变张力传递矩阵法在海洋立管模态分析中的应用

矩阵传递法是解决梁结构弯曲振动的有效方法。基于经典传递矩阵法,将海洋立管离散成一系列集中质量和弹性梁单元,可建立一种快速计算海洋立管模态参数(固有频率及模态振型)的方法。通过计算发现,当总传递矩阵行列式值为0时,迭代频率即为立管的固有频率,基于此可求立管的模态振型。适当增加立管的离散单元数可使其固有频率值满足精度的要求。对立管轴向变张力和恒张力这两种情况下的模态进行了比较,发现由表观重力和管内外压差引起的轴向变张力对海洋立管的模态响应有一定的影响,立管的模态位移幅值比恒张力情况下的偏低一些。     

深海立管固有频率影响因素分析

当深海立管自身的固有频率与由立管的顶张力、自重以及波浪共同作用下产生的振动频率相近时,立管会发生耦合共振,导致立管的损伤甚至失效。采用数值模拟的方法研究了立管的边界条件、本身物理参数和顶端张力等因素对立管固有频率的影响。在Abaqus软件中建立了简化的立管模型,并比较、分析了立管在3类不同边界条件下的立管振动特性。然后,在第3类边界条件的基础上,分析了上述因素对立管1阶固有频率的影响。最后,基于上述研究工作,得出结论。     

深水悬链线式柔性立管参数敏感性分析

针对柔性立管所处的深水环境,选取应用较为广泛的悬链线式布置方法,在特定的海洋环境中,在大型有限元软件OrcaFlex上建立悬链线立管模型进行动力分析。选取悬挂角、立管末端锚固点位置和管内流体等关键参数进行参数敏感性分析。结果表明:悬挂角的变化对立管顶部曲率有作用,但立管底部曲率和最大张力对悬挂角的变化不敏感;立管末端锚固点位置变化对立管动力响应有明显影响,布置立管时需重点考虑;立管曲率和弯矩对管内流体密度及流速的变化不敏感,但立管最大张力随管内流体密度的增大而减小,随管内流速的增大而增大。     

基于IVCBC涡方法和动刚度矩阵的 深海立管的三维计算模型

文章针对深海立管长细比非常大的结构特征,视立管为质量集中的多自由度索模型系统。通过有限体积法将该模型系统离散为多个有限体单元,首次提出基于应变能计算立管动态刚度矩阵的算法,并采用IVCBC涡方法计算有限体的外载荷,构建了一种三维数值研究深海立管涡激振动的新方法。应用该数值计算方法探索了立管耦合前后的振型、尾流模型、流体力以及泄涡频率的特征。发现了立管涡激振动的涡泄频率不再满足Strouhal数的规律和多频"锁定"现象导致立管出现多种高阶模态振动共存的特征,该研究为立管的设计制造提供了重要的指导意义。     

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"。     

海洋立管的模态及参数敏感性分析

为分析海洋立管受不同形式的轴向张力作用时的模态求解问题,用哈密尔顿原理建立理论模型,讨论模态的计算方法,并分析相关参数对结果的影响。结果表明,在相同的张力因子下,随着立管长度增大其固有频率主要受张力的控制;在深水中因表观重力引起的沿轴向张力的线性变化不可忽略,对频率和振型都有重要影响,张力因子的增大使频率提高,这种影响对结构长度变化敏感;频率随附加水质量系数的增大而降低。     

海洋平台垂荡作用下立管的非线性涡激振动特性研究

立管是海洋工程中常用的一种典型细长体结构物，研究立管在海洋平台垂荡和内外流体共同作用下的非线性动力学特性具有重要的学术意义和应用价值。本文采用Hamilton原理和Galerkin方法建立了顶张力立管的二维非线性动力学模型，将平台垂荡运动模拟为随时间变化的顶端张力，研究海洋平台运动和立管非线性涡激振动的耦合位移响应。研究结果显示，增加顶张力可以改变结构的固有频率，在可变张力作用下，立管的位移响应在相邻模态之间可以相互转换。通过与已有实验数据进行对比，验证了本文分析方法和数值计算结果的合理性。本文研究结果可为海洋立管的非线性涡激振动分析提供理论参考。     

