柔性立管阻力特性试验数据处理技术

本文提出3种数据处理方法分析均匀来流中柔性立管的初始阻力特性。首先通过分析柔性立管在均匀来流中的变形及振动情况,分离出立管流向的初始变形对应的弯曲应变。根据复杂梁的弯曲变形理论,建立起弯曲应变与平均阻力之间的微分方程。随后,针对试验中获取的立管轴向力及立管表面弯曲应变,提出计算平均阻力的数据处理方法,并进行算例验证与分析。最终使用提出的数据处理方法分析试验数据,得到立管表面各截面处的阻力分布。     

阶梯来流下流速对细长柔性立管涡激振动的参数分析

涡激振动是深海立管结构设计的关键,基于开源Open FOAM平台自主开发出细长柔性立管涡激振动流固耦合的求解器viv-FOAM-SJTU.以标准算例为基础,研究在阶梯状来流作用下,不同来流流速对细长柔性立管涡激振动的影响.数值模拟的立管长细比L/D=469,质量比为3.0,立管的下端45%的长度被置于均匀来流中,剩余部分被置于静水中.考察的均匀来流的有3种,分别为U=0.2、0.4、0.6 m/s,其中流速为0.6 m/s的情况与Francisco的标准实验一致.数值计算结构显示流速的变化会导致立管的泻涡频率发生变化,进而影响立管的振动频率,流速越高立管振动模态也越高.     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

剪切流下海洋立管涡激振动的三维数值模拟

对1根长为9.68 m的三维海洋立管涡激振动现象进行流固耦合模拟,立管的长径比为482,来流为剪切流。通过在立管长度方向上施加一固定的顶部预紧力,来更好地控制立管变形。三维粘性、不可压缩流体场采用非稳态的N-S方程和k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法 System Coupling实现流-固耦合交界面的数据交换。模拟结果与均匀流模拟结果相似,反映了多模态的振动特性,说明这种方法有一定的可行性。立管脱落呈现多种涡结构模式,稳定后呈"2S"。立管出现大的非对称弯曲变形现象,介于1阶模态和2阶模态之间转换,最终锁定在2阶模态。     

涡激振动影响下细长海洋结构物的阻力特性

利用柔性圆柱体涡激振动水池模型试验对细长海洋结构物发生涡激振动时的阻力特性进行研究。利用试验测得的圆柱体模型顺流向平均弯曲应变,结合梁复杂弯曲理论,计算出模型各截面处的平均阻力,获得沿模型轴向分布的阻力系数,分析涡激振动影响下细长海洋结构物阻力系数的变化特性。研究结论表明:均匀流下细长海洋结构物的阻力为非均布载荷,涡激振动对阻力系数具有放大效应,导致阻力系数在1.4~2.5之间变化。     

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。     

深水立管涡激振动非线性响应及疲劳分析

对于深水立管,研究其在均匀流作用下,考虑流固耦合时的涡激非线性动力响应及疲劳损伤分析。采用有限元方法,建立立管模型。计算均匀流产生的升力时,考虑流体速度与立管之间的相对速度。利用Newmark-β法对立管进行时域内的涡激响应分析,同时通过幅值谱对立管进行频域内的分析,得到涡激振动的主要模态。     

振荡来流下柔性立管涡激振动响应特性试验研究

在顶部浮体的带动下,悬链线立管的动力响应会诱发其周围产生相对来流,而这种振荡来流将激励立管悬垂段产生“间歇性”的涡激振动。文章在海洋工程水池中对不同最大约化速度URmax、KC数组合下的振荡来流作用下的柔性立管开展模型试验研究,利用光纤应变片测量模型的涡激振动响应。结合模态分析与小波变换对试验数据进行分析,讨论并总结了最大约化速度URmax以及KC数对涡激振动位移幅值响应特性的影响规律。文中进一步分析发现振荡来流下的涡激振动响应还存在“迟滞”及“高阶谐频”现象。     

