顶张力立管涡激振动抑振装置性能比较

为降低甚至消除漩涡脱落引起的顶张力立管振动响应从而提高其疲劳寿命,设计了五种型式的涡激振动抑振装置,并在中国海洋大学物理海洋实验室对装有抑振装置的模型立管进行了实验研究.得到了模型立管在几种不同流速下顺流向和横向涡激振动应变时程曲线,同时为了对比分析也测量了没有安装抑振装置的裸管的响应曲线.对比分析了三种外流流速下抑振装置对立管涡激振动响应的影响,结果表明各种抑振装置对立管顺流向和横向涡激振动幅值和频率都有不同程度的降低,但其影响和有效性各不相同.     

顶张力对深水刚性立管涡激振动及疲劳损伤的影响

分析讨论顶张力对深水刚性立管在剪切流中的涡激振动响应和疲劳损伤的影响。从理论上分析张力对刚性立管固有特性的影响,并利用OrcaFlex软件建立数值模型,模拟不同顶张力系数下立管于剪切流中的涡激振动响应,同时采用S-N曲线法计算立管疲劳损伤。结果表明,顶张力对立管的影响直接体现在刚度上,立管刚度随着张力的增大而增大,因此顶张力对降低立管疲劳损伤有一定积极作用。但是随着顶张力的增大,其对降低疲劳损伤的贡献越来越小,而对立管强度储备的危害却逐渐增大。     

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。     

立管碰撞损伤状态下极限强度分析方法研究

以船与立管碰撞为研究对象,采用非线性有限元法对立管受船舶碰撞作用下的结构损伤进行分析。在此基础上考虑立管结构凹坑损伤状态,建立极限强度分析方法,并对立管有无损伤等情况进行对比分析。计算分析表明,凹坑损伤会降低立管的极限强度;减小立管壁厚会降低立管的极限强度,且壁厚对凹坑损伤立管极限张力的影响明显小于极限弯矩;顶张力在一定范围内,也可以减小凹坑损伤对立管极限强度的影响。     

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。     

波致立管疲劳损伤计算方法研究

针对波浪作用下平台运动引起的立管疲劳损伤,进行完整的频域计算方法研究。首先采用势流理论对平台的运动响应进行分析,求得平台的运动频响函数;接着采用有限元法对立管的应力响应进行分析,求得立管的应力频响函数;最后,结合立管材料的S-N曲线,采用谱分析方法对四种不同海况下波致立管振动引起的疲劳损伤进行分析,获得损伤沿立管轴线方向的分布曲线。研究结果表明：波致立管振动疲劳损伤与有义波高密切相关,疲劳损伤值随着波高的增加成指数次方增长;立管的最大疲劳损伤值通常出现在立管的边界区域。     

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。     

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.     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤分析

针对钢悬链式立管的特点,采用了简化后的振动模型,在ANSYS的CAE模块中根据悬链线方程建立了立管的有限元模型,并对立管进行了模态分析。通过对前若干阶模态进行后处理,得到包括归一化振型、斜率以及曲率的模态输入文件,将此模态文件输入SHEAR7中,进行涡激振动分析,计算出立管年疲劳损伤率。计算结果表明:立管的疲劳损伤沿着立管轴线方向呈振荡性质,且最大疲劳损伤出现在边界区域,随着水流速度的增大,立管的疲劳损伤的峰值呈上升趋势。     

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。     

整流罩对深海立管水动力影响的数值模拟研究

应用CFD大涡模拟方法,对附有整流罩的深海立管的水动力影响效果进行了三维数值模拟。对不同的弦厚比在雷诺数分别为3 900、10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数及其频谱等特性。模拟结果表明:整流罩对立管升力和阻力有明显的抑制效果,相较于光滑立管,阻力系数均值降幅最大达到24.1%,升力系数均方根值降幅最大达到81.1%。阻力系数均值随弦厚比的增加先减小后趋于平稳升力系数均方根值随弦厚比的增加而增加。对比结果显示,弦厚比为1.2~1.6时,整流罩对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

