刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法技术

本发明专利技术公开了一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，主要包括以下步骤：1)建立横流方向与顺流方向互为耦合的振动控制方程；2)基于有限差分法对耦合的振动控制方程进行求解；3)基于分析数据，对实例进行计算分析。本发明专利技术针对刚性圆柱体横流与顺流方向耦合振动响应进行了研究。建立了完整的横流、顺流方向的耦合振动模型，用于分析同时考虑横流方向振动、顺流方向振动以及结构几何非线性的刚性圆柱体涡激振动响应预测问题。该模型以很好地模拟出结构的锁定以及位移突变现象。

Prediction of Coupled Response of Vortex-Induced Vibration of Rigid Cylinder in Transverse and Downstream Directions

【技术实现步骤摘要】
刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法
本专利技术涉及圆柱体涡激振动响应领域，具体地说，特别涉及一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法。
技术介绍
圆柱体广泛存在于各种实际工程中，圆柱体在一定的来流中，会在结构两侧形成交替脱落的漩涡，周期性的漩涡脱落会在结构上产生周期性的拖曳力以及升力。若结构为弹性支撑，周期性的拖曳力和升力会引起结构在顺流以及横流方向产生周期性的振动，统称为“涡激振动”(Gao,Y,Fu,SX,Xiong,YM,Zhao,Y,andLiu,LM,Experimentalstudyonresponseperformanceofvortex-inducedvibrationofaflexiblecylinder,ShipsandOffshoreStructures,2017,12(1):116-134)。当漩涡脱落频率出现在结构固有频率附近时，便会发生锁定现象。锁定区域内，圆柱体会发生大幅的、危险的涡激振动响应，这种响应会对结构带来很大的疲劳损伤。现有的研究圆柱体涡激振动响应的方法主要可分为实验方法以及数值方法。与数值方法相比，实验方法得到的数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)建立横流方向与顺流方向互为耦合的振动控制方程；2)基于有限差分法对耦合的振动控制方程进行求解；3)基于分析数据，对实例进行计算分析。

【技术特征摘要】
1.一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)建立横流方向与顺流方向互为耦合的振动控制方程；2)基于有限差分法对耦合的振动控制方程进行求解；3)基于分析数据，对实例进行计算分析。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：a、建立均匀来流下刚性圆柱体二自由度涡激振动耦合模型；b、在所述均匀来流下刚性圆柱体二自由度涡激振动耦合模型中，考虑一单位长度、直径为D的刚性圆柱体在均匀来流U作用下引起的CF方向以及IL方向互为耦合的涡激振动响应问题，其中X方向为IL方向，Y方向为CF方向；其中，在分析过程中假设系统在X方向和Y方向呈对称分布，因此在X方向的质量、刚度、阻尼以及固有频率均与Y方向对应的参数相等；所述均匀来流下刚性圆柱体二自由度涡激振动耦合模型中设有4弹簧刚性圆柱体系统。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述4弹簧刚性圆柱体系统在X和Y方向的振动方程描述如下：式(1)d表示对变量求全导；表示对变量求偏导；T为时间；为拉格朗日函数，表示为：其中K为动能，P为势能；u1以及u2分别为X方向和Y方向位移；和分别为X方向和Y方向速度；F1和F2分别表示作用在结构上的X方向以及Y方向水动力载荷Fx以及Fy；r为阻尼系数，包括结构阻尼系数rs以及流体阻尼系数rf两项，流体阻尼系数rf表示为：rf＝ωfγρD2＝(2πStU/D)γρD2，其中ωf为漩涡脱落频率；St为斯脱哈尔数，这里取为0.2；ρ为流体密度；γ为粘滞力系数，取为0.8。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，假设与圆柱体相连的4根弹簧初始长度均为S，弹簧弹性系数均为k，并假设圆柱体T时刻在X方向以及Y方向的结构位移分别为X(T)以及Y(T)，便得到此时刻圆柱体的动能K以及势能P，表示如下：式(2)中m为单位长度系统总质量，由结构质量ms以及流体附加质量mf两部分构成，流体附加质量表示为：mf＝CMρD2π/4，其中CM为附加质量系数，对于圆柱体取1.0；将式(2)和式(3)代入式(1)中，得到圆柱体在X方向和Y方向的振动方程为:方程式(4)和(5)中的非线性项体现了结构振动的几何非线性特征；为了求解式(4)和式(5)，需要对二式进行一定的简化处理；函数f(X,Y)在(X0,Y0)的二元泰勒级数展开式表示如下：将式(4)和式(5)中的非线性项按照式(6)在(0,0)处进行泰勒级数展开，取前三阶得到：将式(7)代入式(4)、式(8)代入(5)中得到：式(9)中h＝2k，为了方便表达，记：式(9)进一步写作：式(10)中，h为系统刚度，已知系统总质量m以及系统刚度h，便得到系统在X方向以及Y方向的固有频率，表示为：式(10)中，X3以及Y3前面的系数以及反应了结构在轴向变形的几何非线性特性；XY2以及YX2前面的系数以及反应了CF以及IL方向振动互为耦合的的几何非线性特性；本发明将这以及这4个参数统称为结构的几何非线性系数。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于静止圆柱体，作用在圆柱体上的Fx以及Fy的方向分别与拖曳力FD以及升力FL方向一致；但对于振荡圆柱体，由于结构的振动，导致结构与流体之间的相对速度方向不再沿X方向，使得：Fx将不再与FD方向一致，Fy也将不再与F...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云，张壮壮，刘黎明，杨斌，邹丽，宗智，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51