海洋立管两自由度振动的涡激损伤分析

将随机振动理论中的虚拟激励法引入到海洋立管涡激振动计算中,建立了相应的数值方法,编制计算程序实现了海洋立管在流向与横向两个自由度上的随机振动响应分析。对横向振动进行了实验模型计算,通过与实验对比,检验了将虚拟激励法应用于立管涡激振动的可行性;并记录了此方法的计算时间,验证了此方法的快速性。应用P-M准则,对响应进行分析得到立管的年损伤率,实现了深海立管的疲劳损伤预报。文章的分析方法可为海洋立管涡激振动响应计算和工程设计提供一定的参考作用。     

FDPSO立管涡激振动响应分析

基于FDPSO的概念设计原理,建立了立管系统的力学模型,运动方程的张力作用项中考虑了立管的自重和FDPSO垂荡运动的影响,流的作用力简化为涡漩串作用产生的周期性升力和阻尼力两部分。应用Galerkin法和4阶龙格库塔法求解上述非线性运动方程,重点分析了FDPSO垂荡运动对涡激振动的影响。数值结果表明:当垂荡运动频率引发的参数共振和涡激谐振共同发生时,立管有最大振幅的稳定响应;深海条件下,立管高阶振型响应在总位移中占有一定比重,对总弯矩及剪力分布有重要影响;而垂荡运动的振幅改变对立管的涡激振动影响不大。     

细长柔性立管涡激振动的数值模拟研究

应用基于浸入边界法（IBM）的三维水动力并行计算程序CgLES_IBM,并结合隐式结构动力计算程序X-code,研究了低雷诺数条件下细长柔性立管的涡激振动问题。研究发现：立管的振动体现出明显的驻波振动特征。立管在顺流向主要激发奇数阶模态,而横流向处于激发状态模态的奇偶性取决于涡激振动卓越频率和立管固有频率之间的关系。涡激振动的频谱呈现为单谱模式,所有的振动能量都集中在一个窄频段上,波节处能量较弱,波腹处能量较强。波节处,时均能量传递系数为负值,涡激振动处于抑制状态,相邻波节之间,时均能量传递系数为正值,并沿展向呈现出“马鞍形”分布,涡激振动处于激发状态。柔性立管涡激振动的泻涡模式呈现出三维特性,近尾流区为2S模式,但由于倾斜泻涡造成尾涡沿展向移动,尾涡模式随后变为2P₀模式,随着较弱漩涡的耗散,在远尾流区,尾涡模式又回到2S模式。     

水下串联立管涡激振动特性分析

该文选用ANSYS软件作为求解器,建立串联立管计算模型,对水下串联立管系统内的涡激振动现象进行了仿真模拟。把顶部约束作为单一变量,管道下游受到上游尾流的影响,横流向上的振幅大于管道上游,而在顺流向上的方向由于管道上游对管道下游产生了"屏蔽"效应,因此振幅远小于管道上游;同时提高顶部张力会增加立管的升、阻力系数,还会增强立管结构的刚度以及增大立管振动的响应频率。     

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。     

深水立管两向自由度涡激振动的数值分析

对更加符合实际情况的两向自由度涡激振动进行数值分析。研究四种不同质量比(m*=14.45,8.30,3.50和m*=1.87)情况时,流向振动与横向振动幅值和频率之间的关系。结果表明,在大质量比（m*=14.45,8.30）时,流向振动频率基本可以看做横向振动频率的2倍,并且流向振动幅值相对于横向振动幅值来说可以忽略不计,符合现有实验研究结果;当质量比较小（m*=3.50,1.87）时,顺流向振动幅值并不能被忽略,尤其在顺流向处于锁频时。两向振动的主频率基本维持2倍关系,但是除主频率外还具有相同或相似的振动频率。     

