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深海立管涡激损伤的虚拟激励法研究

作　者: 董晓磊
导　师: 宗智；孙雷
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 深海立管 涡激振动 疲劳损伤 随机振动 虚拟激励法
分类号: P756.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-16
  1.1 本课题研究的背景及意义  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
    1.2.1 计算研究  12-14
    1.2.2 实验研究  14-15
  1.3 本文的主要研究内容  15-16
2 涡激振动介绍  16-22
  2.1 涡激振动的基本概念  16-17
  2.2 涡激振动中无量纲参数  17-20
    2.2.1 Reynodls数Re  17-18
    2.2.2 Strouhal数St  18-20
  2.3 涡激振动的特点  20-21
  2.4 小结  21-22
3 虚拟激励法理论基础  22-35
  3.1 随机振动介绍  22-23
  3.2 功率谱密度及其计算  23-28
  3.3 虚拟激励法  28-34
    3.3.1 虚拟激励法原理  28-31
    3.3.2 结构平稳随机振动求解  31-34
  3.4 小结  34-35
4 载荷谱求解  35-56
  4.1 离散涡方法理论  35-41
    4.1.1 结构绕流计算概论  35-37
    4.1.2 基本方程  37-38
    4.1.3 粘性流体二维涡方法  38-41
    4.1.4 边界条件的处理  41
  4.2 二维绕流的离散涡数值实现  41-47
    4.2.1 模型及边界的离散  41-43
    4.2.2 物体受力计算  43-45
    4.2.3 绕流中物体振动处理  45-47
  4.3 维离散涡计算结果  47-54
  4.4 小结  54-56
5 深海立管刚度阵计算  56-65
  5.1 概述  56
  5.2 有限体积法的求解  56-61
    5.2.1 索模型立管静力问题的控制方程  56-58
    5.2.2 迭代求解  58-59
    5.2.3 收敛准则  59
    5.2.4 静平衡位置求解步骤  59-61
  5.3 计算结果  61-64
    5.3.1 实验比较  61-62
    5.3.2 算例  62-64
  5.4 小结  64-65
6 深海立管的随机振动损伤数值计算  65-82
  6.1 损伤分析理论  65-67
  6.2 均匀来流下立管涡激振动疲劳分析  67-77
    6.2.1 均匀来流下立管的随机响应  67-69
    6.2.2 虚拟激励算法实验模型验证  69-74
    6.2.3 计算实例  74-77
  6.3 考虑流向的涡激振动分析  77-81
  6.4 小结  81-82
7 总结与展望  82-83
  7.1 总结  82
  7.2 展望  82-83
参考文献  83-86
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  86-87
致谢  87-89

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 海洋学 > 海洋工程 > 海下工程 > 水下管道
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