改装船舶总振动分析计算

以某船舶改装项目为例,采用迁移矩阵法对船舶在满载和空载状态下的总振动固有频率和振型进行计算分析。对改装后的船体总振动固有频率进行预报,为船舶改装结构设计和设备避振提供工程指导。采用的计算方法可为船舶总振动固有频率和振型的预报分析提供借鉴。     

改装船舶总振动分析计算

以某船舶改装项目为例,采用迁移矩阵法对船舶在满载和空载状态下的总振动固有频率和振型进行计算分析.对改装后的船体总振动固有频率进行预报,为船舶改装结构设计和设备避振提供工程指导.采用的计算方法可为船舶总振动固有频率和振型的预报分析提供借鉴.     

缓波型柔性立管构型优化及敏感性分析

针对缓波型柔性立管存在的波型较陡和浮子段张力较大的问题,对其进行优化,将单波构型优化为双波构型,运用集中质量法对改进前后的2种结构形式进行分析,确认双波构型在静力和动力响应下的张力及弯曲特性更优。在此基础上,对双波型柔性立管进行敏感性分析。在静力状态下,悬挂点和第2段浮子段末端对浮子段间隔和浮子段长度敏感;在动力响应下,悬挂段到第1段浮子段的张力变化和最小弯曲半径对浮子段间隔和大悬挂角非常敏感。研究得到的敏感性参数结论可作为缓波型柔性立管总体布置设计的参考。为提升缓波型柔性立管的性能,可合理增加浮子段与浮子段的间隔和悬挂角,但同时要满足规范的要求,避免关键部位动力响应过大。     

Participating mass in colliding risers

One of the main challenges in estimating impact energy in collisions between marine risers is the assessment of the riser mass involved in the collision. Evidently the entire riser mass does not contribute to the collision. Hence, the question is: What is the equivalent riser mass which contributes to the impact energy? This article presents three different ways of estimating the riser mass participating in the collision energy. The first method is strictly experimental. The second method uses a numerical experiment together with system identification techniques. The third method is a strictly analytical method, which results in an asymptotically upper bounded estimate of the participating mass. Two risers are examined as case studies. The first riser is a 1 : 100 model scale riser used in collision experiments carried out at Marintek's towing tank in Trondheim, Norway. The second case uses a real world riser in use on the Troll B oil production platform operating in the North Sea. The proposed methods yield consistent and comparable results. Received for publication on Feb. 1, 1999; accepted on July 8, 1999     

台风条件下TLP串行立管系统碰撞分析

TLP立管系统以丛式方阵排列,台风条件下立管在波浪、海流及平台的联合作用下可能发生碰撞,有必要深入研究TLP串行立管系统的碰撞情况。文章基于DNV-RP-F203规范和Huse半经验尾流模型,提出台风条件下串行立管下游立管来流速度计算方法和立管系统碰撞分析方法,建立串行立管—井口—导管系统耦合有限元模型,研究台风条件下串行生产立管系统碰撞时的力学特性,在整体碰撞分析的基础上进行立管局部碰撞精细化分析,对比分析立管局部碰撞理论解和仿真解的不同。结果表明:下游立管来流速度的计算至少采用文中建立的方法迭代3次。串行立管发生碰撞时的最大应力发生在泥面导管处,碰撞位置应力发生了突变;立管发生碰撞的位置在水深100-120 m范围内。立管局部碰撞分析的理论解和仿真解基本吻合。     

耦合非线性三维海洋立管的边界控制(英文)

