多用途输液立管涡激振动实验研究与疲劳分析

为研究输运不同流体的海洋立管在海流作用下的振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验分别将四种不同质量比的立管模型竖直固定于支架上,立管外部承受不同速度的流体作用,上端施加顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换对实验数据进行去噪处理,利用振型分解法求解立管各点涡激振动位移。考察输运不同流体对立管自振频率以及涡激振动响应的影响,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析。实验结果表明,随质量比增加立管涡激振动频率降低;低质量比的立管更容易产生大位移。     

深水钢悬链线立管疲劳寿命计算方法

基于悬链线理论及立管与海床接触模型,建立了一种估算立管疲劳寿命的方法,模型中考虑了深水浮式平台运动过程中立管悬链线形状的变化及触地区域海床接触刚度大小对疲劳寿命的影响。分析表明:浮式平台的运动会引起立管悬链线形状的改变以及立管内部应力的重新分布,这是引起立管疲劳损坏的主要原因;随着海床土体刚度的增大,立管疲劳寿命逐渐降低,为了获得准确的立管寿命,有必要对海底土体进行更为全面细致的研究。通过与现有分析方法比较,本方法具有计算方便快捷,结果可靠等优点。研究可为钢悬链线立管的设计分析提供一定的参考。     

深水钢悬线立管触地区力学特性数值模拟分析

通过将钢悬线立管与海床土体的相互作用模拟成为一根置于一系列非线性弹簧上的梁单元,根据海底土体P-y曲线,对钢悬线立管与海底土体之间的相互作用进行了数值模拟分析,研究了海底形成的沟槽形状、沟槽的最大深度及触地点附近立管的弯矩变化。研究结果表明:钢悬线立管在循环位移作用下,在靠近立管加载端的下部海床上形成沟槽;土体刚度越大,形成的沟槽最大深度越小;循环位移载荷幅值越大,海床上形成沟槽的最大深度也越大;随着位移载荷的逐渐增大,沟槽最大深度点的位置向远离加载端的方向移动;立管触地点附近的弯矩变化幅度从大到小排列依次为线性硬土、线性软土、非线性黏土。     

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管, 深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管, 工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题. 本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型, 系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题. 结果表明: 悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大, 在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变; 当主导模态转变时, 对应的横向振幅会发生突降, 但是当新的高阶模态被激发后, 立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大; 在相同的振动模态下, 立管底部位移均方根值随折合速度线性增加, 主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象; 特别地, 本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应, 无约束的立管底部呈现出较大的振动能量, 且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强; 本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征, 两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.      

剪切流场中含内流立管横向涡激振动特性

立管是海洋工程中输送油气或其他矿产资源的必备结构, 外部洋流引起的立管涡激振动影响着立管的疲劳寿命, 危害深海资源开发. 本文基于欧拉?伯努利梁方程, 结合半经验时域水动力模型, 建立剪切流与内流耦合作用下海洋立管涡激振动预报模型, 运用有限元方法和Newmark-β逐步积分法求解方程, 首先将数值模拟结果与实验数据进行对比, 验证模型正确性. 然后, 运用此模型, 对剪切流作用下含内流的顶张立管在不同内流速度和密度下的横向涡激振动响应特性进行研究, 主要分析了立管的横向振动模态、振动频率以及均方根位移等涡激振动参数随内流速度和密度等参数的变化规律. 结果表明, 在剪切流场中, 含内流海洋立管在横向上表现出多模态多频率的涡激振动;立管横向振动的最大均方根位移随内流速度和密度的增大而增大, 特别是当内流速度较大时, 横向最大均方根位移增大明显;立管横向振动的主导频率随内流速度和密度的增大而减小, 并且内流密度的增大同样会引起模态转换和频率转换.      

深海细长柔性立管涡激振动数值分析方法研究进展

深海细长柔性立管的涡激振动与刚性圆柱的涡激振动问题相比,既有联系又有区别.当立管的长细比(L/D)较大时,会展现出一些刚性圆柱涡激振动没有的现象.本文介绍了近几十年来深海开发的细长柔性立管涡激振动的研究进展,主要侧重于数值计算分析研究领域,对目前常用的数值分析方法进行了归纳和总结.在此基础之上,详细介绍了目前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如流场剖面的影响、立管顶端浮体运动的耦合、涡激振动抑制措施、振动多模态特性等.     

