一种深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法技术

一种深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，涉及深水立管设计领域，其具体步骤为：步骤１，获取流场数据；步骤２，将流场数据代入立管振动方程式６和７中；步骤３，采用有限元方法求解式６、７，计算结果包括位移、速度、加速度和应力时程；步骤４，根据所述计算结果采用雨流计数法统计出一段时间内，某个幅值的应力循环次数ｎ↓［ｉ］，将ｎ↓［ｉ］代入疲劳损伤计算公式８中，计算出疲劳损伤。本发明专利技术所述的深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，采用实际的管中管模型，同时考虑顺流向振动和横流向振动，提高了应力计算的准确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深水立管设计领域，具体的说是一种深水顶张式立管 涡激振动与疲劳分析的方法。
技术介绍
VIV是圆柱体在定常流作用下的一种奇特振动现象，具体地说 VIV是涡旋脱落引起的一种圆柱体振动现象，是圆柱体尾流处的交替涡旋泄放引起的振动。对于刚性圆柱体和柔性不太大的圆柱体(一般 的工程结构)，其垂直于流速方向(横流向)的振幅远远大于平行于 流速方向(顺流向)的振幅，而振动频率为流速方向振动频率的二分之一。因此，在现有的VIV研究中， 一般忽略顺流向振动，而只研究 横流向振动。VIV的数学模型和涡激升力模型仅有横流向的模型，如 式1所示的Iwan尾流振子模型<formula>formula see original document page 3</formula>式l中A为结构横流向位移模态参数；^为尾流流体的模态参数。再如式2所示的锁定区涡激升力模型<formula>formula see original document page 3</formula> 式2中G为升力系数；P为流体密度；D为圆柱体直径；f/为o,=-流速；化为Strouhal频率， ￡> ，其中St为斯特罗哈数(Strouhal誦ber); t为时间。VIV是深水立管设计的主要问题之一，由于我国的深水开发刚刚 起步，尚没有深水立管的设计分析软件，目前均采用国外的同类型软 件进行设计分析，如0rcaflex和Shear7等。0rcaflex是目前被海 洋工程界普遍接受的深水立管分析软件之一，它的VIV分析模块采用 了尾流振子模型，计算结果与工程实测结果有较大的误差，所以，目 前主要用于立管的波浪响应分析，而VIV分析通常采用Shear7。 Shear7是深水立管VIV分析的专业软件，它采用工程实测数据修正 计算参数，因此，计算结果与工程实测结果比较吻合，普遍为工程界 所接受。Shear7采用的是频域分析方法。即将立管的时域运动方 程式3利用坐标变换式4转化为式5的模态(振型)坐标方程，式3如下-d/2 d, (3)式3中m为立管单位长度的质量；y(z力为立管的横流向弯曲位移，其中，Z为立管轴向坐标；c为结构阻尼系数；EI和T分别为立管截面抗弯刚度和有效张力。 式4如下式4中i;(》为立管第r阶振型；^W为立管第r阶振型的坐标。(5)式5中M,为立管第r阶模态质量，M' = fC(z>"^; ^为立管 第r阶模态阻尼，C^i^"X"Odz; ^为立管第r阶模态刚度， i^f4，丫dz+fzf，丫dz ; P々)为第r阶模态力，、 乂 、 Ll^ 乂然后采用随机振动的谱分析方法求解式5的方程式，即采用付立 叶变换将时域的力函数转换为频域的谱函数，从而求得立管的响应 谱。因此，Shear7的计算结果是以响应的平均值和均方差表示的， 不能给出响应时程，因而不能给出立管响应的最大值。上述两个软件的方法是目前比较有代表性的两种VIV分析方法， 它们都没有考虑立管的顺流向振动问题。完全基于传统的圆柱体VIV 理论和分析方法，而深水立管由于柔性较大，其VIV为高阶(〉10阶) 多模态(5 20个模态)振动(一般圆柱体的VIV为1 3阶模态振 动)，专利技术人的研究表明，对于长细比较大的深水立管，其顺流向振 动幅度已达到横流向的50% (深水立管的VIV顺流向振幅与横流向振 幅之比大于50%),由于其振动频率高于横流向一倍，因此，顺流向 振动引起的疲劳损伤与横流向相当。