考虑管土作用海底管线涡激振动分析.pdf

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1、第26卷第6期2011年12月中国海洋平台CHINA0FFSHoREPLATFoRMV01．26No．6Dec．，2011文章编号：1001-4500(2011)06-0021—06考虑管土作用海底管线涡激振动分析何旭，王永学，李小超(大连理工大学，大连116023)摘要：将VIVANA模型与粱单元结合建立海底管线悬跨段涡激振动(VIV)数值模型，利用弹簧模拟管土作用，采用频域和时域非线性相结合的方法对涡激振动问题进行求解，计算在土壤非线性边界条件下的海底管线悬跨段涡激振动响应。采用三种不同的弹簧进行计算，弹簧具有不同的P-占曲线。本文对求解方法的有效性进行考察，研究了土壤非线性对涡激振动的影

2、响。关键词：管土作用；海底管线悬跨}涡激振动；弹簧中图分类号：P75l文献标识码：AAnalysisofVIVforFreeSpanningPipelinesConsideringPipe—soilInteractionHEXu，WANGYong-xue，LIXiao—chao(DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China)Abstract：CombiningtheVIVANAmodelwithaflexiblebeammodel，anumericalmodelisdevelopedforVIVoffreespanningpipelines．T

3、hepipe—soilinteractionismodeledbyintro—ducingnon—linearsprings．Basedonthecombinationoflinearfrequencydomainandnon-lineartimedomainmodels，theresponseofthepipelinespaniscalculated．CalculationsarecarriedoutusingthreedifferentspringswithdifferentP一艿curves．Thevalidityofthemethodischeckedandtheeffectofsoi

4、lnon-linearontheVIVisinvestigated．Keywords：pipe—soilinteraction；freespanningpipelines；VIV：spring0引言随着海底石油资源不断地被发现，世界各国越来越重视海底石油的开采，海底管线成为了石油开采工程的重要组成部分。海底管线铺设在凸凹不平的海底，加上海流对海床的长期冲刷、淘蚀，就会出现海底管线悬跨段。在某恒定流速下，管线两侧交替产生的旋涡和由交替性旋涡引发的管线周期性振动之间的相互作用，被称为“涡激振动”。涡激振动是引发海底管线疲劳失效的重要原因，是管线使用寿命设计和安全评估必须要考虑的因素。研究海底管线涡

5、激振动的主要问题就是如何准确的预报振动响应，从而合理地设计海底管线，以减轻涡激振动对管线疲劳造成的影响。国内外很多学者对海底管线悬跨段涡激振动问题进行了大量的研究[1~7]，目前VIV研究方法主要有计算流体力学方法、模型试验和经验模型三种方法。其中大部分研究将管跨两端收稿日期：2010—07-22；修改稿收到日期：2010—12-09基金项目：国家自然科学基金重点项目(50439010)，教育部重大项目(305003)。作者简介：何旭(1986一)，男，硕士研究生。中国海洋平台第26卷第6期视为简支或固定简单支撑，忽略了管土作用对VIV的影响，但是在近岸和离岸工程中海底管线基本都需要土的支撑或

6、者保护。由于海底管线悬跨段的长细比立管等海洋工程结构物要小很多，边界条件的影响较为突出，因此海床土体的力学性质、管土接触长度以及管线的人土深度都会对涡激振动产生较大的影响。目前考虑管土作用的VIV研究工作还很少。Aieta1．(2009)‘81采用尾流阵子模型对土壤边界对海底管线涡激振动的影响进行了研究；Larsoneta1．(2002，2004)‘9’103提出将频域VIVANA模型和时域非线性计算模型结合的方法，用于研究非线性边界条件下悬跨段的动力响应，该方法能较为合理地计算在边界土壤作用下的海底管线悬跨段发生VIV时的应力分布。本文将VIVANA模型与梁单元结合，建立海底管线悬跨段涡激振

7、动(VIV)模型，利用弹簧来模拟管土作用，采用频域和时域非线性相结合的方法对涡激振动问题进行求解，计算在非线性边界条件下的海底管线悬跨段涡激振动响应。1计算模型管线悬跨段计算模型如图1所示，图中L为总的计算长度，管跨两端和土壤接触部分分别为厶1和Ls2，中间部分为悬空段，T为管线轴向荷载，管线与海床土壤接触部分布置弹簧，模拟管土作用。弹簧的特性采用P—d曲线表征，如图2所示。P为土壤对管线的作用力