（工程力学专业论文）深水立管的水动力分析与抑制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近几年，随着陆地与浅海储油量的下降，人们不得不把开采的目光投向深海。而立 管系统是海洋工程的重要组成部分，同时也是海洋工程中最薄弱的构件之一，如何设计 符合要求的深水立管是进行深水开采要解决的首要问题。 本论文分为五部分来对深水立管进行介绍与分析： 第一部分主要从研究深水立管的必要性、存在的力学问题以及目前针对这些力学问 题国内外学者研究的现状来概括性进行了介绍。 第二部分从最基本的波浪理论出发，讨论了线性波浪理论和斯托克斯波浪理论的基 本方程及其推导，介绍了海洋工程结构物中小尺度构件的波浪力计算方法。在计算小构 件的波浪载荷时，介绍了m o r i s o n 公式、波浪理论的选取以及拖曳系数和惯性系数的确 定等。 第三部分从理论解析方面对考虑波流作用下t t r 的动力响应问题进行了分析。首先 通过对实际问题的简化建立力学模型和振动方程，然后采用振型叠加法来完成对问题的 求解。 第四部分运用a b a q u s a q u a 对不同水深下的顶张力立管( t t r ) 进行水动力分析，发 现在1 5 0 0 m 水深时t t r 存在严重的工程问题。在水深为1 5 0 0 m 的工况下对t t r 添加了浮 筒，并对在不同张力比和浮筒直径时的浮筒的效果进行了评估，最终给出了合理的张力 比和浮简直径。 第五部分运用a b a q u s a q u a 对j z 9 3 w 平台的膨胀弯进行了整体分析，并针对膨胀弯 柔性接头存在的力学问题提出了安装限弯器的必要性。通过对添加柔性接头的限弯器进 行效果评估，。最终证明了限弯器能够减轻柔性接头处的应力集中程度和消除过度弯曲现 象。 。 关键词：深水立管；浮筒；膨胀弯；柔性接头；限弯器 深水立管的水动力分析与抑制 d e e p w a t e rr i s e rh y d r o d y n a m i ca n a l y s i sa n ds u p p r e s s i o n a b s t r a c t w i t ht h er e c e n td e c l i n eo ff o s s i lf u e lr e s e r v e s ，b c i t ho nl a n da n di ns h a l l o ww a t e r , d e e p - s e ao i ld r i l l i n gh a ss e e ni n c r e a s e da t t e n t i o n t h er i s e rp i p e l i n es y s t e r nn e c e s s a r yt o e x t r a c tt h i so i lc u r r e n t l yp o s e sac h a l l e n g et om a r i n ee n 西n e e r s ：h o wt oe f f e c t i v e l yd e s i g ns u c h ap i p et h a tm e e t st h en e e d so fd e e pw a t e ri n s t a l l a t i o n ? t h i sp a p e rs e e k st oa n s w e rt h a t q u e s t i o n t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s t h ef i r s ti n t r o d u c e sa n de x p l a i n st h er e a s o n sf o r s t u d y i n gd e e pw a t e rr i s e r s ，t h em e c h a n i c a lp r o b l e m sf a c i n gt h e m ，a n dd e s c r i b e sp r e v i o u s r e s e a r c ho nt h es u b j e c tc o n d u c t e da r o u n dt h eg l o b e t h es e c o n ds e c t i o ne x p l a i n st h er e l e v a n t w a v ef o r c ee q u a t i o na n di t sd e r i v a t i o nb a s e do nt h el i n e a ra n ds t o k e sw a v et h e o r y i ta l s o i n t r o d u c e sam e t h o df o rc a l c u l a t i n gw a v ef o r c e so ns m a l la n dm e d i u m s i z e dm a r