考虑管土作用海底管线涡激振动数值分析

论文摘要

随着海洋工程建设发展的强劲势头,海洋管线的用量也大幅度上升。管跨的涡激振动是决定海底管线的使用寿命、引发管跨疲劳失效的主要原因,也是对管跨进行可靠性设计、可靠性评估工作所要面对和解决的主要问题。在近岸和离岸工程中的海底管线基本都需要土的支撑和保护,用非线性边界模拟土壤对管线的作用则更贴切实际情况,能够更加准确的分析海底管线悬跨段在水流作用下的涡激振动响应,从而使管线应力分布,管线的振动响应分析更加可靠合理,为海底管线疲劳破坏机理以及使用寿命分析提供更为可靠的科学依据。本文对考虑土壤边界条件的海底管线涡激振动进行数值模拟。将VIVANA模型与梁单元结合建立海底管线悬跨段涡激振动（VIV）数值模型,模型中采用三种弹簧模拟管土作用,弹簧分别同不同的P-δ曲线表征。在频域内对线性边界条件下的VIV进行计算,对在计算海底管线涡激振动响应时是否需要考虑管土作用进行了探讨,并且对简支边界和管土边界条件下引发海底管线VIV的流速条件进行了研究。利用频域计算结果在时域中对非线性边界条件下的海底管线涡激振动进行求解,分析了在考虑土壤边界条件下海底管线涡激振动动力响应特征、弯曲应力分布,并且对不同流速以及土壤特性、管线掩埋情况对涡激振动的影响做了研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 线性模型频域计算方法
• 2.1 动力平衡方程
• 2.2 简化管土作用模型
• 2.3 频域计算方法
• 2.3.1 单元刚度矩阵计算
• 2.3.2 响应频率的计算
• 2.3.3 升力系数
• 2.3.4 阻尼模型
• 2.3.5 动力平衡方程的求解
• 2.4 频域计算程序验证
• 2.4.1 简支模型
• 2.4.2 受线性土壤影响的简支模型
• 3 不同边界条件对涡激振动影响
• 3.1 线性边界条件计算单元数量的选取
• 3.2 线性边界与简支边界管线涡激振动响应比较
• 3.2.1 振幅分布和弯曲应力分布
• 3.2.2 不同流速条件下的涡激振动响应特征
• 4 非线性模型时域计算方法
• 4.1 非线性边界模型的模拟
• 4.2 时域计算方法
• 4.2.1 计算框架
• 4.2.2 采用NEWMARK-β方法对动力平衡方程的求解过程
• 4.3 时域计算程序的验证
• 5 管土作用海底管线涡激振动的研究
• 5.1 非线性计算模型有效性分析
• 5.2 非线性边界条件涡激振动振动响应分析
• 5.2.1 动力响应特征
• 5.2.2 弯曲应力分布
• 5.3 非线性边界条件涡激振动影响因素分析
• 5.3.1 流速对非线性边界条件涡激振动的影响
• 5.3.2 Es/Su对非线性边界条件涡激振动的影响
• 5.3.3 H/D对非线性边界条件涡激振动的影响
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