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.      

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.      

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.      

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

海底悬跨管线涡激振动实验方法探讨

随着我国海洋石油开采业的发展,海底悬跨管线涡激振动的研究越来越受到重视。本文总结了海底悬跨管线涡激振动的实验研究与进展,对海底悬跨管线的涡激振动实验方法、测试技术、分析方法以及实验中可能存在的难点问题进行了详细讨论和分析;给出了波流水槽内稳定流、波浪以及波流联合作用等条件下海底悬跨管线的涡激振动实验设计原则和方法,进行了海底悬跨管线的涡激振动实验设计,实验主要关注于涡激共振由一阶共振向二阶共振过渡的模态过渡特征以及过渡范围内管线的振动特征,目前实验已在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波流水槽中完成;最后,提出了相关的研究建议。     

绒毛控制圆柱涡激振动的风洞试验研究

利用绒毛对圆柱涡激振动抑制进行了风洞试验研究。通过改变附属绒毛无因次长度L/D比(L为绒毛长度,D为圆柱外径),研究L/D分别为0.6、1.2和1.8的模型在约化速度2~40的范围内对弹性支撑大质量阻尼系数圆柱涡激振动的抑制作用。试验采用激光位移传感器采集圆柱的横向(Y)和顺流向(X)位移,并用烟线测流场以揭示流动控制机理。结果表明,三种无因次长度的绒毛对大质量阻尼系数圆柱的涡激振动都有显著的抑制作用,随着L/D的增加,圆柱Y向无因次位移及功率谱密度幅值减弱,多达73.5%的无因次位移被抑制;且随着L/D的增加,圆柱附属绒毛频率比远离原始圆柱频率比。绒毛改变了圆柱的边界层分离点位置、抑制了边界层的相互作用并改变尾涡结构,从而抑制振动。     

高阻尼比低质量比圆柱涡激振动试验研究

针对圆柱的涡激振动问题,设计开发了高性能循环水槽与超声位移传感器,研究了高阻尼比、低质量比条件下,弹性支撑的刚性圆柱的涡激振动变化规律。结果表明:(1)高阻尼比条件下,振幅主要受独立参数阻尼比、质量比的影响;低质量比条件下,振动频率随流速增大而增大,"锁定区间"较高质量比范围扩大。(2)高阻尼比、低质量比条件下,阻尼的增大会导致振幅减小且"锁定区间"变窄;但振动频率在"锁定区间"内变化趋势一致。(3)高阻尼比、低质量比有利于涡激振动的能量转化,但阻尼不可过大,否则振幅与"锁定区间"均变小,影响电能转化。     

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.     

航空发动机复合材料叶片振动疲劳特性研究

针对发动机复合材料叶片开展了振动疲劳特性研究。首先通过模态测试获得叶片结构的振型图,确定叶片在振动中应力最大部位疲劳薄弱部位;其次采用振动台施加窄带随机激励载荷,并监测其疲劳薄弱部位的应变水平,获得了复合材料叶片的振动响应及疲劳特性。试验结果显示,叶片在350με应变水平下的振动疲劳寿命为5.46×106;复合材料叶片的固有频率随试验时间的增加而降低。上述结果可为复合材料叶片在发动机中的应用提供部分依据。     

Vibration of an atomising disc subjected to a growing distributed mass

Centrifugal atomisation using a spinning disc is an effective means of producing high quality metal powder. The atomising disc frequently experiences severe vibration and produces noise. The vibration adversely affects the production of metal powder. This paper presents the first study of the dynamics of atomising discs. The disc is modelled as a plate under the excitation of a growing mass, which represents the metal stream flowing down to and spreading out on the disc. The influence of the rotating speed of the disc and the growing mass on the dynamics of the disc is investigated. It is found that the disc vibration is non-stationary with multiple frequencies that vary with time and its magnitude increases with mass flow rate of the model metal and decreases with the disc speed. One interesting finding is that the disc vibration grows like flutter in the period before the metal flow on the disc becomes steady, due to the radially growing mass.     