i n e e n g i n e e r i n gc o m p o n e n t s t od ot h i s ，w ei n t r o d u c et h em o r i s o ne q u a t i o na n dt h eb a s i sf o r s e l e c t i o no fa p p r o p r i a t ed r a ga n di n e r t i ac o e f f i c i e n t s t h et h i r dp o r t i o no ft h ep a p e r d e s c r i b e sd y n a m i cr e s p o n s ep r o b l e ms o l v i n ga sa p p l i e dt ot o pt e n s i o nr i s e r s ( t t r ) u s i n g w a v ea n dc u r r e n tt h e o r y t h r o u g ht h eu s eo fam e c h a n i c a lm o d e la n de q u a t i o n sc o m b i n e d w i t ht h ev i b r a t i o nm o d es u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，w ea r ea b l et oc o m p u t eas o l u t i o n t h ef o u r t h s e c t i o nu s e sa b a q u s a q u at oa n a l y z et h ed y n a m i c so ft t r sa td i f f e r e n tw a t e rd e p t h s a t ad e p t ho f15 0 0 m ，w ea t t a c hb u o y st ot h ep i p e l i n et oa s s e s st h ee f f e c t so fv a r y i n gt e n s i o n r a t i o sa n db u o yd i a m e t e r sa n dp r o v i d er e a s o n a b l ev a l u e sf o rt h e s eq u a n t i t i e s l a s t l y , t h e f i n a ls e g m e n tu s e sa b a q u s a q u at oa n a l y z et h ee x p a n s i o nb e n do fj z 9 3 wp l a t f o r m ，a n d e x p l a i n st h en e e dt oi n c l u d et h eb e n d i n gc o m p o n e n ti nt h el i s to fm e c h a n i c a li s s u e sf a c i n g f l e x i b l ej o i n t s t h r o u g hp r o p e re v a l u a t i o no ft h ee f f e c to ft h i sb e n d i n gc o m p o n e n tw eh o p et o r e d u c es t r e s sc o n c e n t r a t i o n sa n de l i m i n a t eo v e r - b e n d i n go ff l e x i b l ej o i n t si nt t rp i p e l i n e s t h i si n f o r m a t i o nw i ub e 嘶t i c a lt of u t u r ed e v e l o p m e n to fd e e p w a t e ro i le x t r a c t i o np i p e sa n d w i l lh o p e f u l l yh e l pm e e tt h ew o r l d se n e r g yn e e d s k e yw o r d s ：d e e p w a t e rr i s e r ；b u o y ；e x p a n s i o nb e n d ；f l e x i b l ej o i n t s ；b e n dl i m i t e r i i 大连理工大学学位论文独创性声明 。作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，一也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目一一j 域量敏睦童啤辑一二一一二 作者签名：j 簪0 靼l 一 日期：埤年j l 月j l 日 。 