3个附属控制杆对立管水动力影响的CFD模拟

针对3个附属控制杆对深海立管的水动力影响问题,应用CFD大涡模拟方法模拟得到Re=1×105时附属控制杆在来流角α、直径比d/D和间距比G/D的不同参数组合下,升力、阻力和斯特劳哈尔数的变化规律以及立管绕流近壁区的流动特征。研究结果表明,附属杆的存在会干扰立管后方流场,引起尾流结构和涡脱落模式的改变,从而造成流体升力、阻力的变化。随着来流角α的增大,α在30°~60°时抑制效果较好,顺流向的阻力和横流向的升力均大幅减小;间距比G/D取0.2~0.3时附属控制管的布置方式对立管所受交变力的抑制效果最为明显。     

深水陡波形立管的力学性能及参数敏感性分析

以某深水陡波形布局的立管为研究对象,基于柔性杆理论,建立立管运动方程,编写相应程序,进行立管力学性能计算,并将结果与专业海工软件Orca Flex的计算结果进行对比,验证其正确性与精度。再利用编写的程序对立管陡波形布局下总体布置参数进行参数敏感性分析,得到浮力因子、浮子段长度、浮子段初始位置及海流对立管初始位形、弯矩及有效张力的影响,可以为陡波形立管的总体布置设计提供参考。     

柔性管异形表面结构对其涡激振动影响的数值研究

涡激振动（VIV）是导致海洋立管疲劳破坏的主要诱因,因此,抑制振动是立管设计需关注的重要内容。本文通过运用双向流-固耦合数值计算方法,开展翼型管、纹理管与光滑管的涡激振动响应特性的对比研究,探讨扰流翼板与表面纹理等异形表面结构对涡激振动被动抑制的有效性。计算结果表明：异形表面结构能够有效降低柔性管体的振动响应,缩短锁振区间,并且影响尾流区泄涡发放模式,减小管体流体力系数,起到明显抑制管体涡激振动的作用,且在较高的速度工况下,这种抑制效果更加显著。该研究可为采用被动式振动抑制的翼型管和纹理管等异形结构的海洋立管设计提供一定的理论参考。     

剪切流作用下立管涡激响应的研究

为研究剪切流作用下立管的涡激振动问题,文章建立了三维立管的涡激动力响应方程,顺流方向的力通过Morison方程求解;横向涡激力采用改进的尾流阵子模型求解,考虑了附加质量的变化;轴向力的计算考虑平台升沉运动的影响。采用有限单元法离散控制方程,离散后的方程采用Newmark-β法在时域求解。在此基础上,研究了剪切流作用下立管的多模态涡激振动响应,讨论了剪切参数对立管涡激动力响应的影响,并比较了均匀流和剪切流条件下立管不同的响应特征。结果表明,剪切参数对立管的涡激响应动力响应有很大的影响,剪切流条件下立管呈现的多模态响应极为复杂,与均匀来流条件下的振幅和频率响应特点明显不同。     

深海中立管群的锁住现象

对于深水立管群在高雷诺数下的涡激振动的锁住现象作了系统的试验研究,发现立管群在垂直于来流和顺流两个方向上的固有频率之比、中心管和卫星管的直径、数目、配置方式及来流攻角等对立管群的锁住范围、振幅、运动模式等有很大影响,其稳态阻力系数高于只能在一个方向运动的值。还研究了立管群表面粗糙度及来流中的湍流度的影响。发展了立管群在锁住时的静态、动态响应和应力分析的三维计算程序。考虑了顶部偏移运动和所施张力的影响。计算程序可适用于沿立管全长有中等程度变化的海流。可给出锁住时的最大振福及最大应力分布。     

柔性跨接管安装的三维力学分析

文章对柔性跨接管在三维空间中使用下放缆绳的安装做了相应的力学分析。根据悬链线理论,可以首先获得整个安装系统（缆绳及柔性管）的初始形态（仅受重力作用时）。其最终形态可以根据一迭代过程,使用力的平衡及协调性要求作为收敛准则来得到。通过有限单元离散法,可得柔性跨接管的内力,曲率半径及相应的位移值。为了验证文中提出方法的正确性及可靠性,将此得到的结果与OrcaFlex有限元模型得到的结果进行了对比。同时该文对两端下放缆绳的长度差对柔性跨接管最小曲率半径及最大轴力值的影响也做了一定的研究。该方法能够给实际工程中柔性跨接管的安装提供一定的参考。     

