大应变钢悬链线输流立管动力特性研究-论文.pdf

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1、第14卷第19期2014年7月科学技术与工程VoL14No．19Ju1．20141671—1815(2014)19一叭17—05ScienceTechnologyandEngineering@2014Sci．Tech．Engrg．水利技术大应变钢悬链线输流立管动力特性研究吴涛盂丹(青岛理工大学新校区建设指挥部，青岛266033；青岛农业大学建筑工程学院，青岛266109)摘要深水海洋立管通过柔性接头连接于上部浮体和海底之间，海洋立管的动力特性研究在动力响应的分析和性能化设计中是非常重要的。考虑深水立管大变形的特性以及内流的影响，利用二维动力学模型探讨了不同弹性模量、内

2、部流体流速和顶部张力影响下立管的动力特性。得出如下结论：内部流体流速、弹性模量和顶部张力这三种因素的变化都会影响立管的固有频率，通常内流体流速增加、弹性模量降低以及顶部张力降低都会导致固有频率产生不同程度的减小；并且相应于各阶固有频率的振动模态的幅值大小和方向也随着各影响因素大小发生变化。关键词钢悬链线立管动力特性大应变内流中图法分类号TV312；文献标志码A随着海洋石油开采水深的增加，海洋立管的型需要并参考现有的研究成果，将立管模型的分析过式也不断发生变化。第一条钢悬链线立管(steel程定义为三种状态：初始态、平衡态和动态。这三种catenaryriser)在墨西

3、哥湾的成功应用，使得这种立状态在动力分析中解释为：初始状态为一种假想状管形式得到广泛的理论和工程应用研究。态，初始状态的立管在自重、内部流体的作用下会产对于钢悬链线立管结构，文献[4]的研究表明，生轴向和弯曲变形；在外部流体、上部浮体等动力作长细比过大导致的大应变影响在建模分析中必须考用下，立管由变形后的平衡态发展到动态。立管顶虑，已有的小应变方法在立管的动力分析和性能化部距离海底井口水平方向有一定的距离，本文的研设计等方面会带来很大的偏差。处于深水环境的钢究对象为立管的悬挂段，即假设立管的顶端距离触悬链线立管，在顶部浮体和波流的作用下会产地点的水平距离为Y；为了平衡

4、立管的重量使其保生一种严重影响疲劳寿命的振动形式——涡激振持特定的构型，假设立管顶端施加初始作用力。动。涡激振动主要是由立管结构和流动的流体之间、“和u分别为立管微元d从平衡态到动态在产生的流固耦合响应形式，它不但会降低结构的疲、y和z方向上的位移，其他符号意义见图1。劳寿命，还会在“锁振”时产生幅值很大的共振并直接导致结构破坏。因此，深入分析深水钢悬链线立管的动力特性，进而改善涡激振动条件、减少“锁振”现象的发生，对于立管的性能优化设计和工程应用实践来说意义重大。本文考虑深水钢悬链线立管大应变的特性以及内流和外部流体的影响，利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论

5、建立了立管的二维动力学模型，探讨了不同弹性模量、内部流体流速和顶部张力影响下立管的动力特性。1动力学模型假设水深为，自由悬挂于上部浮体的钢悬链线立管的示意图如图1所示。按照立管动力分析的2014年1月25日收到中国博士后科学基金面上项目(2013M531563)资助图1钢悬链线立管示意图第一作者简介：吴涛(1969一)，男，工程师，硕士。研究方向：深海Fig．1Schematicsofsteelcatenaryriser结构物水弹性响应。Email：1774814124@qq．corn。118科学技术与工程l4卷D=De(5)性，将立管在XOY平面内的运动方程写成矩阵

6、的形式(5)中D为与各阶自振频率相对应的模态，特征式为(M3=0)，值为Ai=Ot+i，并且∞i为自振频率。那么A缸+日+Cl‘+EuTV=F(1)A』]l+hG+KD=0(6)式c中={)，A=【]，m=m+m，即为将解[方程(5)]代人方程(4)所得的二阶特征值。将式(6)变为广义特征值的形式HZ=AZ(7)竹式c7中H=[一G一]，z={L：J已，J求解方程(7)可得立管的白振频率。SOSO竹＼SOSO，曼SO一SO2为了验证本文模型的正确性，需要将本文模型的动力特性计算结果与已有的分析结果进行比较，式中，F为外部荷载的作用力，m为平衡位置时单参考文献[10]计

7、算了一个立管模型(物理参数列于位长度管道的质量；m为平衡位置时单位长度内表1)在不同内流流速时的第一阶自振频率。因此部流体的质量；P为内部流体线密度，E为立管的将本文的结算结果和文献结果对应的列于表2。此弹性模量，。为平衡位置立管的应变，为立管内处需要说明，由于参考文献模型和本文模型的区别，部流体的流速；=EA0。，Tb=EA。，A。为平衡所以在计算过程中将模型简化如下：刚体运动加速位置立管的横截面积。将图1中的立管模型划分为n=／1个单元，度=0、外部流速U=0。从表2计算结果可以看每个单元有1、2两个节点，它们在笛卡尔坐标系内出，本文模型在钢悬链