海洋立管轴向动力响应的H_∞控制

基于FDPSO-TLD的概念设计,建立了TLD系统升沉方向的动力学模型,为减小船体升沉引起的立管轴向的动力响应,采用H∞控制方法设计电动绞车实现对升沉运动的补偿,通过构造出H∞控制器和H∞观测器对立管的轴向动应力进行主动控制。通过在频域和时域内的数值仿真表明选取适当的控制参数可有效减小立管的动应力,表明了该方法的有效性和可行性。     

DYNAMIC RESPONSE OF THE CATENARY RISER IN DEEP-SEA MINING SYSTEMS 1)

基于有限元模型,模拟、分析深海采矿系统悬链线立管在海流和水面船运动约束下的动力响应。结果表明：悬链线立管的最大等效应力和最大位移随时间呈周期性变化,且存在半个周期的相位差;当水面船运动到最高点时,悬链线立管位移达到最大值。悬链线立管最大 等效应力和最大位移随水面船运动位移幅值的增加而增加,随运动周期的增加而减小。进一步对比发现,水面船运动位移和周期对立管等效应力的影响大于对其位移的影响。     

海洋热塑性增强管(RTP)涡激振动数值计算

基于Van der Pol尾流振子模型和多体系统传递矩阵法(transfer matrix method for multibody systems, MSTMM), 建立了可以快速预测海洋热塑性增强管(reinforced thermoplastic pipe, RTP)振动特性和涡激振动响应的动力学模型. 仿真结果与ANSYS软件仿真结果以及文献实验数据对比, 验证了本文模型的准确性. 研究了考虑RTP立管刚性接头, 不同顶张力, 不同来流分布等情况对RTP立管涡激振动响应的影响. 计算结果表明: 流速越大, 立管涡激振动激发出的模态越高; 立管涡激振动主要受低阶模态控制; 立管的刚性接头对立管的湿模态影响较小, 但是对较高阶模态为主所激发出的涡激振动振幅分布影响较大; 剪切流对沿立管轴向的涡激振动振幅分布影响较大, 低流速能量小所引起的涡激振动幅值较小, 但是当剪切流流速达到能激发出较高阶模态时, 相比同等流速的均匀流所引起的涡激振动振幅要大.      

考虑海底接触的钢悬链式立管触地点动力响应以及疲劳损伤分析

基于考虑接触的钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)触地点处的结构特性,分别采用了考虑管土分离的线性截断模型以及包含土体吸力效应的帽盖模型来描述P-y曲线。通过改变上端浮体的垂荡运动幅度、土体吸力系数以及海床刚度,对SCR触地点处的动力响应以及疲劳损伤特性进行了分析。分析结果表明,SCR触地点的垂向位移、弯矩、等效应力以及疲劳损伤均随着浮体垂荡运动幅度的增加而呈上升趋势。SCR触地点的垂向位移随着土体吸力系数的增大由高幅低频响应转变为低幅高频响应。SCR触地点的疲劳损伤随着海床刚度的增加呈现先稳定再增加再稳定的趋势。     

基于势流理论的内孤立波与立管作用数值研究

内孤立波是一种发生在水面以下的在世界各个海域广泛存在的大幅波浪, 其剧烈的波面起伏所携带的巨大能量对以海洋立管为代表的海洋结构物产生严重威胁, 分析其传播演化过程的流场特征及立管在内孤立波作用下的动力响应规律对于海洋立管的设计具有重要意义. 本文基于分层流体的非线性势流理论, 采用高效率的多域边界单元法, 建立了内孤立波流场分析计算的数值模型, 可以实时获得内孤立波的流场特征. 根据获得的流场信息, 采用莫里森方程计算内孤立波对海洋立管作用的载荷分布. 将内孤立波流场非线性势流计算模型与动力学有限元模型结合来求解内孤立波作用下海洋立管的动力响应特征, 讨论了内孤立波参数、顶张力大小以及内部流体密度对立管动力响应的影响. 发现随着内孤立波波幅的增大, 海洋立管的流向位移和应力明显增大. 由于上层流体速度明显大于下层, 且在所研究问题中拖曳力远大于惯性力, 因此管道顺流向的最大位移发生在上层区域. 顶张力通过改变几何刚度阵的值进而对立管的响应产生明显影响. 对于弱约束立管, 内部流体的密度对管道的流向位移影响较小.      

