海洋立管涡激振动

海洋立管涡激振动

动力特性及动力响应研究

报告人：郭海燕中国海洋大学工程学院

在各大洲大陆架的不同工作水域有各种类型的近海工程结构物，主要应用于海底油气资源的勘探和开发。但不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用海洋立管。海洋立管简介

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，它也可用于固定式平台及钻探船舶。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。因此，立管系统本质上是连接水面浮式装置和位于海床的海底设备的导管。海洋立管简介海洋立管类型

立管所承受的海洋环境荷载主要有风、浪、流、冰和地震荷载，其中由风引起的波浪和海流是最主要的荷载。当波浪和海流行经立管时，在一定的流速下，可在立管两侧交替地形成漩涡,引起涡激振动。海洋立管承受的海洋环境荷载涡激振动参数漩涡脱落与雷诺数的关系漩涡脱落作用在结构上的荷载

如果结构以漩涡脱落频率或与它相近的频率，并垂直于自由流的方向振动，那么这种振动就能够：1．提高漩涡的强度；2．提高尾流在结构支承跨距方向的相关程度；3.迫使漩涡脱落频率改变到结构振动频率，如果振动频率是脱落频率的倍数或约数，那么这种连锁响应也能够产生；4.提高曳力。所有这四种因素的组合作用，使振动物体后面的脱落的漩涡变得更强和更规则，因而使作用在物体上的脉动力增加，物体的振幅增大。锁振（Lock-in)DNV模型LIC模型UCL模型NTH模型MARINTEK模型MIT-Triantafyllou模型MIT-Vandiver模型尾流振作模型相关模型涡激振动模型涡激振动分析软件SHEAR7VIVA

SHEAR7软件是由麻省理工学院的J.Kim.Vandiver教授组织编制的，通过约化速度和自振频率来确定激活的模态以及激活的区域，升力系数与振幅和约化速度有关，总反应是各个模态的叠加。SHEAR7软件可以模拟剪切流的作用，同时也适用于多模态涡激振动问题。

它是在麻省理工学院的M.Triantafyllou教授指导下，通过大量实验所获得的数据包括对光滑圆柱体和与实际立管截面相同的圆柱体的实验，编制而成的。该软件可以用于计算刚性立管、钻井立管、钢悬链线立管和惰性波浪立管，也可用于变径的立管。涡激振动分析软件引入如下假设：1假设波和流沿同一方向2管内流体以速度作恒定向上流动3立管为线弹性体分析立管在YOZ平面内的运动

海洋立管分析模型图1管壁单元受力图2管内流体单元受力海洋立管受力分析（1）海洋立管振动微分方程通过对图(1),(2)进行分析，得到海洋立管振动微分方程：——升力振子系数，且——为对应于定态圆柱体的横向升力系数幅值

——漩涡脱落频率——非线性项中的小参数

——模拟管道对流体的作用，（2）MatteoLucaFacchinetti尾流振子模型联立方程(1)及(2),得到管道与流体的耦合振动方程：(3)(4)海洋立管涡激振动耦合振动方程

用Hemit插值函数对耦合振动方程进行离散，并将单元矩阵进行集成，得到总体坐标下的耦合振动方程有限元形式：

（5）（6）

式(5),(6)表征了管道涡激振动自激的特性，尾流振子的振动引起管道的振动，反过来，管道的振动又对尾流有一个反馈作用。海洋立管涡激振动有限元形式输入初始信息单元自动划分计算计算固有频率计算定初始值计算计算管道的位移、速度及加速度，并保存计算,并修正计算振动稳定否增量循环结果输出是

可以采用Newmark时程分析法及迭代法来求解方程(5)和(6)。由于管道的附加阻尼是随管道的位移而变化的，所以在每一个荷载步中都要对阻尼矩阵进行修正。程序计算框图图3管道位移包络图

(本文计算结果）

图4管道位移包络图（C.T.Yamamoto计算结果）程序验证图5立管频率图

海洋立管动力特性研究图6立管中点的位移时程曲线图

图7管道位移包络图

Uc＝0.23V=0P=1MPaT=200KN海洋立管动力响应研究图8立管中点的位移时程曲线图图9管道位移包络图

海洋立管动力响应研究Uc＝0.23V=3P=1MPaT=200KNUc＝0.23V=3P=1MPaT=200KNH=0.5mTw=15s

图10立管中点的位移时程曲线图图11管道位移包络图

海洋立管动力响应研究1

立管的频率随着管内流速的增加而减小，减小的幅度不大；随着顶张力的升高