稳定流作用下海底悬跨管线涡激振动研究

讨论了目前用于海底悬跨管线涡激振动预报的主要数值模型,针对海底管线悬跨段涡激振动问题编制了有限元分析程序,程序采用梁单元模拟管跨结构,动力响应计算方法采用VIVANA模型,模型控制方程采用Newton-Raphson迭代算法求解。采用Larsen,Koushan等人(2002)和Larsen,Baarholm等人(2004)给出的两组不同的用于确定升力曲线的参数曲线进行计算,将计算结果与Tsahalis(1984,1987)的模型实验结果进行了比较。结果表明本文的涡激振动模型能够预报间隙比e/D=∞时海底悬跨管线的涡激振动响应;采用Larsen,Koushan等人(2002)参数曲线得到的计算结果与间隙比e/D=∞时的实验结果符合较好,Larsen,Koushan等人(2002)参数曲线较Larsen,Baarholm等人(2004)参数曲线更适合于海底悬跨管线的涡激振动预报。     

海洋平台的涡激振动研究及其分析方法

海洋平台的张力腿、立管以及海底管线的疲劳问题的一个主要根源就是波流引起的涡激振动.本文对海洋结构的涡激振动的研究发展、现状以及目前存在的主要问题做了论述,并重点介绍了涡激振动的理论和工程分析方法.     

考虑跨肩管土作用的悬跨管道涡激振动特性研究

海底悬跨管道涡激振动是一个复杂的流场-管道结构-跨肩土体耦合问题,其发生机理和振动特性十分复杂,特别是两端跨肩处管土作用对涡激振动的影响有待深入讨论。为此,文章引入了P-y曲线描绘跨肩处管土耦合作用,提出了基于管道位移和速度的新非线性土体弹簧模型,根据能量平衡原理计算土体阻尼,采用尾流振子模型模拟悬跨管段流固耦合作用,建立了考虑流—固—土多场耦合作用的海底悬跨管道涡激振动预报模型,并重点研究了考虑跨肩管土作用时,悬跨管道涡激振动的诸多特性。     

考虑不同管土作用模型的海底多跨管道动力特性

当前,海底多跨管道涡激振动分析多将管土段简化为固支或简支边界.针对此问题,采用3种更为复杂的土体模型,研究对比不同管土作用对多跨管道涡激振动特性的影响.采用尾流振子模型模拟流-固耦合作用,构建考虑流-固-土多场耦合的悬跨管道涡激振动预报模型,分析不同土体模型下的管道动力学规律.研究结果表明:不同的管土模型会对管道振动产生不同程度的影响,且管土非线性作用会明显制约管道的振动特征,使最大位移幅值和局部应变等发生改变.     

海底管跨涡激振动疲劳可靠性研究

本文考虑波浪水质点与管线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,从而建立了管跨段的非线性涡激振动方程.通过较为合理的化简,将非线性随机振动方程化为相应的线性随机振动方程.利用谱分析解法,由波浪谱推得海底管线的波浪力谱,作为振动方程的输入谱,计算得到相应的输出谱,进而确定位移和应变等各种响应随机过程的概率分布,最后结合可靠性分析理论确定管线的疲劳失效概率.     

海底多段悬跨管道涡激振动特性分析

深海海底多跨管道相比于单跨,其涡激振动行为却更为复杂。文章考虑了两端跨肩和中间支撑处的管—土作用边界条件,提出了多跨管道涡激振动预报模型,标定了模型参数,并重点分析了跨肩边界条件、中间支撑条件和悬跨长度对管道涡激振动特性的影响。结果表明:较大的两端边界处扭转弹簧弹性系数、较大的中间支撑处扭转和拉伸弹簧弹性系数和较短的悬跨长度,会限制管道结构高阶模态的激发,同时还发现了振动能量会在相邻管跨之间传递的现象。     

腐蚀条件下的海底悬跨管道振动分析

为有效预测腐蚀条件下海底悬跨管道的涡激振动响应,基于Euler-Bernoulli梁理论和改进范德波尔尾流振子方程,引入裂纹梁的等效抗弯刚度,建立考虑腐蚀作用的海底悬跨管道涡激振动模型。运用该模型对海底悬跨管道进行振动分析,并将计算所得结果与通过有限元建立的腐蚀管道模型所得结果相对比,验证该模型的准确性。通过分析不同腐蚀深度下海底悬跨管道的涡激振动特性发现：考虑腐蚀作用的管道在固有频率、位移响应和应力响应等方面与完整管道差异较大,且随着腐蚀深度的增加,变化率逐渐增大;考虑腐蚀作用的管道在发生涡激振动时的不稳定性比未考虑腐蚀作用的悬跨管道更强。     

海底管线在波流联合作用下疲劳寿命预测方法研究

海底管道悬跨管段在波流联合作用下非常容易发生疲劳破坏.文章在结合所做的一系列试验结果的基础上,建立了管跨在波流联合作用下的涡激振动力学模型.通过模态分析,求得振动方程的固有振型,并以此为基础,综合考虑垂向响应和流向响应对管跨截面处应力的影响以及平均应力存在时对疲劳寿命的影响,运用谱分析理论和疲劳分析理论建立更为合理可靠的海底管线疲劳寿命预测方法.最后通过实例计算,确定平均应力的存在对管跨疲劳寿命的影响程度.     