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：二监k 蒸蕾细4 婚她垃醯4 鲁拦趾瞄二一 作者签名： 导师签名： 日期： 2 凹年l 月_ 2 l 日 日期：一越3 年厶月丝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论- 。 1 1 深水立管的研究目的与意义 ， 随着世界经济的发展，世界各国对能源的需求也越来越大，而陆地上的能源开采已 经不能满足生产与生活的需要，所以发达国家纷纷把日光投向海洋能源的开发上来，比 如：美国早在1 9 8 5 年就率先制订了全球海洋发展战略与规划，英国海洋科技协调 委员也发表了( 9 0 年代英国海洋科技发展报告，日本政府制订了面向2 l 世纪海洋 开发推进计划。发达国家已经拉开了海洋开发和竞争的帷幕：海洋成为各国竞争的主 要能源领域。我国在“九五，期间正式启动了国家8 6 3 高技术计划海洋领域项目， 这标志着我国进入了国际海洋开发的行列。j 近1 0 年，随着勘探和开采技术的不断发展，油气田开采领域己由浅海步入到深海， 开采水深从几十米的浅水到几千米的深水和超深水。在国外2 0 世纪末就开始对贮油丰 ，富的墨西哥、坎普斯湾、北海和西非等深水海域进行了探索和开采，到目前已经形成了 一套成熟的深水开采理论和技术；在国内目前的海洋开采水域主要是平均水深为2 5 m 的 渤海领域，还没有具备对深水开采的能力，而我国南海具有丰富的油气储存，约2 3 0 - 3 0 0 亿吨石油地质储量急需开发，但南海的平均水深达到2 0 0 0 多米，并且海洋环境极为复 杂，所以目前形成的浅水开采的理论和技术不能满足对南海油田的开发，因此对深水开 采的技术和理论的研究有重要的工程意思。 。海洋立管是海洋工程的重要组成部分，同时也是海洋结构中最薄弱的构件之一。它 起着连接水面浮式装置与海底设备( 如井口、p l e m 、总管) j 进行油汽输送的作用。随 着石油工程不断向深海开发，对海洋立管的要求也不断的改变。如何设计与环境荷载和 上端平台相匹配的立管是海洋工程中重要任务。海洋立管按照材料分可以分为刚性立管 和柔性立管，按照线型分可以分为顶张力立管( t t r ) 、刚悬链线立管( s c r ) 、惰性s 立管、陡峭型s 立管、陡峭型波浪立管等。就目前来说，国外运用最多的深水立管就是 顶张力立管、刚悬链线立管以及柔性立管。顶张力立管一般用在水深不超过1 5 0 0 m 的张 力腿和s p a r 平台上，主要进行油气的输送和油田的开采；而s c r 柔性立管由于结构上 和材料上的优点，已经被国外用于深水以及超深水的半潜式和大型浮体( f p s o ) 中进行 油气的输送和流体的注入和输出。 ， 由于深水立管与浅水立管的主要区别就是刚度很小比较柔，所以波浪和海流等环境 荷载引起的水动力问题成为设计分析的关键问题，同时加上环境荷载的复杂化、几何的 非线性以及边界的各种耦合使得在立管的水动力问题成为设计的难点问题。目前常用的 深水立管有t t r 、s c r 和柔性立管，但它们都存在各自的工程问题，比如：t t r 存在顶端 张顶力过大引起的强度破坏，立管下端附近弯矩过大引起的刚度破坏、以及交变荷载( 波 深水立管的水动力分析与抑制 浪和海流) 引起的顶端疲劳破坏等问题；s c r 存在顶端弯矩与触地点弯矩过大以及交变 荷载和浮体运动引起的顶端与触地点疲劳问题；柔性立管存在抗拉和抗压性能差以及接 头处存在应力集中和过度弯曲的工程问题。海洋工程为了解决深水立管存在的工程问题 一般都采用两种途径：一是通过设计深水立管的本身来满足设计的要求，这种方法虽然 满足了设计要求但是具有实现困难和造价高的缺点；二是在保证立管大部分满足设计要 求的情况下，通过在危险截面添加辅助构件来使得整个立管满足设计要求，- 这种方法既 满足了设计要求也降低了造价，它是目前常采用的方法。 海洋工程中常用到的辅助构件有浮筒和防弯器。浮筒能够提供浮力来降低深水立管 自重导致的顶端顶张力、触地点附近弯矩以及变形过大的问题；防弯器具有加强和过度 接头处的刚度以及控制管道线型的作用，从而降低了柔性接头处的应力集中和过度弯曲 现象，最终防止了柔性接头发生强度、刚度以及疲劳破坏。 - 从上面的介绍可以知道随着水深的增加在对深水立管的设计中立管的动力分析变 的有为重要，同时也知道目前对深水立管的设计主要采用采用第二种途径，所以如何设 计出符合实际要求的辅助构件也是深水立管设计的关键。 1 2 国内外研究的现状， 海洋立管系统是油气开发系统中最薄弱的构件之一，也是海洋石油开发的“瓶颈 问题。在复杂的海洋环境荷载、功能荷载以及意外荷载下，如何设计出满足安装、在位 生产的深水立管是保证深水开采的关键环节。在深水立管的设计方面，立管的静动力分 析是进行设计的必要步骤，而立管的静力分析可以通过已有力学理论和通用商业软件得 到很好的解决，但是立管的动力问题涉及到几何非线性、：接触、。