基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，通过在同一个时间步里，将流体域和立管先分开计算，然后双向耦合，进行数据交换后，再进行下一个时间步的计算，通过基于切片法的二维流体和三维结构相耦合的数值模拟方法实现立管的振动特性分析。本发明专利技术方案更加贴合全三维模拟，较好的模拟出立管的动力特性，在保证较高的计算精度的同时大大节约了计算成本，有较高的应用价值；并尝试性地总结出立管单元划分的最优法则，合理设置立管单元的数目，有效的提高计算的精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法


[0001]本专利技术属于立管振动特性分析领域，具体涉及一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法。

技术介绍

[0002]随着向更深的海域勘探和开采石油、天然气等资源，海洋立管作业水深不断增加，其长细比不断增大，部分立管的长细比可以达到1000，甚至更高，而对于此类大长细比立管来说，其柔性变形的尺度愈发显著，逐渐表现出复杂的多频、多模态振动等动力特性，造成更严重的疲劳损伤。现有技术中，对于立管的振动特性分析多采用将立管简化为一个节点3个自由度或2个自由度的2维平面欧拉梁模型进行分析，而此种方式忽略立管结构本身的三维特性，具体分析时很难直接体现柔性立管涡激振动本质，对于精准捕捉三维的尾涡脱落特性也存在一定的局限性。