纳米增强预浸料缠绕立管参数敏感性分析

复合材料立管结构参数与立管力学性能存在紧密的关联性,掌握设计参数对缠绕立管力学性能的影响规律非常必要．考虑缠绕工艺引起的孔隙缺陷,基于复合材料弹性理论及孔隙微观理论模型,构建了纳米增强预浸料缠绕立管形变模型;其次,采用局部敏感度分析法,分别讨论了缠绕立管应力与位移对孔隙含量、孔隙形状、纳米颗粒含量、纤维体积含量、缠绕层数、缠绕角度及内压的局部敏感性;最终,数值结果表明：孔隙含量对轴向应力的影响局部敏感性较强,在孔隙含量为2.8 %~3.2 %之间时,轴向应力的局部敏感性数值快速从负数增长到正值;而孔隙的引入,使得其它设计参数对立管应力与位移的局部敏感性数值的变化趋势无明显影响,但大大影响了敏感性的数值大小;此外,径向位移对孔隙、纳米颗粒含量等所有参数明显不敏感．     

剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究

利用缩尺模型试验的方法研究了线性剪切流下涡激振动发生时柔性立管的阻力特性.文中基于光纤光栅应变传感器测得的模型应变信息,采用梁复杂弯曲理论计算了立管的平均阻力,继而分析了阻力系数沿管长方向和雷诺数的分布特性以及涡激振动对阻力系数的放大效应,并提出了用于估算柔性立管发生涡激振动时阻力系数的经验公式.结果表明:涡激振动对阻力系数有放大效应,使得立管局部阻力系数高达3.2;平均阻力系数在1.0×104到1.2×105的雷诺数区间内的值为1.3~2.0,并随雷诺数的增大而减小.本文提出的经验公式可准确估算高雷诺数下涡激振动发生时柔性立管的阻力系数,此经验公式考虑了流速、涡激振动主导模态以及主导频率对阻力系数的影响.      

正弦振荡来流下柔性立管涡激振动发展过程

在风浪流的作用下,海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运动,从而在立管运动方向上产生相对振荡来流,这种振荡来流将激励立管悬垂段发生“间歇性” 的涡激振动. 在海洋工程水池中对一个4m 长的立管微段进行模型试验研究,以探索相对振荡来流作用下立管涡激振动产生的机理及其发展的物理过程. 试验通过振荡装置带动模型作正弦运动来模拟不同最大约化速度U_Rmax、不同KC（Keulegan-Carpenternumber）的相对振荡来流,利用光纤应变片测量立管涡激振动响应. 结合模态分析方法处理试验数据得到位移响应时历,继而提出相对振荡来流下柔性立管涡激振动发展的3 个阶段:建立阶段、锁定阶段以及衰减阶段. 并进一步总结了最大约化速度U_Rmax,KC 对涡激振动发展过程的影响规律. 最终获得不同最大约化速度U_Rmax下,涡激振动各发展阶段随KC 所占时间分布比例图.      

基于能量传递规律的海洋立管涡激振动抑制研究

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要因素, 抑制振动能够保障结构安全, 延长使用寿命. 多数涡激振动抑制方法基于干扰流场的方式, 但在复杂环境条件下, 仅通过干扰流场对振动的抑制效果有限. 因此, 从结构层面考虑开展了海洋立管涡激振动抑制研究. 基于能量传递的理论, 阐述了立管涡激振动过程中的能量传递规律. 振动能量以行波形式由能量输入区传播至能量耗散区, 主要在能量耗散区被消耗. 通过局部增大能量耗散区的阻尼, 增加振动能量在传播过程中的消耗, 实现涡激振动抑制. 为了求解立管涡激振动响应, 构建了尾流振子预报模型, 并根据实验结果验证了理论模型的可靠性. 基于理论计算得到的能量系数, 判定立管涡激振动的能量输入区和能量耗散区. 通过对比立管增大阻尼前后的响应, 分析了涡激振动抑制效果. 研究结果表明: 在能量输入区增大阻尼对涡激振动的抑制效果并不显著; 在能量耗散区增大阻尼使能量衰减系数达到临界值之后, 能够显著降低立管上部和底部的涡激振动位移; 当能量衰减系数超过临界值后, 继续增大耗散区阻尼对涡激振动抑制效果的提升不明显.      