荷载的不确定性以及材 料的非线性问题，所以很难运用现有的手段来解决。目前国内外对深水立管动力响应的 研究主要集中在一下三个方面： ( 1 ) 波浪和浮体运动引起的水动力响应 ( 2 ) 海流引起的水动力响应+ 。 。( 3 ) 内流引起的水动力响应 ， 1 2 1 波浪和浮体引起动力响应， 波浪和浮体运动引起海洋立管振动是海洋立管的疲劳破坏的主要原因之一。在海洋 工程中，波浪和浮体的运动周期一般比较大，而随着水深的增加立管的振动频率成下降 趋势，一旦波浪和浮体的频率与立管的固有频率比较接近时，海洋立管就会产生剧烈的 振动，导致局部产生过大的动力响应，+ 从而发生立管的破坏。所以有必要对波浪和浮体 引起的动力响应进行分析计算。近几年来随着海洋产业的发展，从事海洋工程水动力研 究的学者也日益增多，而海洋立管有是海洋工程中重要而薄弱的环节，所以国内外学者 在这一方面也从事了大量的研究工作，但由于波浪和浮体运动引起的水动力问题涉及到 一一2 一 大连理工大学硕士学位论文 流体和结构方面的知识，再加上波浪空间和时间上的不确定性以及流体与结构、结构与 结构之间的高度耦合，所以为研究带了很大的困难。针对上面的困难，国内外对海洋立 管动力响应的研究也分为两方面：一是对载荷的研究，即波浪载荷；三是对结构响应的 研究，即立管响应的研究。 。 j ( 1 ) 立管的动力响应研究： 在1 9 6 6 年，f i s h e ra n d 。l u d w i g 口1 确定了海洋立管设计的基本特征：分析了立管在波 浪作用下动力响应问题，得出了在浅水波、海水和钻探船只运动缓和以及立管直径相对 小的假设下，动力影响并不是一个主要的设计指标，但是随着水深的加大，动力影响却 变得十分的重要。最初，在立管的研究中，由于立管的长度有限，通常被认为为梁模型， 在1 9 7 4 年，b u r k e 1 将立管考虑为梁，研究了立管响应对激振频率的敏感度，从静态解 中他得出了立管由浮体运动产生的动力响应在任何水深下都是重要的设计指标，同一时 期，n o r d g r e n h 3 开发了不伸长大振幅三维l o v e - k i r c h o f f 梁模型，认为横截面有相同的 极惯性矩，忽略旋转惯量：并且利用了有限差分法对立管进行了动力响应分析。其后， g a r d n e ra n dk o c h 强3 利用欧拉一贝努利梁方程，发展了两个几何刚度矩阵用来考虑微弱的 。几何非线性以及沿立管的张力的线性变化，同时考虑了顶端张力的周期性变化一 ：随着柔性立管受到广泛的利用，梁模型已经难以满足立管研究的需要。在柔性立管 中运用最为广泛的是n o r d g r e n h l 最早开发的细杆模型。细长的结构体单元可以看作细长 柔性杆，n o r d g r e n 提出了弹性杆理论运动方程以及对应计算机有限差分分析方法，建立 了基于结构断面不变、忽略外部扭转力的三维柔性杆运动方程的矢量表达式。g a r r e t 嘲 发展了相同主轴刚度不伸长弹性杆有限元模型，该模型允许大变形和有限的旋转，建立 了考虑长度方向的张力变化的分别用于位移及单元载荷的两种形状方程。b r a t ua n d n a r z u l 7 】忽略了弯曲刚度的影响建立了时域下的细长柔性立管的动力模型。d eo l e r i a e t a 1 8 1 考虑到柔性立管弯曲只是在支撑点的附近才有重要作用的特点，建立梁索耦合模型。 即在支撑点的附近运用梁模型而在其他部分运用索模型，该模型被用于有简单形状的柔 性立管。p a u l l i n ga n dw e b s t e r 阳3 进一步完善了弹性杆理论，考虑了水动力载荷和以及 立管运动和浮筒位移的耦合，同时在大应变的假设下进一步发展了弹性杆的运动模型。 随着有限元理论和几何大变形理论的成熟，a z a r 【l 们以及s p a r k s 1 妇对不同的参数对立 管的动力响应的影响做了系统的研究，其中a z a ra n ds o l t v e i t 运用带几何非线性的有 限元刚度法确定了水深、浮体平移、泥浆重量、顶张力以及浮体系数对立管应力底端和 顶端球节点角度的影响。 ： 从以上综述可以看出：一是对海洋立管的动力响应的研究从浅水向深水发展；二是 海洋立管的动力响应分析从对单一的参数( 水深、直径、壁厚等) 影响到对波浪、浮体 以及海流等参数的耦合分析“三海洋立管动力响应理论逐渐趋于成熟。 ( 2 ) 波浪荷载的研究： 深水立管的水动力分析与抑制 波浪和海流是海洋环境中的基本荷载，也是诱导海洋立管振动的主要荷载，如何有 效的描述它们是进行海洋立管水动力分析的前提。由于海洋环境的复杂性导致了波流在 时间和空间的不确定性，同时也给海洋立管的研究带来了很大的困难。 目前用于计算海洋结构波浪载荷的方法有设计波法、设计谱法、非线性时域分析法 和随机分析法，但在工程上经常采用设计波法和随机分析法。设计波法是用假定的等效 波代替实际不规则波。即用一个给定周期和波高的波浪代表定环境条件下出现的最大 波。再根据一种恰当的波浪理论来描述波浪的响应特征，如波浪的剖面、水质点的速度 ，和加速度等j 最后利用一般流体力学的方法得到波浪力。