深水立管渦激振動響應和疲勞損傷分析.pdf

1、由于我國大量的石油和天然氣資源蘊藏于深海，因此為了滿足深海資源開采的需要，海洋立管的應用也從淺海逐漸向深海轉移。在對立管進行分析時，不能忽視的是立管的渦激振動，立管與漩渦的流固耦合作用會導致立管發(fā)生響應振動和疲勞破壞，精確地估算立管的渦激振動響應和疲勞是一個重要且困難的問題。
　　由于立管橫向振動的渦激振動占百分之九十以上，本文針對深海立管簡化后的梁模型和索模型，在橫向方向上，進行了單自由度分析，主要工作為:立管的模態(tài)分析、立管激

2、勵模態(tài)識別和激勵區(qū)域計算、立管水動力性能分析、立管響應分析和立管疲勞損傷預報。
　　對立管模態(tài)進行了分析研究。根據(jù)是否考慮立管剛度，將立管簡化成兩端絞支的梁模型或者索模型，使用分離變量法推導了兩種模型在連續(xù)質量密度和連續(xù)變化張力下的固有頻率和模態(tài)振型公式。為了對理論的可靠性進行驗證，將計算的模態(tài)分析結果與Shear7軟件的計算的模態(tài)分析結果進行比較，二者的各階模態(tài)的固有頻率和模態(tài)振型結果幾乎一致。在考慮非連續(xù)質量密度和非連續(xù)張力條

3、件下，使用WKB近似分析了進行立管模型固有頻率和模態(tài)振型計算的方法，驗證后進行實際計算。
　　對立管激勵模態(tài)和激勵區(qū)域進行了分析研究。通過比較各階固有頻率與最大、最小激勵頻率來確定立管的潛在激勵模態(tài)階數(shù)，在潛在激勵模態(tài)階數(shù)內，通過渦放頻率和模態(tài)的固有頻率相等的立管位置來決定立管的能量激勵區(qū)域。立管在能量激勵區(qū)域內受到升力的作用，在非能量激勵區(qū)域內受到阻力的作用。通過驗證，計算得到的參與振動的主要激勵模態(tài)階數(shù)與Shear7計算的一致

4、。
　　對立管水動力性能進行了分析研究。本文建立了非保守升力模型和保守升力模型，通過擬合給出了不同頻率比下的升力系數(shù)與無量綱振幅比的函數(shù)關系。另外，本文根據(jù)折合速度的區(qū)別，給出了靜水中、低折合速度下和高折合速度下的阻尼模型。根據(jù)能量平衡，推導出了無量綱振幅比的公式，使用迭代計算立管的橫向響應幅值。并計算了選取不同參數(shù)的立管橫向響應幅值。
　　對立管響應分析和立管疲勞損傷進行了預報。使用模態(tài)疊加法推導出了立管的響應計算公式，使