等曲率井中有重钻柱屈曲的非线性有限元分析

建立了等曲率井中有重钻柱屈曲的平衡方程及对应的泛函表达式，用有限元法对等曲率井 中有重钻柱屈曲过程进行了分析，给出了钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的定义. 力学模 型中考虑了重力、钻柱上端井斜角和井眼轨迹曲率半径对屈曲的影响. 分析结果表明：载荷 增大时，钻柱的下端先出现局部屈曲，随后屈曲向钻柱上部扩展，导致钻柱发生整体屈曲， 屈曲位移、井壁约束力线密度和钻柱弯矩都呈周期性变化；重力对等曲率井中钻柱的屈曲有 较强的抑制作用，其影响不可忽略；井眼轨迹曲率半径越小，钻柱上端井斜角越大则对钻柱 屈曲的抑制作用越强.     

EXPERIMENTS ON TWO-PHASE FLOW CHARACTERISTICS IN A CATENARY RISER SYSTEM WITH THE GAS AND LIQUID MIXTURE TRANSPORTATION

严重段塞流是海洋工程气液混输管线-立管系统中常见的一种特殊有害流动现象,采用水平-下倾-悬链线立管气液混输组合管道系统,通过系列实验在悬链线立管中获得了严重段塞流、间歇流和震荡流等流型,阐述了这些流动现象的形成机理,提出了能够产生严重段塞流的判定准则.结果表明,悬链线立管严重段塞流具有明显周期性,在一个周期内的流动特征可分为液塞形成、液体出流、液气喷发及液体回流等4个阶段,进而给出了各阶段中相关流动参数的变化规律.在实验中同时还对悬链线与垂直立管中严重段塞流形成机理进行了比较分析,发现两者在液塞形成阶段有显著差别.其中,在悬链线立管中液塞形成之前首先需要经历一个气液混合液塞形成过程,而垂直立管则没有这个过程.     

UKF-PID模式下动力定位海洋平台-立管系统的动力学分析

在强外界载荷下,在海洋平台-立管多体系统中的海洋平台和立管间的相互耦合作用会加强。从而导致整个系统的非线性增强。考虑到动力定位海洋平台-立管多体系统的强非线性,结合真实的海上施工工程背景和凝集质量法,基于Python镶嵌编程和OrcaFlexAPI模块的组成以及运用规则,对OrcaFlex进行了局部的二次开发,建立了一种基于无迹卡尔曼滤波的UKF-PID控制的动力定位平台-立管多体耦合系统。最终建立了无迹卡尔曼滤波模式下PID控制的动力定位海洋平台-立管刚柔多体模型,并对该模型在特定海洋环境下进行了动态仿真。计算结果对于具体工程实践有着一定的指导意义。     

气液混输悬链线立管系统两相流特性实验

严重段塞流是海洋工程气液混输管线--立管系统中常见的一种特殊有害流动现象, 采用水平--下倾--悬链线立管气液混输组合管道系统, 通过系列实验在悬链线立管中获得了严重段塞流、间歇流和震荡流等流型, 阐述了这些流动现象的形成机理, 提出了能够产生严重段塞流的判定准则. 结果表明, 悬链线立管严重段塞流具有明显周期性, 在一个周期内的流动特征可分为液塞形成、液体出流、液气喷发及液体回流等4个阶段, 进而给出了各阶段中相关流动参数的变化规律. 在实验中同时还对悬链线与垂直立管中严重段塞流形成机理进行了比较分析, 发现两者在液塞形成阶段有显著差别. 其中, 在悬链线立管中液塞形成之前首先需要经历一个气液混合液塞形成过程, 而垂直立管则没有这个过程.      

含复合铠装层的非黏结柔性立管轴对称载荷响应

针对新型含复合材料铠装层的非黏结柔性立管,推导了各向异性复合材料拉力铠装层在内、外压和轴拉力作用下的控制方程,且考虑了载荷作用下可能出现的层间间隙,建立了非黏结柔性立管的轴对称载荷响应模型。采用循环验证算法求解,获得了管道的抗拉刚度、抗扭刚度、层间压力、层间间隙等重要参数。建立了有限元仿真模型,验证了理论模型的可靠性。算例研究表明:层间间隙出现在螺旋层与圆筒层之间,不考虑间隙时,抗拉刚度的预测值较高;相较于传统的钢质铠装层柔性管,复合铠装层管的抗拉刚度以及抗扭刚度均更大,且抗拉刚度随着管外压力增大而降低程度更小,复合铠装层在柔性立管的应用中能够达到铠装层的刚度性能要求。