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。     

串列双立管螺旋列板抑制涡激振动的数值模拟

在波浪和洋流的作用下,深水立管两侧会出现周期性的漩涡脱落,这一现象极易引发涡激振动,使得立管出现疲劳损伤,显著降低其服役寿命。同时,当立管间距较近时,还会产生流场干涉效应。为研究立管之间的相互干涉作用及螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果,本文采用大涡模拟(LES)的方法,对Re=3 900均匀来流下的串列双立管的涡激振动响应进行三维数值分析。并针对不同的立管间距(3D,5D,8D,D为立管直径)以及附加螺旋列板的情况,建模分析了立管的水动力系数,并进一步探究了螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果。研究结果表明:对于串列双立管情况,下游立管受到上游立管尾涡和自身漩涡脱落的影响,升力系数幅值较单立管时更大。在3种立管间距工况中,立管间距为3D时下游立管升力系数最大,8D时升阻力系数接近单立管情况。附加螺旋列板能有效抑制双立管涡激振动,双立管升力系数明显减小,从而减少了立管的振幅响应。附加螺旋列板双立管之间的相互作用与光滑双立管之间的相互作用总体趋势相似。并且由于列板的分流作用,彻底破坏了立管的脱涡方式,在立管后形成了间距很小,近乎平行的尾涡。     

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。     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。     

复杂预应力对立管参激振动特性的影响分析

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的现象,提出了立管在只考虑顶端平台升沉激励引起的纯参激振动问题。基于结构预应力理论,建立了含复杂预应力的立管结构运动控制微分方程,提出了一种可适用于含复杂预应力分布的立管参激振动特性分析方法。以此为基础,应用数值计算对比了复杂预应力对立管结构的自然频率、振型等振动特性的影响。计算结果表明,复杂预应力的存在对立管结构的动力特性有着重要的影响。     

TLP平台垂荡运动对立管疲劳寿命的影响

针对海洋平台与立管接头的非线性特征,就TLP平台的一阶与二阶垂荡运动及其对立管上端点耦合产生位移,在考虑平均应力影响的基础上,基于DNV,ABS与UK等船级社规范提供的S-N曲线,讨论立管的疲劳问题.采用Goodman模型与Gerber模型进行有效循环应力分析与对比.从4种非线性接头对于立管上端点的动应力影响来看,接头节点的非线性特征,对立管应力影响较大.考虑平均应力影响,从2个模型(Goodman和Gerber)的比较来看,Goodman模型考虑平均应力影响相对保守;从平台的一阶、二阶垂荡对立管上端点的影响来看,一阶垂荡过程中,最大应力点在触地点,二阶垂荡最大应力点为立管上端点;从疲劳损失程度来看,二阶垂荡运动对疲劳寿命影响较大;从3个船级社的S-N曲线来看,DNV的S-N曲线偏于保守,ABS的其次,UK的S-N曲线得出的疲劳寿命最长.     

张紧器的结构参数对顶张式立管动力响应的影响研究

本文针对带液压气动式张紧器的顶张式立管,综合考虑浮式平台-张紧器-立管之间的运动关系、液压气柱的张力-冲程非线性关系、立管的真实截面布置以及采油树的作用,建立更加符合工程实际的三维有限元分析模型,并通过与实验结果对比验证了该模型的正确性。基于该有限元模型,研究了张紧器的结构参数对顶张式立管动力响应的影响。结果表明:活塞和活塞杆的直径以及高压气体的初始压强对立管的动力响应影响最大;低压气体的初始压强以及液压气柱和立管之间的夹角对立管的动力响应也有重要影响;在相同的环境条件下,高压气体和低压气体的初始体积对立管的动力响应的影响较小。     

向量式有限元法在管土相互作用中的应用

向量式有限元法是基于向量式力学和数值计算的一种创新性的结构行为分析方法。文章采用三种弹簧模型模拟海床,将向量式有限元法用于钢悬链线立管触地段与海床土体相互作用研究中,编制相应Matlab求解程序,计算了端部施加一定位移下立管的位形和弯曲应力,并与他人基于有限差分法及ABAQUS的模拟结果进行对比,同时运用该方法分析了弹簧模型、土体刚度、土体吸力系数等参数对立管触地段变形和弯曲应力的影响。结果表明向量式有限元法在模拟静态端部位移加载下的管-土相互作用是准确和可行的,能够直接求解变形和内力,具有相对简洁性,此方法是对立管力学行为的模拟,符合实际运动变形过程。为模拟管-土相互作用提供了新方法,同时为进一步研究实际循环载荷下管-土相互作用奠定了基础。     

深水钢悬链立管J型铺设研究

J型铺管法具有先天的深水适应性,已广泛应用于深海水域的管道铺设作业,而我国对深水管道J型铺设的研究仍处于起步阶段。本文以作为深水开发首选立管形式的钢悬链立管为研究对象,应用Orcaflex软件对立管J型铺设过程做动态分析,校核内容包括最大弯曲应力、最大等效应力及有效张力。将铺管过程分3个阶段进行立管J型铺设强度分析,得到立管受力最大铺设阶段。针对受力最大阶段,进行立管作业窗口分析,得到满足立管使用条件的环境参数。本文所开展的深水钢悬链立管J型铺设研究对推进我国深水铺管技术的发展具有实际工程意义。