Experimental study on dynamic response of smooth and straked risers in tandem arrangement coupling interference effect

An experiment was conducted in a combined wave–current water flume on two tandem risers subjected to uniform flow. The riser model has an effective length of 2.0 m. The aspect ratio is 111.11. The upstream riser is smooth and the downstream riser fitted with three-strand helical strakes with pitch 17.5D and height 0.25D. By varying the external flow velocities and spacing ratios, through comparisons with the dynamic response of isolated smooth and isolated straked riser, the paper observe how interference effect impacts the dynamic characteristics and dynamic response of two risers in tandem arrangement, reveal how the suppression efficiency of the three-strand helical strakes responds to spacing ratio and external flow velocity, and explore the wake excitation effect of inter-riser fluids on the downstream riser and their dynamic feedback to the upstream riser. The results show that the dominant frequency of the upstream smooth riser is sensitivity to the change of the spacing ratio is low, and the displacement response is offset or enhanced in different degree due to the difference of the interference efficiency. The downstream straked riser dominates frequency and displacement higher than the isolated straked riser. The wake vortex of the upstream smooth riser acts on the downstream riser, occupying a dominant position in the vibration of the downstream riser. It degrades the vibration suppression efficiency of the three-strand helical strakes: the suppression efficiency is the highest at spacing ratio of 8, being a merely 70.57%. With the increase of the spacing ratio, the CF displacement of the riser gradually decreases, and the IL displacement gradually increases. The interference efficiency partition and suppression efficiency at different spacing ratios reflects the dynamic feedback of the upstream smooth riser is much smaller than the interference effect of the downstream suppression riser.     

低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析

利用Fluent软件数值求解不可压缩粘性流体的N-S方程,研究均匀来流Re=200时弹性圆柱体的涡激振动.圆柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动方程,柱体与流体间的非线性耦合作用通过动网格技术实现.详细分析了涡激力系数、柱体位移特征值和尾流涡结构随频率比的变化关系,获得"相位开关"、"拍"等现象.考虑流向振动对横向振动影响时,圆柱体最大横向振幅为0.65倍直径.当固定频率比,而质量比或折合阻尼增大时,圆柱体流向与横向振动均呈非线性衰减趋势,但增大质量比对流向平均位移的偏离起到更好的控制效果.     

固有模态函数振动传递率损伤识别实验研究

针对风荷载、地震荷载等存在但难以精确量测的问题,提出一种无需量测外荷载的新的损伤识别方法。将经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)应用于结构损伤识别,通过求振动响应信号固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)的振动传递率,构建了一种新的结构损伤识别参数。对预置不同程度开胶损伤的玻璃幕墙试件进行动态测试,得到不同损伤程度下玻璃幕墙的固有模态函数振动传递率,与无损伤条件下的固有模态函数振动传递率进行比较来识别和评估玻璃幕墙开胶损伤程度。研究表明:此方法无需量测外荷载也能识别结构损伤,损伤参数值能反映损伤大小。     

飞机典型结构件的声疲劳实验研究

飞机典型结构件为蒙皮、框和长桁组成的双向双加筋的九格壁板结构.利用高声强行波管系统,以典型试件中心格的第一阶频率为中心、1/3倍频程为带宽的窄带随机谱激励,再现壁板结构的声疲劳破坏方式.通过原始状态的典型试件的两次预试验,发现了原典型结构件的设计缺陷.采用三种方式对原结构框的两端进行了支持加强,得到各种支持状态下的声疲劳破坏形式.     

具有弹性支承的圆管在内外部流激发下动力特性及实验研究

本文建立了具有弹性支承的圆管在内外部流激发下的力学模型.推导了内部流与静止外部流作用下圆管的耦联振动方程.提出了确定弹性系数的方法.采用振型叠加法分析圆管动力特性问题.对内部流与静止外部流情况下圆管固有频率进行了计算和测量,计算值与实验值吻合较好.另外,对内外流同时激发下圆管的固有频率进行了测量,得到若干对工程实际有用的结论.     

独塔斜拉桥的环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点.本文以吉林市临江门大桥为工程背景,通过动力试验,研究了该桥在天然脉动荷载作用下的固有特性.采用结构分析软件ANSYS建立全桥的空间模型,计算该桥的固有特性.有限元计算结果与动力试验结果比较吻合.结果表明,环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础.     

混联Ⅰ型惯容系统基于李鸿晶谱的地震响应分析

针对设有混联Ⅰ型惯容系统的耗能结构基于李鸿晶谱的响应分析较为繁琐的问题,提出求解地震响应的简明封闭解法,并研究了惯容系统基本参数对减震性能的影响。首先,建立惯容系统和结构之间的微分型本构关系,并运用复模态法和虚拟激励法获得结构系列响应的统一解。其次,将结构系列响应的功率谱密度函数精确转化为复特征值及结构自振频率平方和表示的二次分解式,进而获得响应0阶～2阶谱矩的简明封闭解。最后,通过数值算例验证了所提方法的正确性及计算的高效性,对惯容系统参数的研究表明,当惯容系数和阻尼系数越大,结构减震效果越好,而刚度系数对结构的减震效果取决于惯容系统名义圆频率与结构自振圆频率的比值,当两者比值为0.9时减震效果最好。