.同时绘出了不同外界条件下相应的位移分布的包络线以及横向涡激振动响应曲线.计算结果表明,所采用的方法正确、有效,可以为隔水管的生产设计及理论分析提供依据.     

深海立管涡激振动预报模型及影响因素

涡激振动是立管发生破坏的主要原因之一,深海立管自重大、柔度高、顶部张力集中等会导致出现新的动力特性。为预报深海立管涡激振动并揭示其动力特性,考虑立管自重影响及线性剪切流,本文建立立管涡激振动方程,基于Van der Pol尾流振子模型,采用有限差分法计算立管的振动响应,并设计涡激振动试验进行验证,最后研究流速及顶张力对立管涡激振动的影响。结果表明:流速越大,立管涡激振动频率越高,振动应力越大;同等流速下,顶张力越大,立管涡激振动主频率变化不大,但振动位移增大,振动应力减小。     

多跨海底管道的疲劳分析

海底管道要长期在海底使用,因此海底管道的疲劳寿命至关重要,针对海底管道的疲劳寿命这一问题进行了研究.通过对多跨海底管道受到的环境载荷的分析,得到了计算载倚的相应方法.在进行多跨海底管道寿命的分析时,对多跨海底管道的流向和垂向涡激振动的疲劳模型进行研究,通过计算给出了相应的多跨管道的疲劳寿命.在进行流向和垂向的涡激振动疲...     

大型斜拉桥圆柱型桥塔的动力特性研究

根据大型斜拉桥圆柱型桥塔的结构特点,确定其主要动力特性是发生涡激振动.通过合理简化建立桥塔计算模型及其涡激振动方程,利用振型叠加原理求解振动微分方程,确定桥塔风致涡激共振时的稳态振动响应;由风致涡激振动理论及有关空气动力学原理确定漩涡发放频率以及升力幅值;考虑桥塔的形状结构特点以及发生共振时的频率锁定现象确定锁定区域,理论分析和数值计算结果表明:幅频响应曲线的共振峰所占频域极窄,在百年一遇的风载荷作用下桥塔在发生风致涡激共振的情况下其响应幅值不大,结构处于安全的状态.     

存在背景流的内波场中隔水管涡激振动研究

针对内波致水平剪切流使得隔水管发生多模态和高模态的响应问题,本文采用内波控制方程与刚盖边界条件,结合半经验的尾流振子模型以及隔水管的非线性振动方程,建立了隔水管在内波致剪切流流场中的涡激振动模型,给出了隔水管在内波致水平剪切流与背景流叠加作用下的涡激振动响应和功率谱密度分布情况。结果表明:内波致剪切流与背景流叠加后,引起锁振区间的变化,并激发了隔水管多模态涡激共振,隔水管会产生复合模态振动,疲劳影响更加复杂;高阶模态内波能量较小,对隔水管涡激振动影响较小,低模态内波对隔水管涡激振动影响更为显著。     

考虑管土作用悬跨管道纯顺流向涡激振动研究

为了揭示海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动特征,本文考虑跨肩处管-土耦合作用,结合Euler-Bernoulli梁理论和Van der pol方程,构建了海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报模型,分析了海底泥面土体不排水抗剪强度、土体强度梯度、跨肩处管道嵌入土体深度和土体塑性指数等对纯顺流向涡激振动的影响规律。研究结果表明:泥面土体不排水抗剪强度越弱、土体强度梯度越小、管道嵌入土体越浅、塑性指数越大,纯顺流向涡激振动越容易发生。     

双自由度变截面圆柱涡激振动数值模拟

针对海洋工程中常见的涡激振动问题,探讨了变截面圆柱形式对涡激问题的抑制效应。将立管振动简化为质量-弹簧-阻尼系统,基于SST k-ω湍流模型联合使用有限体积法对圆柱的涡激振动问题进行研究,采用四阶Runge-Kutta法求解圆柱在涡激作用下的振动响应。讨论了二维圆柱涡激振动的振幅、振动轨迹及涡脱形态,并验证分析方法,在此基础上对三维变截面圆柱的涡激振动问题进行模拟分析。结果显示,变截面圆柱的振动幅度较圆柱的振动幅度有所降低,变截面圆柱的突变处会对涡柱产生"割裂"的影响。该结论为涡激振动抑制效应研究及模型试验提供依据。     