设计波法通过一定的波高、周 期以及一种适当的波浪理论来描述实际不规则的波，它虽不能完全反映不规则波对海洋 结构物的作用，但计算方法简便，使用方便，使用面广，常为海洋工程设计采用，同时 也是海上平台规范中规定的波浪力的计算方法之一。另一种方法是随机分析方法或概率 方法，它是建立常年对海况的统计特征上的，它将实际海面上不规则的波浪认为是由许 多具有随机相位的简单波叠加而成，各个简单波动的能量在相应的波频上的分布就构成 一个海浪谱。用此方法可以在某一置信度内得到结构的极值特征响应结果。 。 在海洋工程中根据结构物的尺寸不同，波浪力的计算方法也不_ 二样。当结构物的尺 度与波长的比值为d l o 2 时，称为大尺度物体，在计算波浪力的时候必须考 虑物体的自由表面效应和相对尺度效应，即波浪的绕射效应。 对于相对尺度大的海洋工程结构物上的波浪力的计算，。目前采用两种方法进行分 析。第一种方法，考虑绕射效应的理论分析，即绕射理论，它由m a c c a m y 和f u c h s 在1 9 5 4 年提出，它假定流体是无粘的，运动是有势的，并认为结构的存在将改变结构附近的波 浪场。第二种方法，采用所谓弗汝德一克雷洛夫假定，利用入射波压力在结构表面受压 面积上积分计算波浪力。， 一， 。对于相对尺度较小的细长柱体的波浪力计算，在工程设计中仍广泛采用著名的 m o r i s o n 方程。这是m o r i s o n 等人于1 9 5 0 年在模型试验的基础上经过大量计算提出的计 算垂直于海底的刚性柱体上的波浪载荷的一种半经验半理论的公式：该理论假定柱体的 存在对波浪运动无显著影响，认为波浪对柱体的作用主要是粘滞效应和附加质量效应。 此公式主要把作用在垂直柱体上的力分成两项：一项是与流体加速度成正比的惯性力 项，一项是与流体速度平方成正比的曳力项。公式中的曳力项是含有速度二次方的非线 性项，在对于结构响应分析，特别是考虑流体与结构相互作用时的结构响应分析时，带 来较大的困难。在_ 定条件下，往往有可能也有必要将这一非线性项线性化，现在多数 采用f o u r i e r 级数对曳力进行线性化。随着不断的应用，己存在m o r i s o n 方程的各种修 正形式，并推广应用于不同领域，包括倾斜结构，移动结构，存在波浪的流中等等。 大连理工大学硕士学位论文 在海洋工程中常常采用m o r i s o n 方程计算相应的波浪力。用m o r i s o n 方程计算波浪 荷载不仅要满足结构的相对尺寸较小而且要选定一种适宜的波浪理论和相应的拖曳力 系数和惯性力系数。要得到公式中流体质点的速度和加速度等量可采用不同的波浪理 论。波浪理论就是用流体力学的基本规律揭示水波运动的内在本质，如波浪场中的水质 点速度分布和压力分布等，为海洋结构物设计时研究作用在结构物上的波浪力，波浪引 起的结构运动等提供理论基础。波浪理论也己得到广泛的研究，主要有线性理论和非线 性理论i 线性波浪理论( a i r y 波) 是假定波浪振幅足够小：这样就可以基本忽略非线性项 而得到速度势的近似解。非线性波浪理论主要有s t o k e s 波理论、椭圆余弦波理论、驻 波理论、流函数波理论等。现有的波浪力计算大多是采用线性波理论，其形式比较简单， 使用方便。但线性波理论有其局限性，它只是在假设波幅足够小条件下的非线性波浪运 动边值问题的第二次近似解j 特别是在考虑海洋结构物的生存条件时，线性波浪理论常 j 不适用。+ 所以近些年来对s t o k e s 波浪理论的研究逐渐受到重视i 它可更准确的描述实 际波浪的运动。同时a b s ，d n v 等国的海洋平台入级规范也建议用s t o k e s 三阶波或 s t o k e s 五阶波进行海洋结构物有关强度校核和结构设计。s t o k e s ( 1 8 4 7 ) 首先采用摄动 展开的办法来求解非线性边值问题，经大量学者持续的研究发展，。形成现今称之为 ：s t o k e s 波理论的有限振幅波理论。s t o k e s 摄动展开是假定高阶解比低阶解小一个数量 级，展至越高阶之和越能完整的近似波浪运动。但由于高阶推导过程相当繁琐，目前多 采用s t o k e s 三阶波或五阶波。各种波浪理论也有其适用范围，在这方面d e a n ( 1 9 7 0 ) 作 了很多研究，从理论上分析比较了几种波浪理论的适用范围。 在计算小尺度结构波浪力中另一个关键问题是如何针对具体问题确定惯性力系数 c 0 和曳力系数c d 。多年来，大量研究表明，系数c d 同雷诺数见、k - c 数及表面粗糙 ， 度有关。因为水质点的速度和加速度与所选的波浪理论有关，所以选用的系数应与所选一 。 ， 。用的波浪理论一致。对于一般形状的结构物，为确定c n 、g ，必须进行广泛的试验和分 - 一 ， 一 析。为了使用方便，各国船级社和有关部门对c d 、c 值的选取范围做出了建议。 ， 1 2 一海流引起的动力响应 当稳定的风或海流流经结构物时，不仅会产生定常的载荷，而且还可能激发结构的 振动。