柔性跨接管安装的三维力学分析（英文）

文章对柔性跨接管在三维空间中使用下放缆绳的安装做了相应的力学分析。根据悬链线理论,可以首先获得整个安装系统(缆绳及柔性管)的初始形态(仅受重力作用时)。其最终形态可以根据一迭代过程,使用力的平衡及协调性要求作为收敛准则来得到。通过有限单元离散法,可得柔性跨接管的内力,曲率半径及相应的位移值。为了验证文中提出方法的正确性及可靠性,将此得到的结果与Orca Flex有限元模型得到的结果进行了对比。同时该文对两端下放缆绳的长度差对柔性跨接管最小曲率半径及最大轴力值的影响也做了一定的研究。该方法能够给实际工程中柔性跨接管的安装提供一定的参考。     

缓波型柔性立管涡激响应数值模拟

缓波型柔性立管的涡激振动问题是当前海洋工程界的研究热点.本文基于Milan尾流振子模型,通过Or?caFlex软件及悬链线方程,考虑缓波型柔性立管的几何非线性及三维效应,基于等效原则将缓波型柔性立管转换为直立立管进行分析,同时探讨了不同浮子段覆盖率对缓波型柔性立管涡激振动特性的影响规律,给出了立管不同轴向位置处的运动轨迹,为揭示缓波型柔性立管涡激运动特征提供了借鉴.     

软土地基沉管隧道变形观测的实践

结合甬江隧道变形观测的实践,论述了沉管隧道变形观测方案的设计与实施、观测数据处理与变形分析,提出了影响观测精度的主要问题及对策,以提高沉管隧道变形测量精度。     

内孤立波作用下半潜式平台耦合动力分析

内孤立波能引发突发性强剪切流,严重威胁半潜式平台和立管的正常作业。当前研究在分析半潜式平台与内孤立波的相互作用时多忽略平台与立管、系泊之间的耦合效应,分析结果与真实海况结果有一定误差。本文基于内孤立波eKdV理论,结合Morison公式,提出了一种可以分析内孤立波作用下半潜式平台-立管-系泊耦合动力响应问题的方法。研究表明:时域耦合分析下平台动力响应明显增加,立管位移幅值远大于非耦合分析情况,并在复原回归到初始位置后,继续跟随平台做振荡运动,立管应力较非耦合分析情况所增加,且上层流体的立管节点应力的增加量较下层流体中立管节点应力多。     

深水立管波致疲劳分析的确定性方法

采用Longuet-Higgins法将表征长期海况的波浪散布图分解为单个规则波的散布图,以此进行深水立管的疲劳分析,并与雨流法的计算结果进行了比较。结果表明,该方法可以准确捕捉最大疲劳损伤发生的位置,计算得到的疲劳寿命和雨流法的结果较为接近;且随着离散的精细,其结果和雨流法的结果越加接近。该方法计算速度快,占用硬盘空间少,可用于初始设计阶段立管的疲劳分析及疲劳参数敏感性分析。在疲劳分析的校核阶段,该方法因计算结果是保守的,依然可以应用。     

压力载荷下非粘结柔性立管应变影响因素分析（英文）

基于Abaqus/Explicit准静态和质量放大方法研究了一类典型非粘结柔性立管在压力载荷作用下应变响应特性,对影响立管整体轴向延伸率和绕轴向扭转角度的因素进行了分析。数值模型计入金属层实际截面形状、铺设角度以及几何、接触、材料非线性。计算结果表明:数值解与理论值吻合较好;立管端部边界条件对轴向延伸率影响不大但对绕轴向扭转角度影响较大;抗压铠装层为径向压力主要受力构件,其铺设角度虽然对压溃性能不大,但在应变分析中不可忽略;拉伸铠装层铺设角度对应变影响同样较大。文中数值方法可弥补理论方法限定在小位移、小变形范围,无法计入层间摩擦、材料非线性及初始制造椭圆率等缺陷。