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《中国海洋大学》 2015年
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钢悬链线立管整体动力响应分析

毛海英  
【摘要】:立管是连接海床和海洋平台的细长柔性构件,主要用于钻井和油气输送等。在各种类型的立管中,悬链线立管因具有安装简便、成本低和适合应用于多种平台类型等优点,而在深海油气开采中得到越来越多的应用。尽管悬链线立管集诸多优点于一身,但其特殊的布置形式所带来的疲劳损伤一直是海洋工程领域的挑战性问题,尤其是海流引起的涡激振动和管土相互作用会对立管破坏产生重大影响。因此对立管在海洋环境荷载下的涡激振动及管土相互作用的研究,不仅具有重要的学术意义,而且具有重要的工程实际应用价值。根据国内外悬链线立管最新的研究进展,目前对管土相互作用及涡激振动的研究主要采用截断模型,而截断模型不能准确的估计立管触地区域的疲劳破坏。本文主要针对悬链线立管管土相互作用及涡激振动进行了整体动力响应分析。论文的主要研究工作如下:总结了管土相互作用和涡激振动相关实验及数值模拟的研究进展,并详细归纳了管土相互作用模型及涡激振动模型。给出了海洋立管受到的部分荷载及相关的计算方法。给出了管土相互作用的静力和动力分析模型,并基于粱-弹簧模型编写了立管初始嵌入海床的静力分析程序,研究了海床表面刚度SuO、剪切刚度梯度Sug及立管壁厚对立管触地区域形状的影响,研究结果表明:立管埋入泥土的区域随着Su0的减小而增大,而随着立管壁厚的增大而增大,受Sug影响较小。基于Abudeny提出的沟槽模型建立了初始沟槽,研究了动力模型中管土分离因子、最大吸力因子和沟槽最大深度的影响,研究结果表明:立管触地区域弯矩的最大值随着管土分离因子、最大吸力因子和沟槽最大深度的增大而增大。进行了立管的涡激振动试验,研究了外流流速和海床类型对涡激振动的影响。试验结果表明:立管顺流向和横向的振动应变幅值均随流速的增大而增加,在高流速下将会有多阶模态参与涡激振动;海床类型将会影响立管的涡激振动响应频率,悬垂段以一阶振动为主,顺流向出现了二阶振动,在低流速下,悬垂段和拖地段的应变均较小且相差不大,而在高流速下,砂土海床和混合海床时立管的应变要高于粘土海床,粘土海床时立管的破坏易发生在悬垂段,砂土海床时易发生在拖地段。给出了分析结构动力特性时所需要的基本方程,研究了立管的固有频率受外流流速、内流流速及模型是否截断的影响。研究结果表明:立管的固有频率随着内流流速的增大而减小,而随着外流流速的增加而增加,基本不受模型是否截断的影响。与顶张力立管不同,悬链线立管在平面内和平面外有两种不同的振型,给出了平面内外各前4阶的振型,结果表明:模态振型节点的幅值并不是常数,越靠近轴向张力大的一端幅值越大,平面外的涡激振动对触地区域影响更大些。通过编写自定义单元的方法采用尾流振子模型进行了立管的涡激振动数值模拟。在研究中引入了已建立的管土相互作用模型,研究了在考虑立管拖地段时立管的涡激振动及涡激振动引起的立管拖地段的动力响应。首先按照试验数据建立模型,将均匀流下立管的数值模拟和试验进行了对比,证明了该模型的可行性,然后计算分析了剪切流下立管顺流向和横向耦合涡激振动响应特性。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P756.2

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