激发振动的原因是：当雷诺数在一定的范围，流体流过立管时，在立管的后面形 成了“卡门旋涡”，旋涡的形成和脱落会改变立管后面的流场速度分布，从而使得圆柱 两侧产生了速度差。根据流体力学知识，速度差势必形成压力差，在涡激振动中把这个 压力差叫做升力。由于旋涡的形成和脱落在一定的雷诺数下是成周期性的，所以产生的 升力也是周期性的。升力的存在就会引起结构的振动j 这种由旋涡的形成和脱落引起的 振动工程上称为涡激振动。当海流的速度到达一定的范围，旋涡的脱落频率接近或等于 一5 一 深水立管的水动力分析与抑制 立管振动的固有频率时，涡激振动的振幅比较大。在这种情况下立管极易发生疲劳破坏， 所以对海洋立管的动力分析中，海流引起立管的涡激振动是不可忽略的。 涡激振动是流体和结构之间的高度非线性耦合，怎样准确的描述流场是研究涡激振 动的前提j 关于立管的涡激振动，国内外学者进行了大量的研究，但是由于涡激振动的 复杂性，目前涡激振动的研究还是停留在以低阶单模态的研究，并且主要以实验为主要 手段。 首先d i s f l v i o n 幻、h a r t l e n n 3 1 等讨论了涡激振动分析的计算模型，提出了升力振子 模型方法。i w a n n 钊、g r i f f i n 、s a r p k a y a 等对该模型中的回复力、阻尼以及升力系数的 非线性进行了修正，使得理论分析更好的与实验结果匹配。1 w a n 在该计算模型的基础上， 采用半经验公式法，研究了涡激振动响应预测问题。1 w a n n 司的研究表明，在涡激振动时， 当结构的振动为某阶模态时，则弹性结构单一模态的振动响应可以简化为弹性支持的刚 体结构的振动响应：并给出了系统阻尼的计算方法。1 w a n 将尾流振子模型进一步发展， 给出了非均匀结构在非均匀流场中的涡激振动响应计算的半经验公式，并分析了结构尺 寸、质量分布的非均匀性以及流速分布的非均匀性对圆柱响应幅值的影响，这些影响主 要通过对参数如结构有效质量、有效阻尼以及结构阻尼的影响，最终体现在对响应幅值 的影响上。o 。： 。 。 +， 随着涡激振动计算模型的逐步完善，v a n d i v e r n 司讨论了深水立管的涡激振动，他研 究了流体一结构相互作用、发展适当的结构动力学模型、获得高质量全尺寸响应数据、 寻找响应数据的有效分析技术、考核响应预测程序以及涡激振动的抑制和保护方法等。 a l l e n l u 刀论述了用于分析t l p 结构和钢质悬链立管的涡激振动的方法和计算程序，并讨 论了钢质悬链立管涡激振动抑制技术及其应用。t r i n a a t f y l l o u n 8 1 等针对实际深水立管 系统，较详细地论述了涡激振动的预测及分析计算方法，开发了一个实际深水立管的涡 激振动分析计算程序，并用于处理实际涡激振动问题。m a r i n t e k n 等研究了深水立管的 涡激振动，给出了一个用于计算涡激振动引起交变拉伸的数值计算程序，指出立管的横 向涡激振动引起的交变拉伸是涡激振动频率的两倍，发现在。阶拉伸共振情况下，存在 一个抑制涡激振动的“反馈效应 。最近的研究表明，以往被忽略的深水立管沿来流方 向的线内振动对立管的疲劳贡献是不能被忽略的。t r i m 通过对一个长度和直径之比为 1 4 0 0 的立管模型的实验数据分析，针对不同情形下的两类振动作了比较，包括裸管、安 装螺旋边条、均匀流、剪切流等各种不同条件，并给出相应的结论：与横向振动一样， 纵向振动也会引起光滑圆柱的疲劳，且二者在量级上是一样的。b a a r h o l m 分析了在挪威 海域所进行的大型立管模型试验的分析得出_ 些有用结论：在低流速情况下，立管的模 态由张力控制，疲劳破坏累计和流速的2 m + 1 次幂成正比：而在高流速情况下，立管的模 态由弯矩控制，疲劳破坏累计和流速的m + 1 次幂成正比。因此，在以后的研究工作中， 要兼顾海洋立管的横向振动和纵向振动。 一一6 一一 大连理工大学硕士学位论文 ：。从上面的综述可以看出对涡激振动的研究经历了以下几个阶段：二是从涡激振动的 机理入手到计算模型的建立和修正；。二是从单一的旋涡的形成和脱落的研究到流体一结 构的耦合作用的研究；三是从简单的刚性圆柱低模态的涡激振动到深水立管的高阶模态 涡激振动研究。 1 2 3 内流起的动力响应 海洋立管的长度远大于其直径，尤其是深水立管往往产生较大的侧向偏移，那么当 流体从变形管道的一端流向另一端时，流体质点会产生离心加速度和柯氏加速度，从而 使得流体动压力周期性的作用于管壁，诱发立管弯曲振动。： 早在1 8 7 6 年a i t k e n 啪1 就注意到内流对输液管道的动力特性影响。但直到上世纪5 0 年代横越阿拉伯地区的输液管道出现了严重的振动，这个问题才引起人们的注意， f e o d o s e v l 【2 玎和h o u s n e r 嘲1 针对该输油管道，分别用不同的方法研究了简支的水平管道由 于管内流体流动引起的振动特性，得到了相同的结论。h o u s e r 指出，管内流体的流动可 以降低管道的固有频率，从而引起管道低阶振型的耦合振动，当流速较小时，产生的动 力对振动的影响较小，可以忽略。