细长立管两向自由度涡激振动数值研究

采用ANSYS-CFX软件对细长立管的两向自由度涡激振动进行了数值模拟,分析了小变形（A/D=0.07）和大变形（A/D=1）两种条件下的立管涡激振动特性。在小变形条件下,锁定区的顺流向振动和横向振动的幅值比小于非锁定区;在非锁定区,顺流向振动频率是横向振动频率的两倍,而在锁定区两者振动频率相同,等于升力频率。在大变形条件下,锁定区的顺流向振动和横向振动的幅值比明显大于非锁定区;不论在锁定区还是非锁定区,都满足顺流向振动频率是横向振动频率的两倍关系,顺流向振动频率等于拖曳力频率,横向振动频率等于升力频率。     

采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析

建立了柔性杆件在非均匀流作用下的涡激振动响应预测模型,考虑了涡激振动锁频阶段流体附加质量的变化,以及振动响应和来流简缩速度的非线性关系。该模型通过经验公式结合迭代求解的方式,计算方便、速度快,避免了数值计算(CFD)的繁琐,较为适合于海洋工程实际应用。与试验和数值结果的比较表明采用该文提出的计算模型,可以更合理、准确地给出结构涡激振动响应。最后,结合实际平台参数,进行了柔性立管在非均匀流场的作用下的涡激振动响应分析,并研究了立管的预张力、流场分布等参数的影响。分析结果表明:随着立管张力和流场分布的改变,各阶模态锁频区域发生了变化,从而改变了结构的总体响应     

柔性立管涡激振动响应特性试验研究

针对柔性立管进行了试验研究,试验的目的是为了更深入地了解细长柔性立管在水中的涡激振动响应特性。试验在拖曳水池中完成,通过拖车拖动立管从而产生相对来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法,便可得到立管的位移响应等参数。试验中针对不同的流速进行了分析,系统地研究了立管的应变、特征频率、无量纲振幅比、锁定区域以及流体力系数等参数。研究结果表明:柔性立管随着流速的增加会出现多阶锁定现象;在高阶锁定区域,振动频率会出现跳跃现象;且随着锁定阶数的增加,幅值呈现下降趋势。     

深海立管涡激振动及其抑制方法研究

涡激振动是造成深海立管疲劳乃至失效的重要因素之一,会严重影响立管的使用寿命.现采用数值模拟的方法对深海顶张式立管的涡激振动及其抑制方法进行了研究.即利用有限元软件ABAQUS模拟了立管在不同流速下裸管和安装螺旋侧板的不同实例,得到其横向位移响应.结果表明,裸管条件下,当约化速度4.5相似文献   

柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

为深入研究带螺旋列板的柔性立管涡激振动响应特性,进行立管螺旋列板抑制装置的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生来流测得应变数据,基于模态叠加法获得立管位移响应等参数。分析螺旋列板抑制装置的螺距变化,系统研究不同螺旋列板状态下立管应变、位移响应等参数。结果表明,流向响应与横向响应同样重要不可忽略;裸管响应特性与带螺旋列板的立管响应特性区别较大,响应特性与螺旋列板几何形状紧密相关。     

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。     

振荡流下柔性立管涡激振动时域响应研究

引入受迫振动试验所得流体力系数库,采用全新的锁定判定区间及锁定准则,针对柔性立管振荡流条件下涡激振动问题提出了一套可供选择的时域预报数值方法。涡激振动流体力由瞬时来流速度及立管截面运动共同决定,相关流体力系数为无因次幅值及频率的函数。基于上述方法对某4 m立管模型不同KC数及最大约化速度的振荡流工况进行模拟,预报结果与相应试验实测吻合较好,并捕捉到振幅调制、迟滞、频率转换及高频谐振等现象。进而,对于不同KC数及最大约化速度组合的振荡流工况下立管动力响应表现出的诸多有别于定常流条件的特性,从涡激振动发生机理层面进行分析讨论并给出合理解释。最后,通过对振荡流与均匀流下立管涡激振动响应进行对比发现,在流速相当的条件下,振荡流工况的涡激振动均方根位移大于对应均匀流工况的对应值;而当最大约化速度相同时,较小的KC数对应较大的涡激振动均方根位移。     

