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随机波浪和海流作用下立管涡激振动疲劳寿命评估

王继元  
【摘要】:波浪和海流联合作用下涡激振动疲劳是立管的一种主要失效模式。立管一旦失效,会造成严重的经济损失和环境污染。为此,开展对立管涡激振动疲劳寿命分析具有重要意义。针对这一问题,本文综合考虑随机波浪、海流和平台的影响,开展典型海域顶张力立管的涡激振动疲劳寿命评估技术。论文主要研究工作和获得的成果如下。统计分析我国东海某区域随机波浪和海流的分布,获得长期海况的波浪特征参数和不同重现期下剪切流沿水深的变化规律。基于随机波浪理论和谐波叠加法,采用适用于我国海域的文圣常谱,对短期海况下的随机波浪进行模拟,获得随机波浪的时程样本,并通过自相关系数和功率谱密度,对模拟结果进行了检验,模拟结果与目标值符合良好。基于波浪谱模拟技术,考虑波浪和海流联合作用,建立了张力腿平台(TLP)多自由度耦合条件下的非线性运动响应模型,并利用Newmark-β逐步积分法求解非线性方程,获得了随机波浪和海流联合作用下TLP不同方向上的运动时程曲线,模拟结果与文献计算结果进行了对比。将平台运动时程响应作为边界条件输入,基于点涡涡强理论,改进传统的两向耦合涡激振动预测模型,利用Matlab软件编写有限元程序,求解离散控制方程,得到立管顺流向和横向涡激振动响应。模拟结果与英国BP、挪威MARINTEK的试验结果进行对比,吻合良好。在此基础上,研究了海流速度、顶张力因子以及不同海况等级对立管两向涡激振动响应的影响规律。基于随机疲劳理论、雨流计数法和Miner疲劳损伤累积准则,建立了立管在波浪和海流联合作用下疲劳损伤估算方法,得到了不同海况等级条件下立管不同方向的疲劳损伤累积规律。基于20年预期服役寿命需求,根据挪威船级社标准DNV-RP-C205分析了焊接接头和不同类型缺陷对立管疲劳寿命的影响。编制了顶张力立管涡激振动数值模拟及疲劳评估系统,并通过含表面缺陷全尺寸立管疲劳试验,验证了疲劳损伤估算方法。本文提供的立管涡激振动疲劳评估寿命评估方法可为立管设计和在役安全评估提供技术支持。


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