海洋立管分析论文

1、海洋立管分析论文 学生姓名：宋光照 指导教师：黄维平 学号：030212009056专业年级：09化学摘要：海洋立管是浮式海洋平台与海底井口间的主要连接件。作为海面与海底的一种联系通道，他也可以用于固定式平台及钻探船舶。海洋立管下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合，这样当平台或船舶在波浪作用下发生任何可能的运动时，立管就有足够的运动自由度随之运动，并在平台或船舶发生垂荡是改变其长度。由于立管是海洋工程结构系统中的重要部件，作为流场中的细长柔性管，又颇具力学特色，因此，从1950年代起，人们就开始对立管的力学特性进行研究。 海洋立管分析可分为刚性立管的载荷分析及其刚性

2、特性，刚性立管在波和流联合作用下的动态响应分析，其二为柔性立管分析。 关键字：立管 动力分析 响应 1. 立管可靠性现状研究结构可靠性理论的形成始于人们对结构工程中各种不确定性的认识，随着现代工业的发展，各种工程结构物比以往更加大型化和复杂化，影响结构安全度的因素也越来越多。结构可靠性方法基于概率论，用各种概率模型来表征影响结构安全的各相关因素，在复杂结构问题的处理上，较之确定性的分析方法，可以更为全面地反映各种不确定性的影响。海洋工程结构物在其建造、维护、生产中存在大量的不确定因素，这不仅由于它们本身复杂多样的结构形式，还与其所处的环境息息相关。较之陆地结构，海洋工程结构处于更复杂和环境条件

3、下，承受了更多的不确定性载荷。除自重等固定载荷外，如风载荷、波浪力、海流冲击力、海冰载荷、地震载荷等活动载荷、环境载荷都是随机载荷，这些载荷的随机性都必须在结构分析、设计中给予适当考虑。同时由于环境腐蚀、材料老化、海生物附着等随机因素都将导致结构构件和整体抗力的衰减，从而影响结构服役的可靠性和安全性。析时遇到的困难，相关的科技工作者发展了一种可以仅通过少量运算，便能得到在概率上替代隐式极限状态方程的显式函数，这种方法即为响应面法。响应面法的主要思想是：选用一个适当的显式表达的函数来近似替代一个不能显式表达的函数，通过尽可能少的一系列数值计算来拟合一个响应面，以替代未知的真实的极限状态曲面。2.

4、顶张力立管结构动力分析研究概述(3)若波浪与海流同时存在，由于两者的相互作用，海流会使波浪的相关特征参数如波长、波速等发生改变，尤其是海流流速与波流速度接近时这种效应就更加明显。如图2一l所示，在波浪和海流作用下，立管将会发生横向(Transverse)和顺流向(hi一line)涡激振动、顺流向的大位移振动、立管相互间的碰撞、参数激励振动等，这些都可能导致立管的断裂、疲劳等失效或破坏。归纳起来，当前对立管的研究分析主要可以分为以下几个大的方向:.涡激振动研究;.参数激励(稳定性)研究;.顺流向振动研究;.疲劳研究。这些研究都可以采用实验研究、数值模拟以及两者相结合的方式展开研究。3. 立管动力

5、特性分析4.顶张力立管顺流向振动分析顶张力立管动力响应分析方法可分为确定性方法和随机振动分析两大类。对于波浪荷载作用下的确定性方法亦称为设计波法，该法取立管结构在其服役期限内可能遇到的最危险的一维规则波作为其最大动应力的设计载荷波。这种方法最主要的是根据长期统计资料，一般取重现期为结构设计寿命一倍的最危险的波作为设计波，该法的优点在于容易计入非线性的影响以及估计流的作用，但缺点是不能考虑波浪的不规则性，并且对于设计波的周期的选择也具有任意性。一般确定性方法只计算很少的几种最危险的荷载情况。但主要问题在于如何确定最危险的载荷，因此往往要计算一系列的波浪状况，即所谓采用波浪搜索方法找最危险的波浪载

6、荷状况。随机分析法能较好的反映实际载荷的随机特性，现己被广泛应用于海洋工程结构的强度分析，特别是用于结构的疲劳寿命计算和可靠性分析。对于波浪载荷通常根据风浪的统计资料所得到的功率谱密度函数算出波浪力的功率谱密度函数或相关函数，然后再求出结构的随机响应。动力分析既可在时域内进行又可在频域内进行。在频域内分析时一般不考虑瞬态动力响应特性，只分析稳态响应，也适用于非线性的随机振动分析。时域分析可以计算瞬态的动力响应并较容易计入各种非线性的因素，主要可分为直接求解法和模态叠加法。模态叠加法主要是用于计算结构的固有频率和振型，直接积分求解法则需要考虑计算效率和计算过程的稳定性与收敛性，其中的算法是尤为重

7、要的。相对来说时域分析较频域分析精确，该法能够综合考虑拖曳力的非线性、立管与流体的相对运动、以及波浪力，缺点是计算需要较长的时间，虽然目前计算机处理速度已大大提高，但仍显不足，尤其是在时域内对立管进行随机振动分析更加耗时。频域分析法要比时域分析法快得多，所需要的时间和静态分析的时间大体相等，但必须采用线性波浪理论。由于Morison方程中的曳力项正比于水质点速度的平方，而采用频域分析法时必须将曳力线性化，这就造成精度上的误差，这也是频域分析法最大的缺点。但如果线性化技术处理精确，频域分析法将取得与时域规则波法和随机波浪法非常接近的结果。频域分析法常作为立管常规动态分析时替代时域动态分析的方法，

8、可将频域分析结果用于立管初期设计阶段，而采用时域分析对立管最终设计进行验证。当前对于立管的动力响应分析大多采用设计波法在时域内进行求解，假定波浪具有确定的波高和周期，采用一定的波浪理论计算出水质点速度和加速度，然后用Morison方程计算作用于立管的水动力载荷。对于载荷的处理又可分为线性化的和非线性化两种类型。立管的随机分析把海浪作为随机过程，选取合适的随机波浪谱按照波浪模拟方法分解为具有不同周期、不同相位、不同幅值的余弦波的叠加，然后计算立管对组成波列的动力响应。在频域对立管进行随机振动分析时采用谱分析技术，即由波浪谱得到波力谱，再由波力谱得到力管的响应谱(位移谱或者应力谱)，最后得到立管位移或者应力的相关统计信息。前面已对立管顺流向的动力响应分析进行了综述，目前对于立管顺流向动力响应的分析，研究者大都考虑到平台的静偏移，而忽略了平台的动态运动，并且将非线性拖曳力进行了线性化处理，对各种外界载荷及边界条件共同作用下立管的动力响应也缺少综合计算分析。本章将综合考虑管内流体、海流、随机波浪、浮体运动等各种载荷及边界条件共同作用以及非线性拖曳力对立管动力响应的影响，建立并求解立管非线性运动方程，详细分析计算