【技术实现步骤摘要】
一种柔性结构横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法
本专利技术涉及一种涡激振动耦合响应预测方法，属于电数字数据处理
技术介绍
当柔性圆柱体结构在一定的来流作用下时，会在结构尾部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水动力载荷，从而诱发结构发生振动，称为“涡激振动”。VIV是一个典型的流固耦合问题，其结构振动是由旋涡脱落引起的，而振动结构会反过来影响结构后面的流场，从而导致施加在结构上的水动力发生变化。在海洋工程领域的研究过程中，VIV对采油立管、系泊缆绳和管道的动态特性的影响热点且重点的研究问题，由于VIV可能会增加施加在结构上的动载荷，并可能进一步导致结构的疲劳损伤，所以结构的VIV预测是结构设计过程中的关键问题之一。近年来，许多学者对圆柱的VIV问题进行了研究。根据研究方法，这些研究可分为物理实验研究和数值研究两大类。采用实验方法的研究在内容和结果上大体是丰富和可靠的。但是，实验方法存在一定的局限性，如模型规模限制、成本昂贵等。数值方法可以克服其中的一些限制。例如，与实验方法相比，成...
【技术保护点】
1.一种柔性结构横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，其特征在于：所述涡激振动耦合响应预测方法为通过分别建立IL方向与CF方向振动方程，基于有限差分法对建立IL方向与CF方向振动方程进行求解，得出计算结果结合无量纲基本参数，评价IL方向VIV振动位移响应特性以及CF方向VIV振动位移响应特性。/n
【技术特征摘要】
1.一种柔性结构横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，其特征在于：所述涡激振动耦合响应预测方法为通过分别建立IL方向与CF方向振动方程，基于有限差分法对建立IL方向与CF方向振动方程进行求解，得出计算结果结合无量纲基本参数，评价IL方向VIV振动位移响应特性以及CF方向VIV振动位移响应特性。
2.根据权利要求1所述的一种柔性结构横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，其特征在于：取一长度为L、直径为D的柔性圆柱体作为张力梁模型，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，柔性圆柱体两端采用铰接边界条件，坐标系的原点O位于柔性圆柱体的底端，其中X方向为IL方向，Y方向为CF方向，Z方向为铅直方向，柔性圆柱体上的张力为Θ，柔性圆柱体上的弯曲刚度为EI，分别建立张力梁模型的IL方向振动方程以及CF方向振动方程：
在公式(1)和公式(2)中，m为振动系统单位长度的质量，R为阻尼系数，T为时间，Fx(Z,T)为X方向尾流动力学引起的单位长度的外部水动力激励力，Fy(Z,T)为Y方向尾流动力学引起的单位长度的外部水动力激励力；阻尼系数R包括流体阻尼系数Rf，流体阻尼系数Rf＝γΩfρD2＝(2πStU/D)γρD2；上式中Ωf为漩涡脱落频率，St为斯脱哈尔数，γ为黏滞力系数，斯脱哈尔数St、黏滞力系数γ与流体阻力系数的关系式为：
结合公式(1)、公式(2)、流体阻尼系数Rf以及斯脱哈尔数St、黏滞力系数γ与流体阻力系数的关系式得到Fx(Z,T)和Fy(Z,T)表达式为：
公式(3)和公式(4)中U为均匀来流流速，为单位长度平均拖曳力，FD(Z,T)为单位长度振荡拖曳力，FL(Z,T)为单位长度升力，单位长度平均拖曳力单位长度振荡拖曳力FD(Z,T)和单位长度升力FL(Z,T)分别表示为:
公式(5)中为平均拖曳力系数且其为常数，CD(Z,T)为振荡拖曳力系数，CL(Z,T)为升力系数；
振荡拖曳力系数CD(Z,T)的表达式为CD(Z,T)＝CD0·p(Z,T)/2；
升力系数CL(Z,T)表示为CL(Z,T)＝CL0·q(Z,T)/2；
上式中L为柔性圆柱体的长度，D为柔性圆柱体的直径，CD0为柔性圆柱体处于静止状态下的振荡拖曳力系数，CL0为柔性圆柱体处于静止状态下的升力系数，p(Z,T)为与柔性圆柱体上的振荡拖曳力系数有关的无量纲尾流变量，q(Z,T)为与柔性圆柱体上的升力系数有关的无量纲尾流变量；
采用改进的Vanderpol方程来满足尾流振子的非线性特性，表达式为：
公式(6)和公式(7)中εx、εy、Ax以及Ay分别为第一经验参数、第二经验参数、第三经验参数和第四经验参数，将公式(1)、(2)、(6)和(7)转化为无量纲形式，配合使用的表达式为：
x＝X/D,y＝Y/D,z＝Z/D,t＝T·Ωf(8)
公式(8)中t和z分别是无量纲时间和无量纲空间位置，x和y分别是IL和CF方向上的无量纲振动振幅，将公式(8)带入公式(1)、(2)、(6)和(7)中，整理得到IL方向以及CF方向结构和尾流振子的无量纲方程为：
公...
【专利技术属性】
技术研发人员：高云，张壮壮，彭庚，潘港辉，杨斌，刘黎明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37
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