技术实现思路

[0003]本专利技术为解决现有技术中对立管进行振动特性分析时忽略其三维特性所存在的缺陷，提出一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，通过准确的预测其振动特性，使立管实际工程应用中，避免发生较大得振动而造成疲劳损伤。
[0004]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，包括以下步骤：
[0005]步骤A、流体域计算：从流体域中取出N个二维流场切片，求解流体控制方程，输出流体作用力；
[0006]步骤B、立管计算：将立管划分为n个空间梁单元，n≥N，每个空间梁单元记为立管单元，求解立管的结构动力学方程，并输出所有立管单元的位移、速度和加速度；
[0007]步骤C、立管和流体域耦合：将流体作用力近似为均布荷载施加给相邻的立管单元，基于立管单元节点处的位移，速度和加速度，并结合动网格设置更新流场域，实现流体域和立管的耦合；
[0008]步骤D、对每一时间步进行计算，并得到横流向和顺流向两个方向上立管振动位移随时间的变化图；通过傅里叶变换，得到立管的振动频率，实现对立管的振动特性分析。
[0009]进一步的，所述步骤A中，计算流体作用力采用以下方式：
[0010](1)流场数值计算：选择流场数值计算软件，选择湍流模型和离散方法，设置流体性质、设置动网格，选取需输出的数据和数值求解方法；
[0011](2)流体控制方程：采用雷诺平均数值模拟方法，即用雷诺平均N
‑
S方程代替N
‑
S方程描述流体流动，采用剪切压力传输k
‑
ω湍流模型构建流体控制方程；
[0012](3)Fluent软件求解流场：从流体域中取出N个二维流场切片，通过FLUENT同时进行流体控制方程的求解，输出流体作用力，包括阻力和升力。
[0013]进一步的，所述步骤B具体通过以下方式实现：
[0014](1)沿立管延长度L方向划分m个节点，n＝m
‑
1，m≥N，以顺流向为x轴，横流向为y轴，立管长度方向为z轴，构建结构动力学方程；
[0015](2)通过有限元法在时域内离散结构动力学方程，得到：
[0016][0017]式中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K
E
]是弹性刚度矩阵，[K
G
]是几何刚度矩阵，两者构成刚度矩阵[K]；{F
i
(t)}是x，y方向所受的荷载向量；
[0018](3)求解该结构动力学方程，得到每个立管单元的加速度、速度、位移。
[0019]进一步的，所述步骤B中，所述立管单元的数量至少为振动模态的3倍。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0021]本方案为在最大程度上拟合三维立管模型，将立管简化为空间梁结构，基于有限元理论对立管进行离散处理，在同一个时间步里，将流体域和立管先分开计算，实现三维立管模型与二维流场的双向、顺序流固耦合，进行数据交换后，再进行下一个时间步的计算，节约计算资源的同时提高计算的精度；通过建立与原问题等效的结构刚度方程，借助矩阵表示并利用计算机进行矩阵求解，得到立管的位移；相对于以往的研究方法更加能直接体现柔性立管涡激振动本质，精准的捕捉到三维的尾涡脱落特性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例所述振动特性分析方法流程示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例立管切片划分及有限单元布置示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例大长细比立管模型示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例有限元单元受力分析示意图；
[0026]图5为本专利技术实施例流体域数值模型划分示意图；
[0027]图6为本专利技术实施例重叠网格划分示意图；
[0028]图7为本专利技术实施例立管切片处质心运动轨迹示意图；
[0029]图8为本专利技术实施例立管顺流向、横流向振动包络线示意图；
[0030]图9为本专利技术实施例立管顺流向、横流向振动响应历时云图；
[0031]图10为本专利技术实施例所述立管轴向不同位置处顺流向、横流向振动响应频率谱示意图。
具体实施方式
[0032]为了能够更加清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术并不限于下面公开的具体实施例。
[0033]本实施例提出一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，如图1所示，在同一个时间步里，将流体域和立管先分开计算，然后双向耦合，进行数据交换后，再进行下一个时间步的计算，通过基于切片法的二维流体和三维结构相耦合的数值模拟方法实现立管的振动特性分析，具体包括以下步骤：
[0034]步骤A、从流体域中取出N个二维流场切片，同时进行流体控制方程的求解，输出流
体作用力，流体作用力包括阻力和升力；
[0035]步骤B、将立管划分为n个空间梁单元，每个空间梁单元记为立管单元，立管单元每个节点的位移包括六个自由度，求解立管的结构动力学方程，并输出所有立管单元的位移、速度和加速度；
[0036]步骤C、将步骤A计算的流体作用力近似为均布荷载施加给相邻的立管单元，基于立管单元节点处的位移，速度和加速度，并结合动网格设置更新流体域，实现流体域和立管的耦合；
[0037]步骤D、将每一时间步计算之后的数据进行保存并输出，然后进行数据的处理，得到横流向和顺流向两个方向上立管振动位移随时间的变化图；通过傅里叶变换，得到立管的振动频率，实现对立管的振动特性分析，以在工程实际中避免发生共振，减小立管的疲劳损伤。
[0038]为更清楚的理解本专利技术方案，下面结合具体案例对本专利技术进行详细的说明，具体如下：
[0039]一、流体域计算：
[0040]1、首先进行切片的划分，由于计算机运算能力限制，柔性立管涡激振动直接三维数值模拟消耗大量计算资源，耗时长，无法计算较多工况。本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、流体域计算：从流体域中取出N个二维流场切片，求解流体控制方程，输出流体作用力；步骤B、立管计算：将立管划分为n个空间梁单元，n≥N，每个空间梁单元记为立管单元，求解立管的结构动力学方程，并输出所有立管单元的位移、速度和加速度；步骤C、立管和流体域耦合：将流体作用力近似为均布荷载施加给相邻的立管单元，基于立管单元节点处的位移，速度和加速度，并结合动网格设置更新流场域，实现流体域和立管的耦合；步骤D、对每一时间步进行计算，并得到横流向和顺流向两个方向上立管振动位移随时间的变化图；通过傅里叶变换，得到立管的振动频率，实现对立管的振动特性分析。2.根据权利要求1所述的基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，其特征在于：所述步骤A中，计算流体作用力采用以下方式：(1)流场数值计算：选择流场数值计算软件，选择湍流模型和离散方法，设置流体性质、设置动网格，选取需输出的数据和数值求解方法；(2)流体控制方程：采用雷诺平均数值模拟方法，即用雷诺平均N
‑
S方程代替N
‑
S方...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑松，张文林，吴祥钊，张锦涛，张澳，熊家明，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：