水下懸浮式管線的渦激振動(dòng)與參數(shù)共振研究.pdf

1、水下懸浮式管線是一種新型的深海管線布置形式。有別于傳統(tǒng)的海底管線，水下懸浮式管線在重力、浮力及其它裝置所提供的牽引力作用下懸浮于中等水深處。其獨(dú)特的架設(shè)方式，使之相比海底管線擁有著眾多優(yōu)勢(shì)。因此，它被認(rèn)為是未來(lái)深海海洋工程中極富應(yīng)用價(jià)值的管線布置形式之一。
　　海流對(duì)水下懸浮式管線的影響在其設(shè)計(jì)過(guò)程中非常關(guān)鍵。當(dāng)海流流過(guò)管線時(shí)，會(huì)引起其產(chǎn)生渦激振動(dòng)。對(duì)水下懸浮式管線，渦激振動(dòng)是導(dǎo)致其動(dòng)力響應(yīng)的主要原因，是其使用壽命和疲勞破壞的決定

2、性因素之一。因此，研究水下懸浮式管線的渦激振動(dòng)特性有助于設(shè)計(jì)和確保其使用安全性。
　　同時(shí)，隨著水下懸浮式管線越來(lái)越多地被應(yīng)用在浮式海洋平臺(tái)間用以油氣及液體的運(yùn)輸。當(dāng)浮式結(jié)構(gòu)物在波浪上發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)連接其上的水下懸浮式管線產(chǎn)生響應(yīng)，使其張力隨時(shí)間發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致管線的參數(shù)共振現(xiàn)象。發(fā)生參數(shù)共振時(shí)，管線的動(dòng)力響應(yīng)很大，將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞。因此，在設(shè)計(jì)水下懸浮式管線時(shí)，預(yù)報(bào)其是否會(huì)產(chǎn)生參數(shù)共振也非常重要。
　　研究通過(guò)三種

3、水下懸浮式管線的布置形式，分別建立其動(dòng)力響應(yīng)的理論分析模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法，研究了水下懸浮式管線的渦激振動(dòng)、單頻及多頻參數(shù)振動(dòng)，以及渦激和參數(shù)激勵(lì)共同作用下管線的耦合振動(dòng)響應(yīng)。主要研究進(jìn)展和成果如下：
　　(1)水下懸浮式管線的渦激振動(dòng)分析
　　應(yīng)用尾流振子模型模擬管線泄渦的水動(dòng)力學(xué)特性，建立了水下懸浮式管線的渦激振動(dòng)控制方程，構(gòu)建計(jì)算格式，實(shí)現(xiàn)其數(shù)值計(jì)算和分析。分析得出：在不同來(lái)流速度下，水下懸浮式管線的渦激振動(dòng)鎖定區(qū)域

4、連續(xù)；水動(dòng)力阻力系數(shù)的增大能有效降低渦激振動(dòng)的響應(yīng)，從而表明在設(shè)計(jì)中通過(guò)安裝列板等裝置緩解管線的渦激振動(dòng)在理論上是可行的。
　　(2)水下懸浮式管線的單頻參數(shù)共振預(yù)報(bào)與耦合振動(dòng)分析
　　分析浮式結(jié)構(gòu)物在隨機(jī)波浪上的運(yùn)動(dòng)特性，從而構(gòu)建管線的單頻參數(shù)激勵(lì)模型，推導(dǎo)出單頻參數(shù)振動(dòng)的Mathieu方程。運(yùn)用Mathieu穩(wěn)定性圖，實(shí)現(xiàn)單頻參數(shù)共振的預(yù)報(bào)。通過(guò)分析：阻尼系數(shù)越大，參數(shù)振動(dòng)的穩(wěn)定區(qū)域也越大，表明增大管線的運(yùn)動(dòng)阻尼有助于抑

5、制其參數(shù)共振現(xiàn)象的發(fā)生。將單頻參數(shù)激勵(lì)與渦激激勵(lì)同時(shí)考慮，建立耦合振動(dòng)分析模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，觀察到耦合振動(dòng)過(guò)程中的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析，參數(shù)激勵(lì)是誘發(fā)模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的原因之一。
　　(3)水下懸浮式管線的多頻參數(shù)共振預(yù)報(bào)與耦合振動(dòng)分析
　　通過(guò)隨機(jī)波浪理論和線性疊加原理，推導(dǎo)出水下懸浮式管線多頻參數(shù)振動(dòng)的Hill方程，及其在渦激與多頻參數(shù)激勵(lì)下的耦合振動(dòng)分析模型。運(yùn)用Hill穩(wěn)定性圖，預(yù)報(bào)了水下懸浮式管線的多頻參數(shù)共振，比