This paper presents a design of boundary controllers implemented at the top end for global stabilization of a marine riser in a three dimensional space under environmental loadings. Based on the energy approach, nonlinear partial differential equations of motion, including bending-bending and longitudinal-bending couplings for the risers are derived. The couplings cause mutual effects between the three independent directions in the riser’s motions, and make it difficult to minimize its vibrations. The Lyapunov direct method is employed to design the boundary controller. It is shown that the proposed boundary controllers can effectively reduce the riser’s vibration. Stability analysis of the closed-loop system is performed using the Lyapunov direct method. Numerical simulations illustrate the results.     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发,提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法,实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上,设计基于立管运行响应的动力定位控位方法,实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明,所提出的方法可行,在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时,能更快地跟踪新的期望最优位置,保证钻井立管运行在安全界限内。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

Optimal base motion to compensate for the influence of sea currents during riser re-entry

One of the difficult operations, which consists in moving the riser and placing its end relatively close to a desired position, is the re-entry operation. Complex dynamic behavior of risers under different sea conditions requires efficient modelling methods. The model used in this paper applies a modification of the segment method using joint coordinates, in which it is possible to analyze only one selected deformation while neglecting the others. This enables a very high computational efficiency of the method to be achieved. The models developed take into account the impact of the environment in which the risers work. The model is validated by comparison of the authors' own results with those presented by other researchers and the simulations are concerned both with statics and dynamics of spatial risers. The numerical effectiveness of the method presented enables it to be applied in the solution of dynamic optimization problems, one of which is presented by the example of the re-entry process. The process of moving the riser is useful in emergency situations (evacuation) when it is necessary to disconnect the riser from the wellhead and move it together with the platform. This optimization task is a 3D problem due to the sea currents acting at different angles on the riser in relation to the direction defined by beginning and final positions of the bottom end of the riser. The calculations are carried out for a hang-off riser, and the optimal motion of the base for different conditions of the sea is defined. The influence of the LMRP (Lower Marine Riser Package) on this movement is also examined.     

柔性立管构型比选及目标油田构型推荐

柔性立管是一种重要的立管形式,由于其在恶劣环境条件下具有优越的性能在海洋油气田开发中得到广泛应用。针对目前主要应用的立管构型进行介绍,并进行了深入对比分析。依托某油田开发方案设计,基于集中质量模型,利用Orcaflex 软件建模,对不同立管构型进行时域动态分析,得出立管最大有效张力、最小有效张力以及最小弯曲半径等数据,推荐适应目标油田的立管构型。     

非粘结柔性立管静态分析

海洋柔性立管因材料和结构上的复杂性在设计分析中存在许多技术难题。本文在变形能原理和能量守恒的基础上,推导出了柔性立管各层的刚度矩阵。将各层刚度矩阵进行叠加,得到柔性立管总体刚度矩阵,并用总体刚度矩阵求解静载荷作用下立管变形响应。同时基于ABAQUS软件建立八层非粘结柔性立管有限元模型,并将有限元计算结果和刚度矩阵计算结果进行比较。结果分析表明：运用推导得到的刚度矩阵求解静态载荷下立管的变形是一种简便且准确的方法。     

钢悬链线立管整体干涉分析研究

深水海洋立管具有柔性,特别是极端海况条件下,相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力,从而影响其疲劳寿命.钢悬链线立管相比顶张力立管,有效张力较小,对环境载荷作用更加敏感,更容易发生碰撞.基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型,从允许碰撞的角度出发,对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析,研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响,阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律,为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考.     

基于CFD的多弹性立管升力与阻力系数研究

基于Ansys11-Cfd软件模拟横向和竖向双立管6倍中心间距下立管的绕流情况,采用o-grid划分方法对立管处进行加密处理,使结果分析更加精确。针对6倍立管中心间距,横向和竖向排列情况,研究立管升力和拖曳力系数的变化,通过分析比较单立管和不同排列方式的双立管的升力和拖曳力系数,发现弹性情况与立管刚性情况存在很大的区别,弹性情况更符合真实情况。