但当流速较大并达到某一临界值时，会导致管道动力 失稳，如同承受轴向压力的竖杆失稳_ 样。次后国内外的许多学者对水平支撑和垂直支 撑的地上管道在管内流体流动作用下的动力特性和稳定性做了大量研究。 m jp p a i d o u s s i s 乜3 3 和n t i s s d 研究了竖向输液管道的动力特性和稳定性问题，结果表 明，当内部流体为恒定流时，在较高流速下，管道不仅发生弯曲，而且还会发生颤振现 象。实验结果也证明了内流对输液管道的动力响应的确有显著影响jw u 砼们通过建立立管 侧向运动振动数学模型，研究小弹性刚度条件下内部流体和弯曲刚度对立管动力特性的 影响，用单一扰动法求解方程，得出如下结论：内部流体流动产生的动力作用抵消顶端 张力的作用，但张力较大时，内流的作用是不明显的。对顶端张力较小的情况，由于单 - 扰动法不在有效，此时的内流影响有待研究。c h e f l 乜胡则研究了内流对自振频率和振型 的影响，如果立管顶端的张力较小，当内流流速足够大使可以显著降低立管的自振频率： 而顶端张力较大时，管内流体产生的影响较小。中国海洋大学的郭海燕等研究了一端固 定，一端简支输液管道在地震力下的反应，同时考虑管内流体流动的作用，也得到输液 管道横向振动的固有频率随管内流体速度的增加而降低的结论，同时指出，当管内流速 不大时，流速对管道的动力响应影响较小，此时可将输液管作为充满液体的管道，以简 化其动力计算。 。 ， ： 1 2 4 立管动力响应的分析方法 由于立管的动力响应涉及到大变形、非线性以及载荷的不确定性，所以用经典的解 析法很难得到问题的精确解，目前海洋工程中对立管的分析主要是采用数值解法。数值 解法一般分为有限差分法、有限元法以及有限体积法。在这三种方法中有限元法是运用 深水立管的水动力分析与抑制 最广精度最高的一种方法，尤其在对复杂的问题以及复杂的部位进行分析求解时，有限 元一般能给出比较准确的解。随着有限元理论和计算机的发展，目前在各个方向都产生 了适合各自领域的软件，这就为设计分析提供了一种更加方便的分析手段。在海洋工程 中为了满足安装和在位生产的要求；通常对立管进行两种分析，即静态分析和动态分析。 静态分析在某些情况下是一种很有效的方法，它一般在立管的响应周期不小于2 秒 和立管初步设计时被采用，在静态分析中稳流力和海洋结构物的静偏移是模拟出来的， 波浪力也是根据其相位、峰值模拟成静力。静态分析的优点是所用计算时间少，在环境 变化不大的情况下，能广泛地被用来对立管的参数进行研究，其缺点是在估算应力和挠 度时，没有考虑阻尼项和惯性项的影响，精度较低。 一。 当立管的响应周期小于2 秒，特别是当外力的激振频率接近立管自身的固有频率时， 采用动态分析的方法尤其显得重要。动态分析通常有两种办法： ( 1 ) 稳态的频域分析 ( 2 ) 时域分析 稳态的频域分析，是将控制方程中与时间有关的量都假设为y = r e 蛔的简谐函数形 式，这样可以将控制方程转化为与时间无关的方程，因此就不必去考虑立管初始状态的 瞬态响应，而可以迅速地计算出其稳态的响应。 频域分析法是求解动力分析最常用一种方法，因为它所花的时间与静态分析的时间 差不多，但能够满足工程上要求的精度。立管的频域分析首先要求控制方程必须为一线 性方程，而对于立管的水动力分析，控制方程中最主要的非线性部分就是m o r i s o n 公式 中的粘性拖曳力相对应的速度平方项，因此在采用频域分析法时，关键就是怎么处理拖 曳力的速度平方项，速度项线性化的恰当与否直接关系到求解的精度。对于这个拖曳力 项进行线性化，目前已有好多人做了大量的工作 时域分析法是所有方法中最精确的方法，它既能考虑立管的相对运动，也不需对 m o r i s o n 公式中的非线性项进行线性化处理，同时针对立管运动是大位移、小变形的特 点，对于几何非线性而引起的刚度非线性可以予以考虑。此方法的优点是精度高，接近 实际情况：缺点是对计算机的容量要求大，计算时间长。不过随着现代计算机技术的发 展，这些问题已逐步解决，现在大容量的计算机是很常见的，而且相应的软件也很多， 因此该方法现在己经被更加普遍的应用。本文也是应用通用有限元软件a b a q u s 对立管 进行时域分析。 1 一本文研究的主要内容 针对深水立管水动力分析的必要性和国内对深水立管研究的现状，本文初步探索性 的研究了在波浪和海流作用下水深参数对t t r 动力的影响，同时针对j z 9 3 w 平台处的柔 大连理工大学硕士学位论文 性膨胀弯进行了整体分析，综合讨论了刚性立管和柔性管道在波浪和海流作用下的动力 特性。在对r r 】瓜和膨胀弯分析研究的基础上，针对危险点的危险状态提出了抑制措施 ( 添加浮筒和抗弯器) ，并对不同参数下抑制构件的效果进行了评估，最终为深水立管 和抑制构件的设计提供了一定的指导意见。 本文采用理论和数值两种方法对深水立管的水动力进行了分析。在理论方面：首先 建立了立管力学模型和振动微分方程，然后通过s t o k e s 五阶波浪理论和m o r i s o n 公式对 作用在立管上的波流载荷进行了计算，最后采用振型叠加法来计算波流引起的动力响 应。