隔水管涡激动力响应及疲劳损伤可靠性分析

论文摘要

隔水管是海洋浮式生产系统中的重要附属设备。为了进一步探讨在波浪、海流等外载荷作用下隔水管的运动特性,以便更好地应用于工程实际中,本文对隔水管的涡激动力响应及疲劳损伤可靠性等进行了深入的研究。采用Morison方程对属于小尺度结构物的隔水管进行受力计算,其中的关键是阻尼系数Cd和惯性力系数Cm的确定。本文基于人工神经网络技术,构造具有一层隐含层的BP网络来获得合适的水动力系数。在网络中运用附加动量法和自适应学习速率进行改造,其中的影响参数选定为雷诺数Re、Keulegan-Carpenter数KC和粗糙度参数κ.另外,在涡激动力计算中还考虑了横向涡激对Cd的影响。结果表明,采用这种方法所得到的水动力系数与试验结果符合得较好。通过变分法和最小势能原理推导了隔水管的运动控制方程,该方程在顺流向和横流向上具有类似的形式。在涡激振动计算中,以Matteoluca改进的Van der Pol尾流振子模型为基础计算横流向上隔水管与流体之间的相互作用。这里的隔水管涡激动力响应问题是一个存在多重非线性的问题,首先隔水管的受力计算中存在速度的平方项;其次水动力系数的确定受很多因素的影响,是一个严重非线性问题;再者,涡激问题本身也是一个非线性问题,在流体载荷的作用下隔水管产生运动,流体和隔水管之间存在相互作用,即流固耦合非线性;另外,隔水管的运动还呈现出大位移小变形的几何非线性等等。本文综合考虑了以上各种非线性的影响,通过Hermite插值函数对隔水管的动力微分方程进行有限元离散,利用UL法描述几何非线性的影响,并采用Newton-Raphson迭代法和Newmark方法相结合的过程建立了空间隔水管非线性涡激动力响应的迭代算法。频域内分析了隔水管固有频率特征,时域内考虑了不同海流分布情况、不同波浪参数、不同顶部预张力、浮体的水平和升沉运动等任意组合的影响,给出了以上不同参数组合下相应的位移分布包络线以及横向涡激振动响应曲线。通过大量的计算实例,验证了本文计算方法及程序设计的有效性和适用性。正因为在外力作用下隔水管在平衡位置附近来回振动,使得隔水管产生疲劳损伤,严重时甚至产生疲劳断裂,造成重大的经济损失和环境污染等。因此,如果能够很好地抑制隔水管的振动,则在很大程度上可以降低危险发生的概率。针对目前的抑制装置及其研究成果,本文选择螺旋边条作为抑制隔水管涡激振动的装置。为了寻找到螺旋边条的最优形式以便于最大程度地抑制隔水管的涡激振动,本文利用Fluent软件模拟了三维空间中隔水管周围的流场,给出了不同流态下安装不同螺旋边条的模拟结果,最后建立优化模型并对模型进行分析求解得到了螺旋边条的最优形式,为其实际工程应用提供了理论依据。很多学者都只考虑涡激振动对隔水管引起的疲劳损伤进行分析,事实上,隔水管的顺向振动同样重要,尤其是水深不大的情况下。本文通过Von Mises应力处理隔水管多轴应力问题,并考虑了平均应力的影响,计算得到隔水管关键点处的应力时间历程,再根据雨流计数法、S-N曲线和Miner线性累积损伤模型估算隔水管的疲劳寿命,并采用Wirching方法进行了可靠性分析。计算结果表明,所采用的方法正确、有效,可以为隔水管的疲劳可靠性分析提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究工作的目的和意义
• 1.2 隔水管响应计算方法综述
• 1.3 涡激振动研究综述
• 1.3.1 试验方法
• 1.3.2 CFD数值方法
• 1.3.3 半经验模型
• 1.3.4 计算涡激振动的程序软件
• 1.3.5 小结
• 1.4 可靠性设计综述
• 1.5 本文的主要工作
• 2 流体载荷的计算
• 2.1 波浪和海流基本理论
• 2.1.1 波浪基本方程和边界条件
