深海立管固有振动特性的进一步分析-论文.pdf

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1、第l8卷第1—2期船舶力学V01．18No．1—22014年2月JournalofShipMechanicsFeb．2014文章编号：1007—7294(2014)01—0165—07深海立管固有振动特性的进一步分析张杰，唐友刚(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：深海立管固有振动特性是参激振动、涡激振动等复杂振动分析的基础，而立管振动是变系数四阶偏微分方程，不易直接求解。为准确获得立管的固有频率和振型，根据定常轴力下立管固有振动特性的经典理论，考虑深水立管长细比大、自重影响及顶端受浮体升沉影响等特点，分析立管固有振动特性的变

2、化，针对不同的分析模型，提出不同的固有振动特性计算公式，并提出简化计算方法，以满足工程应用和进一步研究的需要。关键词：深海立管；固有振动特性；解析解；简化计算中图分类号：TH113．1文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—7294．2014．h1．021Furtheranalysisonnaturalvibrationofdeep-waterrisersZHANGJie，TANGYou-gang(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety，TianjinUn

3、iversity，Tianjin300072，China)Abstract：Theinvestigationonthenaturalvibrationcharacteristicsofdeep-waterriserisofsignificantimportanceforunderstandingthemechanismofparametricvibrationandvortex-inducedvibration，andvi—brationoftheriser，describedbyafourth-orderpartialdifferentialequati

4、on，isdifficulttosolveanalytical-ly．Thispaperpresentsnaturalvibrationanalysisofdeep-waterriserwithasimplifiedanalyticalmethodbasedonclassicalvibrationtheory．Theeffectsofgravity，bendingstiffnessandfloatingplatformheaveonthenaturalvibrationareinvestigatedanddiscussed．Theresultsindica

5、tethatthesimplifiedanalyticalmethodiseasilyprogrammedonportablecomputersandcanmeetthedemandofengineeringapplicationandre—searchofcomplexvibration．Keywords：deep-waterriser；naturalvibration；analyticalmethod；simplifiedmethod1引言随着油气资源需求量Et益增大，海洋油气资源的开采渐渐由浅海向深海领域发展。立管作为连接海面与海底的一种通道，进行勘

6、探、钻井及输液等工作，是深海开发中必不可少的关键装备，同时也是海洋开发中的薄弱构件之一。立管固有振动特性分析，是结构动力学的主要任务之一，也是复杂振动分析的基础。当平台升沉频率与立管固有频率满足一定比例关系时，将发生参数激励振动，参激振动会引起平衡位置的不稳定性，使立管横向振动加大；当海流经过立管时，会产生漩涡脱落，当漩涡泄放频率与立管的固有频率接收稿日期：2013—06—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51079097)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51021004)作者简介：张杰(1982一)，男，天津大学博士研究生，E-mail：h

7、dzj@163．com；唐友刚(1952一)，男，教授，博士生导师。166船舶力学第18卷第1-2期近时，会发生涡激共振，给立管带来严重破坏【1]。可见深海立管的固有频率直接影响到参激振动和涡激振动的激发；立管振型则与振动响应分析密切相关。因此深海立管固有振动特性分析是复杂振动分析必不可少的一步。海洋立管固有振动特性分析的难点在于带有变系数的四阶偏微分方程的求解，目前多采用半解析或数值解法求解立管固有振动特性，但其应用都有一定的局限性。Dareing等[21把立管内部压力和外部压力等效为一个轴向力，采用幂级数法进行了150m水深立管的固有振动特性分析，这种

8、近似解法比较简单，但由于精度限制不适合180m以上的立管振动分析；