海洋平台涡激振动响应研究

本文根据海洋钻井平台的工作环境,研究了其对涡激振动的响应。计算结果表明其重要性,对海洋钻井平台设计具有一定的指导意义。     

考虑大变形的大柔性立管涡激振动模型

在总结深海大柔性立管涡激振动研究基础上,提出考虑大变形的大柔性立管涡激振动数学模型,开发出相应的计算程序。在验证新模型计算程序可靠的基础上,分别在雷诺数Re=6300、Re= 情况下研究深水顶张式立管涡激振动特征。结果表明,低雷诺数时立管涡激振动以低阶单模态振动为主;随雷诺数的增大,立管涡激振动出现多模态参与振动及涡激振动非完全对称大变形现象。考虑大变形的大柔性立管涡激振动数学模型可用于深水、极深水立管系统涡激振动响应分析预测。     

非均匀来流下深海立管涡激振动响应研究

针对顶端张紧式深海立管的特点，采用简化后的振动模型，结合刚性圆柱体自激振荡与受追振荡实验数据，建立了深海立管在非均匀来流下涡激振动响应的简化分析模型。各阶模态的响应位移通过平衡涡激锁定区域内柱体的输入能量与非锁定区内流体阻尼的耗散能量计算得到。该模型能充分体现涡激振动现象中频锁范围、附加质量以及非线性流体阻尼等本质特点，且形式简洁，计算方便。通过与实验结果的对比显示，该模型是可行的。     

圆柱涡激振动数值模拟研究

基于k-ωSST湍流模型研究典型亚临界状态下(Re=3 900)二维圆柱的涡激振动。通过将圆柱简化为不同刚度的质量弹簧系统,并运用CFX的动网格与CEL功能,研究刚度系数对圆柱涡激振动的影响。研究观察到圆柱涡激振动的自限定现象以及旋涡脱落模态的转变过程,并得到圆柱涡激振动特性随刚度变化的规律。     

柱体结构涡激振动数值计算

为了研究柱体结构的涡激振动特性预测方法,首先基于Van der Pol尾流振子模型建立了弹性支撑单自由度柱体的涡激振动模型。然后基于计算流体力学(CFD)方法、结构动力学理论以及嵌套网格技术,同时考虑弹性支撑柱体来流向和横向振动,建立了柱体结构的涡激振动高保真仿真模型。通过与国外文献实验数据对比,验证了两种模型的准确性。计算结果表明,在低质量比情况下,Van der Pol尾流振子模型在约化速度较小区域计算误差很大,在柱体振幅最大值附近误差较小,基本上可以捕捉到柱体的涡激振动特性,可以用于工程上快速预测柱体结构的涡激振动特性;在低质量比、高质量比以及指定的约化速度范围内,采用CFD方法和嵌套网格技术,可以避免由于柱体振幅较大引起的网格畸变和负网格问题,且可以获得较好的计算精度和详细的流场信息,但计算效率相比Van der Pol尾流振子模型较低。     

内波致剪切流作用下深海立管的涡激振动

内波的波致流为沿水深方向非均匀分布的剪切流,而深海平台立管的自然模态具有低频、密集的特性,这种流场和结构的特点使得深水立管的涡激振动表现出高阶模态、多阶模态参与振动的特点。该文研究了大长径比立管在内波流场作用下的锁频特性,建立了基于模态能量理论的多模态锁频的计算方法,并应用于改进的尾流振子模型进行立管涡激振动响应预测。...     

剪切流下钢悬链线立管涡激振动响应研究

给出线性轴向张力下顶端张紧式立管忽略弯曲刚度时的固有频率和模态振型解析解,与Shear7给出的结果进行比较。结果表明:在低于20阶模态数时,两种方法得到的固有频率能很好地符合;在高于20阶模态数时,随模态数的增加,两种方法得到的固有频率结果差距也逐渐变大,因此弯曲刚度不能忽略。由悬链线方程将钢悬链线立管等效为顶端张紧立管,通过研究顶端张紧式立管的涡激振动响应来研究钢悬链线立管的涡激振动响应。研究发现钢悬链线立管的静态位移与转化之后的等效立管均方根位移组成了类似于锯条的形状。