深水M型跨接管涡激振动疲劳损伤评估

针对涡激振动引发深水M型跨接管发生疲劳损伤的问题,考虑到M型跨接管非平直管道,弯管的引入对跨接管疲劳评估带来较大的困难,以南海某跨接管为例,通过ABAQUS软件进行跨接管模态分析,形成SHEAR7软件的模态输入文件,对跨接管分区使用SHEAR7软件分析跨接管的顺流涡激振动和横流涡激振动疲劳损伤。     

大坡度海底管道悬跨及疲劳分析

针对大坡度海底管道的悬跨和疲劳问题,基于DNV规范和线性疲劳累积损伤理论,分析管道顺流向和横向涡激振动的特点,并根据实例计算了大坡度海底管道不同水深处的最大悬跨长度和管道的疲劳寿命。结果表明:悬跨长度越长,管道的涡激振动现象越明显,即跨长对VIV疲劳损伤的影响较大;该管道的设计参数满足疲劳要求,其中大坡度海底管道出现最大疲劳损伤的位置为管道与斜坡底端的触地点处。     

大型深水导管架建造工况条件下的杆件涡激振动评估

基于国内某深水导管架项目，从工程实用角度出发，介绍在导管架建造过程中杆件涡激振动的理论评估方法和约束条件的选择标准，并对结构片总装时的涡激振动进行计算。结果表明：较弱的约束条件使杆件更易发生涡激振动；不同规格杆件的涡激振动对约束条件的敏感性不同；高柔度杆件具有相对更高的涡激振动风险，短粗型杆件的涡激振动对约束状态的变化更敏感。     

水下浮式结构优化设计及力学特性试验

针对大长细比浮式结构水下工作时存在涡激振动、结构稳定性差、动态特性明显等问题,分析计算水下浮式结构力学特征、动力学特性,寻找解决减小水下浮式结构涡激振动效应的方法。同时采用物理模型试验方法验证研究成果的准确性。研究结果表明,采用合理导流板结构形式,可有效降低水下浮式结构涡激振动效应。该理论分析与仿真计算方法可有效应用于水下浮式结构优化设计。     

系统识别法在双自由度涡激振动试验研究中应用(英文)

采用系统识别的方法对双自由度圆柱体的涡激振动特性进行了分析研究.试验是在美国麻省理工大学开展,在得到的圆柱体涡激振动轨迹中,由于受到试验条件的影响,如自由液面和水池池底,得到的轨迹并非对称的"8字形".因此首先对原始试验结果进行了分解,得到其傅里叶级数展开形式,然后采用了系统识别的方法对其进行分解,分别得到对称和非对称的试验结果,并认为对称的结果为理想或深海条件下圆柱体的涡激振动轨迹,而在自由液面和水池池底等其他因数的干扰下,产生了非对称的试验结果.     

三类边界条件下隔水套管涡激非线性振动的比较分析

考虑流及波流联合作用,研究了套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,考虑3类不同的边界条件,计及莫里森非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.应用克雷洛夫函数求解套管的固有频率和模态,采用了计算涡激非线性动力响应的迦辽金方法.以东海勘探3号钻井隔水套管为例,研究了不同边界条件下流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明：流对套管的动力响应占主导地位,而波的影响不大.分析了3类不同边界条件下隔水套管的涡激非线性动力响应,揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

Fatigue damage prediction of ship rudders under vortex-induced vibration using orthonormal modal FSI analysis

Recently, the fatigue failure of ship rudders owing to vortex-induced vibration has increased as commercial ships become faster and larger. However, previous methods are inappropriate for fatigue failure prevention owing to the lack of fluid–structure interaction considerations. This study aims to develop a fatigue damage prediction method that can be applied at the design stage to prevent fatigue failure of ship rudders under vortex-induced vibration. The developed prediction method employed the fluid–structure interaction (FSI) method to properly consider the fluid–structure interaction and implemented orthonormal mode shapes to reflect the complex geometry and boundary conditions of the ship rudders. For validation, vortex-induced vibration of the hydrofoil model was obtained using the developed method, and the prediction results matched well with the experimental results. Then, the fatigue damage of the ship rudder model under vortex-induced vibration was predicted using the developed method, and their characteristics are discussed. The stress distribution obtained using the developed method matched well with the geometrical characteristics of the ship rudders. The potential for fatigue failure due to the resonance of vortex-induced vibration was expected by comparing the stress distributions for various flow velocities to the S–N curves provided by the DNV classification.     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响.借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟.通过与试验结果对比验证了该方法的可行性.同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤.研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注.     

三类边界条件下隔水套管涡激非线性振动的分析研究

考虑流及波流联合作用,研究了套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,考虑3类不同的边界条件,计及莫里森非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.应用克雷洛夫函数求解套管的固有频率和模态,采用了计算涡激非线性动力响应的迦辽金方法.以东海勘探3号钻井隔水套管为例,研究了不同边界条件下流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明:流对套管的动力响应占主导地位,而波的影响不大.分析了3类不同边界条件下隔水套管的涡激非线性动力响应,揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动预报模型

本文考查了在均匀来流中作横向振荡的圆柱体与周围流体之间的能量转移,由此建立了基于受迫振荡实验数据的弹性支撑圆柱体在均匀流中的涡激振动响应预报模型.根据此模型,分析了低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动响应特性.就水中圆柱体涡激振动响应特性相关的几个关键性问题进行了深入的讨论,包括响应振幅的决定因素、附加质量对锁定范围及响应频率的影响.正确理解这些问题对于深水立管涡激振动响应的有效预报至关重要.     

狗骨头扰流装置对海洋立管涡激振动抑制的数值模拟研究

按照流体力学基本理论,将抑制风振的狗骨头型装置引进到抑制海洋立管的涡激振动上,并采用ANSYSCFX三维流固耦合方法对该装置的抑制效果进行检验。数值模拟检验结果表明：该抑振装置不仅有效降低了横向涡激振动响应,而且也抑制了纵向激励。