考虑刚体摆动的钢悬链式立管出平面运动分析方法研究

发布时间：2020-06-21 10:33

【摘要】：随着海洋石油工业的飞速发展，深水油气勘探开发活动大大增加，作为联系海底油井与海洋平台的关键设备，立管系统在海洋油气资源开发中占有举足轻重的地位。钢悬链式立管（Steel Catenary Risers, SCRs）是近年来发展起来的一项新型深水立管技术，克服了柔性立管及顶张力立管在深海应用的局限性，成为深水油气资源开发的首选立管系统。涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题，由于特殊的几何形状及深水流场的复杂性，钢悬链式立管的涡激振动分析比顶张力立管复杂的多。因此，钢悬链式立管的动力学模型及涡激振动特性等方面的研究具有重要的理论意义及应用价值。 深水钢悬链式立管是一种大挠度柔性结构，尤其是触地点区域的大曲率，使普通梁模型难以准确模拟其力学特性。本文运用大挠度柔性索理论，采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟钢悬链式立管，充分考虑触地点区域的大曲率及悬垂段张力连续分布的特点，建立钢悬链式立管的复杂弯曲控制方程，并采用基于该理论的SCR动力分析程序CABLE3D求解立管的静力及动力学问题。 基于大柔性圆柱体两向涡激振动试验及由此提出的考虑结构振动及与流体耦合的涡激升力模型，本文提出了钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型，该模型不仅考虑脉动拖曳力引发的立管顺流向涡激振动，而且考虑横向流固耦合问题，研究表明，该模型物理意义清晰，能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动本质。触地点是钢悬链式立管的特征点，本文重点分析了立管触地点处的涡激振动特性，分析表明，钢悬链式立管触地点区域的涡激振动响应处于局部峰值，且频率构成较复杂，因其决定立管的疲劳寿命，因此该点应作为钢悬链式立管涡激振动分析的关键点。 针对钢悬链式立管静态位形的大曲率特点，本文提出钢悬链式立管刚体摆动模型，该模型假定立管悬垂段为绕悬挂点与触地点连线所形成的倾斜轴的刚体摆动系统，若环境荷载不在SCR初始平面内，则环境荷载与摆动轴到单元的矢径即形成力矩，该力矩为刚体摆动系统提供摆动动力，单元重力分量则提供恢复力。将刚体摆动模型以惯性力及水动力阻尼的形式与立管弯曲振动耦合，即形成考虑刚体摆动及弯曲振动的钢悬链式立管出平面运动模型，研究立管的出平面运动特性。研究表明，钢悬链式立管刚体摆动能够达到与弯曲振动相同的数量级，且其对立管下部管段的动力响应有较大影响，在钢悬链式立管的动力分析中应予以充分考虑。 本文对钢悬链式立管刚体摆动模型及触地点区域涡激振动特性的研究尚处于初级阶段，在为深水立管设计及理论研究提供新思路、新方法的同时，难免存在不足之处，更为深入的研究深水钢悬链式立管的动力特性问题还需要学术界共同的努力。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P756.2

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 黄智勇;潘志远;崔维成;;两向自由度低质量比圆柱体涡激振动的数值计算[J];船舶力学;2007年01期

2 黄维平;王爱群;李华军;;海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正[J];工程力学;2007年12期

3 黄维平;刘娟;王爱群;;基于实验的圆柱体流固耦合升力谱模型研究[J];工程力学;2012年02期

4 贾承造;;我国能源前景与能源科技前沿[J];高校地质学报;2011年02期

5 王丽勤;侯金林;庞然;刘冬雪;;深水油气田开发工程中的基础应用探讨[J];海洋石油;2011年04期

6 葛斐;龙旭;王雷;洪友士;;大长细比圆柱体顺流向与横向耦合涡激振动的研究[J];中国科学(G辑:物理学 力学 天文学);2009年05期

7 黄维平;白兴兰;李华军;;国外深水钢悬链线立管研究发展现状[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2009年02期

8 郭海燕;高秦岭;王小东;;钢悬链线立管与海床土体接触问题的ANSYS有限元分析[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2009年03期

9 郭海燕;孟丹;徐思朋;;顶部浮体激励下钢悬链线立管的动力响应分析[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2009年05期

10 方平治;顾明;;圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究[J];同济大学学报(自然科学版);2008年03期

相关博士学位论文 前1条

1 唐世振;考虑顺流向振动的深水顶张力立管涡激振动分析[D];中国海洋大学;2010年

本文编号：2723943