• 2.1.2 海流基本理论
• 2.2 波浪和海流引起的流体载荷
• 2.3 BP神经网络方法
• 2.3.1 神经元
• 2.3.2 网络的拓扑结构图
• 2.3.3 BP网络的改进
• 2.4 计算水动力系数模型的建立
• 2.4.1 模型的建立
• 2.4.2 输入输出层及隐含层
• 2.4.3 数据来源
• 2.4.4 初始权值及激活函数的选取
• 2.4.5 其它参数的设置
• 2.5 计算过程及其结果
• 2.6 小结
• 3 隔水管动力响应分析
• 3.1 刚性隔水管动力控制方程的推导
• 3.1.1 变形能
• 3.1.2 动能
• 3.1.3 外力作功
• 3.2 作用在单位长度隔水管上的流体力
• 3.3 轴向力的确定
• 3.4 边界条件
• 3.5 方程的离散和有限元公式的建立过程
• 3.6 刚性隔水管动力控制方程的求解方法
• 3.6.1 频域内的动力特性分析方法
• 3.6.2 时域内的动力响应分析方法
• 3.7 算例
• 3.7.1 时域内刚性隔水管动力响应分析方法的验证
• 3.7.2 频域内刚性隔水管动力特性分析及结果
• 3.7.3 时域内海流对刚性隔水管动力响应结果的影响
• 3.7.4 时域内顶部预张力对刚性隔水管动力响应结果的影响
• 3.7.5 时域内浮体运动对刚性隔水管动力响应结果的影响
• 3.7.6 时域内波浪参数的影响对刚性隔水管动力响应结果的影响
• 3.8 柔性隔水管动力分析
• 3.9 小结
• 4 隔水管涡激动力响应分析
• 4.1 卡门涡街
• 4.2 涡激升力的计算
• 4.2.1 尾流振子模型特点
• 4.2.2 Matteoluca尾流振子模型
• 4.2.3 尾流振子模型的求解
• 4.3 三维隔水管动力响应计算
• 4.3.1 动力响应控制方程
• 4.3.2 其他
• 4.4 算例
• 4.4.1 海流不同时的响应
• d不同时的响应'>4.4.2 阻尼系数C_d不同时的响应
• 4.4.3 海流均匀的涡激响应曲线
• 4.4.4 海流速度线性变化时的涡激响应曲线
• 4.4.5 运动轨迹
• 4.5 小结
• 5 涡激振动抑制研究
• 5.1 抑制涡激振动的方法
• 5.2 数学模型与数值方法
• 5.2.1 质量和动量守恒方程
• 5.2.2 有限体积法
• 5.2.3 基于SIMPLEC算法的流场数值计算
• 5.3 模型及网格划分
• 5.4 计算内容
• 5.4.1 独立隔水管和安装螺旋边条隔水管的模拟结果比较
• 5.4.2 不同形式螺旋边条的模拟结果
• 5.5 利用优化方法确定螺旋边条的最优形状
• 5.5.1 设计变量
• 5.5.2 目标函数
• 5.5.3 求解
• 5.5.4 优化结果
• 5.6 小结
• 6 隔水管动力响应非线性分析
• 6.1 结构分析的几何非线性有限元理论
• 6.1.1 非线性分析中的运动描述
• 6.1.2 更新的拉格朗日法（UL法）
• 6.1.3 几何非线性切线刚度矩阵
• 6.2 隔水管非线性响应的数值求解
• 6.3 算例
• 6.3.1 几何非线性的影响
• 6.3.2 流体动力非线性的影响
• 6.4 小结
• 7 隔水管随机响应疲劳损伤可靠性分析
• 7.1 疲劳理论概述
• 7.1.1 疲劳的定义
• 7.1.2 基于断裂力学的裂纹扩展分析方法
• 7.1.3 Palmgren-Miner理论
• 7.2 可靠性理论概述
• 7.3 算例
• 7.3.1 轴向应力的影响
• 7.3.2 旋转刚度系数的影响
• 7.3.3 Von Mises应力成分的影响
• 7.4 小结
• 8 结论与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 参加的科研项目
• 创新点摘要
• 致谢