深水顶端张紧立管疲劳寿命研究

深海环境中的立管所处海洋环境非常复杂,受到风、海浪、海流、潮汐、地震、海冰作用以及上端浮体运动的影响,不断变化的载荷容易引起立管的疲劳损伤。采用ABAQUS中的海洋工程模块AQUA对张力腿平台顶端张紧立管在张紧力、波浪和海流共同作用下的动力响应行为进行了数值仿真研究。在此基础之上,结合BS 7608和DNV RP C203给出的S-N曲线,计算了顶端张紧立管各节点的疲劳寿命。结果表明,由于顶张力以及波浪和海流的联合作用,海平面以附近处节点的立管截面为危险截面,最容易发生疲劳破坏。     

悬浮隧道管体及锚索耦合作用的涡激动力响应

为了解决悬浮隧道在水流作用下的动力响应问题,对管体及锚索系统的参数振动和涡激振动进行了研究.利用Hamilton原理,通过综合考虑悬浮隧道管体和锚索系统的耦合振动效应,推导了锚索-管体耦合系统运动的微分方程组,采用变量分离及振型叠加法对其进行求解简化,同时对5种典型工况和参数设置下的锚索跨中位置和管体跨中位置的位移时程曲线进行了计算和比较,分析了悬浮隧道锚索-管体耦合系统振动的非线性特性.结果表明：锚索与管体之间耦合振动呈现“拍”的特征,管体的初始扰动对锚索瞬态振幅有很大影响,锚索的涡激振动能激发系统的参数振动,系统稳态振幅取决于涡激力的大小,锚索合理倾斜角在45o～60°之间.     

基于Morison方程的海底管道疲劳寿命分析

海底管道在服役期间由于各种原因会在某些管段形成悬跨。这些悬跨在波浪的作用下将发生振动。这种振动最终可能导致管道的疲劳失效。将波浪力看作是Morison动水作用力,根据Morison方程建立管道振动模型,分别对管道水平振动和垂直振动的动力响应特性进行分析。依据Miner线性损伤累积理论,采用S—N曲线法分析计算管道疲劳寿命。     

大攻角及桥面粗糙度对扁平钢箱梁涡振性能的影响

为探究大攻角及桥面粗糙度对扁平钢箱梁涡振性能的影响,对寸滩长江大桥主梁进行了风洞试验。应用Matlab软件模拟桥面粗糙度变化范围,根据模拟结果选取对应的砂纸在试验中模拟桥面粗糙度,分析了攻角及桥面粗糙度对扁平钢箱梁涡振区间及幅值的影响。试验研究表明:在大攻角下扁平钢箱梁的涡振振幅和范围明显增大,对桥址位于山区等容易发生大风攻角的地区的桥梁应进行大攻角试验。扁平钢箱梁的涡振响应随着桥面粗糙度增大而减小。正攻角范围内,桥面粗糙度对涡振响应的影响随着攻角减小而增大。桥面粗糙度发生变化时,扭转涡振响应更加敏感,变化幅度大于竖向涡振响应变化幅度。     

内壁腐蚀混凝土管道爆破动力失效机制

为了确保爆破振动荷载影响下临近服役多年埋地混凝土管道的安全,开展内部腐蚀混凝土管道爆破动力失效机制的研究. 基于Thistlethwayte混凝土腐蚀理论,建立运营期混凝土管道内壁腐蚀缺陷预测理论模型. 结合全尺寸承插式混凝土管道爆破模型试验及振动分析,验证承插式混凝土管道爆破动力响应的数值建模方法及参数选择. 通过腐蚀缺陷预测,开展不同腐蚀缺陷形态下的承插式混凝土管道爆破动力响应数值试验,分析爆破振动荷载作用下的腐蚀管道动力性能演化规律. 结合极限强度准则,确立腐蚀管道主控动力失效准则,提出爆破振动影响下运营期内壁腐蚀承插式混凝土管道的安全控制标准.     

