深水立管涡激振动响应和疲劳损伤分析

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由于我国大量的石油和天然气资源蕴藏于深海,因此为了满足深海资源开采的需要,海洋立管的应用也从浅海逐渐向深海转移。在对立管进行分析时,不能忽视的是立管的涡激振动,立管与漩涡的流固耦合作用会导致立管发生响应振动和疲劳破坏,精确地估算立管的涡激振动响应和疲劳是一个重要且困难的问题。由于立管横向振动的涡激振动占百分之九十以上,本文针对深海立管简化后的梁模型和索模型,在横向方向上,进行了单自由度分析,主要工作为:立管的模态分析、立管激励模态识别和激励区域计算、立管水动力性能分析、立管响应分析和立管疲劳损伤预报。对立管模态进行了分析研究。根据是否考虑立管刚度,将立管简化成两端绞支的梁模型或者索模型,使用分离变量法推导了两种模型在连续质量密度和连续变化张力下的固有频率和模态振型公式。为了对理论的可靠性进行验证,将计算的模态分析结果与Shear7软件的计算的模态分析结果进行比较,二者的各阶模态的固有频率和模态振型结果几乎一致。在考虑非连续质量密度和非连续张力条件下,使用WKB近似分析了进行立管模型固有频率和模态振型计算的方法,验证后进行实际计算。对立管激励模态和激励区域进行了分析研究。通过比较各阶固有频率与最大、最小激励频率来确定立管的潜在激励模态阶数,在潜在激励模态阶数内,通过涡放频率和模态的固有频率相等的立管位置来决定立管的能量激励区域。立管在能量激励区域内受到升力的作用,在非能量激励区域内受到阻力的作用。通过验证,计算得到的参与振动的主要激励模态阶数与Shear7计算的一致。对立管水动力性能进行了分析研究。本文建立了非保守升力模型和保守升力模型,通过拟合给出了不同频率比下的升力系数与无量纲振幅比的函数关系。另外,本文根据折合速度的区别,给出了静水中、低折合速度下和高折合速度下的阻尼模型。根据能量平衡,推导出了无量纲振幅比的公式,使用迭代计算立管的横向响应幅值。并计算了选取不同参数的立管横向响应幅值。对立管响应分析和立管疲劳损伤进行了预报。使用模态叠加法推导出了立管的响应计算公式,使应力范围分布符合Rayleigh分布,进行疲劳损伤预测。对不同条件的两个立管模型进行了响应和疲劳分析。接着,通过改变流速、内部流体、立管外径、截止系数等参数,对立管进行了参数敏感性分析,并计算了立管的拖曳放大系数。
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