在数值方面：运用a b a q u s 海洋模块中的梁单元对不同工况下的t t r 和膨胀弯进行 动力分析，同时也对添加抑制构件后的t t r 和柔性接头进行了效果评估。 深水立管的水动力分析与抑制 2 波浪荷载的计算 2 1 海洋结构环境荷载的综述 ， 海洋工程结构的环境载荷包括：风、浪、流以及地震等许多荷载。它们都是具有随 机性和不确定性的特点，通常采用现场监测的手段可以得到比较准确的环境载荷信息， 但在进行大量的探索性和验证性研究时，为了计算的方便性都采用规则波、流、风等理 论对海洋结构进行研究。 。 根据流体力学知识可以知道，流体对结构的作用主要是通过绕流方式，所以要准确 的计算波浪和海流对海洋立管的作用力，就要了解流体的绕流情况。一般流体通过绕流 作用在海洋立管的力主要有三种： ( 1 ) 流体的惯性力与拖曳力 当静止、刚性的圆柱在均匀流体中，流体以等加速度运动时，单位长度圆柱所受的 惯性力为 _ 一一一。一一 。胁三c m p 死 孚矗7 ( 2 1 ) 一一。 。j 。 、吼= = 矗 ( 2 ) j 式中；p 是流体密度；o 为圆柱直径；z 2 为流体加速度；c 0 为惯性力系数，它与长 径比l d 相关。 当考虑定常均匀流，单位长圆柱所受的拖曳力可表示为 ， g 。= c d 多譬m 掰 ( 2 2 ) 二 式中：“为来流速度；c d 为黏性阻尼系数，它与雷诺数疋相关，在疋在1 0 e 3 到 2 0 e 5 的范围，近似取c d = 1 0 1 9 5 0 年由m o r i s o n 首先提出了在定常均匀流场中，圆柱体所受到水动力为 g 二g ，+ ，g 。兰q 缈了d 2 矗t c d p 詈川玉 ( 2 - 3 ) + 。这就是m o r i s o n 公式，由于它形式简单，而且能够比较准确的计算出小尺度结构的 水动力，所以被工程上普遍应用。 ( 2 ) 黏性流体绕流时旋涡形成和脱落引起的垂直升力 当流体流过圆柱体时，在圆柱后面形成了卡门旋涡，由于有旋涡的形成，就在 圆柱体后面形成了一个速度环量，速度环量导致了圆柱体两侧的速度发生了变化，从而 形成了速度差。根据流体力学中的伯努利方程可以知道速度差会导致压力差，在流体力 大连理工大学硕士学位论文 学中这个压力差被称为升力。在一定的雷诺数下，旋涡的形成和脱落具有周期性和交变 性，从而形成了周期和交变的升力。 1 。 。 无= q 去倒2 d ( 2 4 ) 二 。 c 。为升力系数；甜为来流速度；d 为圆柱体直径；为单位长度升力的幅值。 ， 在深海工程中，海洋立管主要受的环境载荷是波浪和海流。波浪主要是通过惯性力 和拖曳力作用于海洋立管引起立管的振动；而海流主要是通过拖曳力和升力作用于海洋 立管，拖曳力引起海洋立管与来流同向的振动，而升力则引起与来流方向垂直的横向涡 激振动。 2 2 波浪理论 波浪理论就是用流体力学的基本规律来揭示流体质点在时间和空间上的速度和压 力分布，从而为研究作用在海洋结构上的波浪力和波浪引起的结构的响应提供依据。目 前存在的波浪理论主要线性理论和非线性理论，线性波浪理论( a i r y 波理论) 是假定波 浪振幅足够小，这样就可以基本忽略非线性项而得到速度势的近似解。但海洋中实际波 浪的波幅一般是有限的，有时能达到较大的数值，所以要考虑波动自由表面引起的非线 性影响。目前存在的非线性波浪理论主要有斯托克斯( s t o k e s ) 波理论、椭圆余弦波理 论、驻波理论、流函数波浪理论等。为了准确的计算海洋工程结构物所受的波浪力，就 必须对它所处海域的波浪形式和特点进行描述。下面分别对线性波浪理论( a i r y 波理论) 和s t o k e s 波浪理论给予重点的介绍。 2 幺1 基本方程与边界条件 对一般海洋工程问题、黏性、表面张力和地转( 柯氏) 力的影响很小，可以忽略。 在理想流体的假设下，通常人们都是应用势流理论描述水波问题。 假定在海底平坦、光滑、静水深度为d 的海域中有一个向前传播的波浪。设波浪传 播方向为x 正向，垂直向上方向z 正向，坐标原点位于海底：假设流体为理想流体，即 无粘、无旋并且不可压缩。此外；还假定波浪在传播过程中保持其形态不变，其运动是 二维的，具体的如图2 1 所示。 深水立管的水动力分析与抑制 图2 1 二维波浪示意图 f 嘻2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w o d i m e n s i o n a lw a v e ： 在图2 1 中，从波峰至波谷的垂直距离h 称为波高。两个相邻波峰的距离l 称为波 长，两个相邻波峰经过一特定点的时间间隔t 称为波浪的周期。设c 为波浪的传播速度， c = l t 。此外，也常使用波浪的圆频率国= 2 万丁及波数七= 2 w l 两个参数。任一波浪都 可由h 、l ( 或t ) 、d 确定，并可按不同的波浪理论确定水质点的运动。设理想流体的速 度势为矽。矿为任一点的位置及时间的函数，记为中( 为y ，z