长输管线失效严重度多层次评价及应用

长输管线发生失效的主要因素包括外界干扰、腐蚀、施工缺陷、材料自身缺陷以及地面运移等,管线失效概率的大小决定着管线性能的可靠性,应用模糊数学中的综合评判方法对长输管线失效严重度进行多目标多层次模糊综合评判.评判集包括致命、严重、中等与轻微四个等级,因素类分为管线失效概率、失效对系统性能的影响以及管线可维修性等,每一因素类又由若干影响因素组成,通过多层次模糊综合评判得到长输管线失效严重程度大小.该方法较全面地评价了失效影响的各个因素,从而克服了仅依靠失效概率大小进行长输管线失效严重程度评价带来的不足.     

运营充水状态高密度聚乙烯管的爆破振动响应特性

结合武汉市管道预埋地层特点,通过全尺度预埋高密度聚乙烯（HDPE）管道现场爆破试验,分析不同工况条件下（不同药量、不同爆破心距）无压状态管道爆破振动速度及动应变分布特征;结合LSDYNA动力有限元分析方法,通过现场试验数据的对比验证计算模型及参数的可靠性;分析爆破振动荷载作用下不同运营状态（即不同充水水位高度）HDPE管道动力响应特性;结合管道运营状态环向容许应力控制准则,提出HDPE波纹管爆破振动速度安全控制标准. 研究结果表明：当HDPE管道受到爆破振动影响时,环向应变最大;管道合振速与等效应力随管内水位高度的增加而降低,且管道同一截面处迎爆侧的合振速和等效应力大于背爆侧,最大空管合振速为18.56 cm/s,最大等效应力为0.912 MPa;管道振速最大位置处X方向振动速度与主频随水位高度升高而降低,Y、Z方向振动速度与主频随水位高度的升高而增加;通过米塞斯屈服强度准备得到的管道运营状态安全控制速度为25.79 cm/s.     

海洋深水钻井锚链的动力特性探讨

在深水及恶劣环境海域,锚泊系统作为平台或钻井船定位装置,显得至关重要.在深水钻井中,锚泊系统的锚链长,尺寸大,对应的强度也大.锚链的受力越来越复杂,随着水深的增加,动力学分析显得越来越重要.考虑了锚链工作时最小运动与最小系泊力之间矛盾的要求,即锚泊系统要求最适宜的刚度,选择合适的连续模型.并对深水钻井锚链的动力特性进行了计算分析,得到锚链的特征频率和振型,由此分析其动力响应的上限和下限.在设计和施工中应特别注意锚链的动力特性,以避开与海浪产生共振的频率.     

管桥耦合下管线悬索桥的动力特性和地震反应

为了研究管线悬索桥大直径管线和桥梁的耦合作用对结构动力特性和地震反应的影响,以澜沧江管线悬索桥为研究对象,利用有限元软件建立实桥模型,分析了管线悬索桥在管桥耦合作用下的动力特性,并研究了管桥耦合对桥梁地震反应的影响.结果表明,与未耦合时相比,管桥耦合作用下桥梁结构的自振周期较长,自振模态被激励的先后顺序发生变化;在地震波激励下,管桥耦合作用对管线悬索桥不同构件的受力和变形具有不同的影响,其中索塔顺桥向剪力和主梁横向位移均减小,主梁上弦杆轴力和竖向挠度均增大.在计算过程中考虑管桥耦合作用的影响能够比较真实地反映结构实际的动力特性.     

大跨度中承式拱桥节段模型风洞试验

风致振动是大跨度中承式拱桥设计的主要控制因素之一,本文介绍了重庆菜园坝长江大桥风洞主桥节段模型静力三分力试验以及节段模型动态试验的主要内容及相应的结果,介绍了由于双拱干扰下的主拱静力三分力试验和涡振试验及其结论。试验表明,桥梁主桥具有良好的气动稳定性,主拱在风载下受力极为复杂。由于前榀拱尾流的影响,后拱阻力系数起伏较大。当两榀拱相距较近时,后拱的阻力系数为负数,随着间距的增大逐渐增大。试验结果将为大桥的抖振、涡振以及颤振分析提供依据。