深海立管涡激损伤的虚拟激励法研究

发布时间：2020-06-06 16:19

【摘要】：随着陆地上能源的枯竭,人们将眼光投向了海洋,且勘探及开采领域正走向深水化。立管是连接海底钻井与海上结构的重要子系统。海洋上环境复杂,但造成立管损伤的主要因素是波浪和海流。海流作用在立管结构上时,会产生涡激振动(Vortex-Induced Vibration, VIV)。由于涡激振动的影响,会造成立管结构的疲劳破坏。立管的破坏将会给海洋油气工作带来严重后果,因此涡激振动成为了海洋工程领域的热点问题。根据实际工程的需要,本文针对深海柔性立管,借用随机振动的思想来分析立管的涡激振动问题,研究了涡激振动对立管产生的疲劳损伤。介绍了国内外在海洋立管涡激振动及其损伤方面的研究现状和本研究所处的背景及重要意义。然后对涡激振动这一现象进行了描述,介绍了其特性和重大发现。接下来对随机振动理论进行了阐述,着重详细介绍虚拟激励法的基本原理和在随机振动分析中虚拟激励法的数值计算方法,为立管涡激振动的分析提供理论支持。在立管涡激振动虚拟激励法实现之前,准备了涡激力载荷谱和结构模型的计算。针对深海立管长细比非常大的结构特性,使用索模型单元计算结构的非线性刚度阵,并验证了模型的有效性；对于载荷谱的计算有很多方法,实际海洋立管的涡激振动时流场雷诺数较高,文章主要采用的是离散涡的方法,它适合较大雷诺数的计算。涡激振动可以认为是一个随机过程,在立管离散点处的平面上考虑结构与流体的耦合作用,采用离散涡方法计算了立管二维模型在均匀海流下的涡激升力载荷,为随机振动分析提供载荷谱,用于构造虚拟激励。最终将立管的涡激振动看做平稳随机过程,采用随机振动理论中的虚拟激励法求解立管在涡激力激励下的响应。其中选取了一长细比为1700的实验模型进行计算,通过与实验对比,检验了将虚拟激励法应用于立管涡激振动的可行性和此方法的计算可靠性。以工程实际中2360m的深海立管为例,分析了其涡激振动,并基于P-M准则,对响应进行计算得到立管的年损伤率,实现了深海立管的疲劳损伤预报。
【图文】：

海洋油气,开发平台,管道,南海

图1.1为海洋开发平台的种类，可以看到其开采水深在逐渐增加。蘸蘸蘸蘸蘸蘸黔黔黯黯鬓蘸瓣瓣夔级匆瞬黝燃熬熬熬崛易~自.口舀舀黝黝黝馨缨缨馨馨图1.1海洋油气开发平台及其与海底连接的管道I2] Fig.1.1ConunonPlatfo加 5andtherisers中国有着广阔的海岸线，有着丰富的海洋资源等待开采，海上油气资源储量十分可观，其中东海海底所蕴藏的石油资源，可以与欧洲的北海油田相媲美，其所处水深2000一3000米。特别是我国的南海，有“第二个波斯湾”之称，南海所储藏的能源约占到中国

涡激振动,计算模型

大连理工大学硕士学位论文国内外研究现状涡激振动是一个复杂的流固祸合问题，它涉及到流体力学和固体力学这两个学某一单一学科可以解决的。在许多实际工程中都会碰到涡激振动的问题，像高发电立柱、悬索桥梁、海洋立管等结构物在与流体的作用下都会产生涡激振动。是造成结构损伤和破坏的重要因素。1912年冯·卡门发现了“卡门涡街”脱落律。但由于涡激振动的机理非常复杂，，至今人们仍没有完全掌握。近几十年来动问题越来越受到重视，工程界和学术界都做了大量的研究工作。随着计算机力的提高、有限元技术和计算力学的发展，涡激振动问题得到了快速发展。在涡问题中不同的预报模型对问题的处理方式有很大差别，其计算结果也不尽相同。模型大体可以分为两大类:经验模型和计算流体模型(即，CFD模型)。图振动计算模型的分类。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P756.2

【参考文献】