波浪作用下海洋立管试验研究及ANSYS数值模拟

海洋立管在石油工业生产中有着非常广泛的应用,同时也是薄弱易损的构件之一。立管管内有高温高压的流体流过,管外承受海洋环境荷载尤其是波浪荷载的作用,受力比较复杂。由于中国大部分的海上油田水深都比较浅,所以重点研究浅水中的海洋立管。运用相似理论将实际立管模型缩放为试验模型,在管内流体流动及管外波浪荷载作用下,测量立管动力响应,并与Ansys有限元数值模拟结果进行了比较。     

海流作用下海底管道疲劳寿命分析

本文建立海底管道振动微分方程,采用Fluent软件求解涡激振动升力系数,由时程分析法获得海底管道动力响应,并运用线性累积损伤理论和S-N曲线法分析海底管道疲劳寿命。     

纤维增强热塑性复合管疲劳性能研究

纤维增强热塑性复合管(FRTP)由于较小的弯曲刚度、较轻的自身质量和良好的抗腐蚀性能等优点,在海洋工程领域具有广阔的应用前景。本文以FRTP为研究对象,首先通过开展拉-拉单轴疲劳实验得到S-N曲线,并基于剩余刚度理论确定FRTP刚度衰减模型。通过Abaqus有限元软件建立FRTP三维有限元模型,利用Fortran语言编写UMAT子程序模拟其在σ_max=80%σ_s、65%σ_s、55%σ_s、40%σ_s等4种应力水平疲劳荷载下的疲劳过程。从应变和变形两方面进行疲劳分析,基于刚度衰减模型对60%σ_s应力水平疲劳荷载下的FRTP疲劳过程进行预测。结果表明管道刚度随着荷载循环周次的增加而逐渐衰减,在疲劳寿命前期,荷载应力水平越高,刚度衰减越快。     

三控制杆对串联立管涡激振动抑制的试验分析

分别对串联裸管和带三控制杆串联立管进行室内水槽试验,使用DHDAS软件采集立管横向振幅和频率数据,分析不同立管间距对三控制杆涡激振动抑制效果的影响。结果表明,下游立管横向振动较上游立管弱;对于上游立管,随着间距的增大,控制杆的抑制效果逐渐平缓降低,下游立管则先增大后减小;串联立管间距为5~6倍管径时三控制杆抑制效果最佳。     

并联布置立管涡激振动抑制装置试验研究

针对分隔板、控制杆和减振器3种涡激振动抑制装置,在波流水槽中进行不同间距下并联布置立管的裸管试验以及抑振管涡激振动试验研究,对比分析3种抑制装置的抑制效果。试验结果表明:在同一流速条件下,附加抑振装置后立管的振动振幅与裸管相比明显降低,所采用的3种抑振装置在不同程度上均抑制海洋立管的涡激振动;从横向振动最优抑制效果来讲,控制杆的效果最好;从顺流向振动最优抑制效果来讲,控制杆和分隔板的效果好,减振器的效果较弱。综合比较不同工况下各个间距和振动方向的最优抑制效果发现,控制杆的最优抑制效果最好,能够对并联立管横向和顺流向的振动起到很好的抑制效果。     

参激振动对顺应式垂直通路立管涡激振动的影响

顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的一种新型的立管类型,在海流作用下产生涡激振动,在平台垂荡运动作用下产生参数激励振动。为了研究参数激励的影响,本文引入尾流振子模型模拟漩涡脱落对立管的作用,同时考虑浮式平台升沉运动产生的参数激励,建立了CVAR参激-涡激联合振动方程,获取联合作用下的动力响应,并与纯涡激振动响应进行对比。结果表明,在相同的流速下CVAR中部涡激振动幅值最大,流速的增大会导致涡激振动的频率增大,发生高阶锁振,高阶锁振振动幅值比低阶锁振振动幅值小。考虑参数激励之后,较纯涡激振动而言,立管的振动幅值增大;当参激频率与涡激振动频率接近时,立管的振动幅值最大。     

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。     

尾流干涉下考虑流固耦合作用的海洋立管涡激振动的数值模拟

利用Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,通过求解N-S方程、RNG湍流模型以及结构动力学模型实现流固耦合,对串联间距为4D的等径立管进行数值模拟,分析在尾流干涉下立管的涡激振动。基于数值模拟结果分析:串联间距为4D时上下游立管都有漩涡脱落;下游立管在尾流干涉下,考虑流固耦合时相比固定立管时所受升力增大,立管振动有"失谐",涡激振动到达"锁定"状态以及之后的一段约化速度范围内,升力系数呈现多频现象,且有一个频率总是接近立管固有频率,随着约化速度增大,涡激振动远离"锁定"状态多频现象逐渐减弱,同时升力系数幅值周期性变化,下游立管剧烈振动使其自身尾流区出现"断层"。     

顺应式垂直通路立管新构型设计及其力学性能分析

为研究顺应式垂直通路立管（以下简称CVAR）的力学特性，本文基于虚功原理和变分原理创建了CVAR力学模型，并与文献结果进行对比验证，之后在原构型的基础上提出改进，在进一步校正浮力因子后对CVAR进行时域内的动力响应分析。结果表明：新构型相较于原构型不仅减少了浮力块的布置数量，而且在设计位置和极端偏移情况下都能保证良好的作业性能；新构型过渡段的浮力因子在1.08~1.82范围内能满足文中给出偏移情况下的作业要求；CVAR的动力分析中，下部区域（靠井口位置）的各项位移很小，能保持良好的作业性能；过渡段区域由于弯矩较大引起应力值较高，是应优先检测的位置。