此种情况下，深水立管VIV分析应考虑顺流向振动问题是显而易见的，但现有技术给出的分析方案明 显无法满足这一需要。深水顶张式立管是由两个或三个钢管组成的管中管结构，如图1所示，由内至外依次包括油管(图l.a)、内套管(图l.b)、外套管 (图l.c)。目前的分析软件均采用弯曲刚度等效的单层管模型，使 得应力计算与实际结构不符。按弯曲刚度等效得到较大的等效管内 径，因此，轴向应力偏大。由于外层套管仅承受外压，因此，按等效 管计算的环向应力和径向应力偏小。综上所述，现有的深水顶张式立管的VIV分析存在以下缺点1、 没有考虑顺流向振动响应，因此，位移响应和应力响应均 较小，计算结果偏于不安全。2、 尾流振子模型计算的横流向响应误差较大，主要是由于尾 流振子模型将尾流处的流体看作是与固体具有相同性质(具有固定形 状)的物体做相同模态的振动，并与结构相互作用。3、 涡激升力模型没有考虑流固耦合效应，因此，只适用于锁 定区的VIV分析。4、 涡激升力的频率采用Strouhal频率，而在锁定区，涡旋泄 放频率不符合Strouhal频率计算式。因此，涡激升力用于锁定区的 VIV分析，其频率与实际的涡旋泄放频率不同，造成计算结果的不准 确。5、 由于立管的外套管应力最大，因此，立管设计主要是外套 管应力校核。而现有软件均采用弯曲刚度等效的单层管模型，造成轴向的内壁弯曲应力计算值偏小(内径偏差)、张力应力计算值偏大(截 面积偏差)，环向应力计算值偏小(壁厚偏差)，径向应力计算值偏大 (受力情况与实际不符)。6、 不能计算油管和内套管应力，因而无法校核油管和内套管 的强度和疲劳寿命。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种深水顶 张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，采用实际的管中管模型，同时 考虑顺流向振动和横流向振动，提高了应力计算的准确度。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是-，其特征在于-其具体步骤为步骤l，获取流场数据；步骤2，将流场数据代入立管振动方程式6和7<formula>formula see original document page 7</formula>(6)<formula>formula see original document page 7</formula>(7)中；步骤3，采用有限元方法求解式6、 7，计算结果包括位移、速度、加速度和应力时程；步骤4，根据所述计算结果采用雨流计数法统计出一段时间内， 某个幅值的应力循环次数"i ，将",代入疲劳损伤计算公式8D = 5>^ (8) 中，计算出疲劳损伤。本专利技术所述的深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，采用 实际的管中管模型，同时考虑顺流向振动和横流向振动，提高了应力 计算的准确度。附图说明本专利技术有如下附图图l.a油管实际受力状态示意图图l.b内套管实际受力状态示意图图l.c外套管实际受力状态示意图 图2等效管模型受力状态示意图 图3雨流计数法示意图具体实施例方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的目的在于1、 在深水立管的VIV分析中，考虑顺流向振动，从而使分析模型和结果与实际工程问题更吻合。2、 改进现有涡激升力模型，考虑流固耦合效应对涡激升力的 影响，改善VIV分析精度。3、 改进现有涡旋泄放频率的计算模型，使其不仅适用于锁定 区，也适用于非锁定区。4、 采用时域分析方法，直观地分析立管VIV的最大振幅及其 应力和疲劳损伤。5、 采用立管的实际结构(管中管)计算应力，使得应力的计 算符合结构的实际受力状态，则应力状态更符合实际工程结构实际的 应力状态。可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，其特征在于：其具体步骤为：　步骤１，获取流场数据；　步骤２，将流场数据代入立管振动方程式６　（ｍ＋ｍ↓［ａ］）＊↑［２］ｘ（ｚ，ｔ）／＊ｔ↑［２］＋（ｃ＋ｃ↓［ａ］）＊ｘ（ｚ，ｔ）／＊ｔ＋ＥＩ＊↑［４］ｘ（ｚ，ｔ）／＊ｚ↑［４］－Ｔ＊↑［２］ｘ（ｚ，ｔ）／＊ｚ↑［２］＝１／２Ｃ↓［Ｄ］ρＤ［Ｕ（ｚ）－＊（ｚ，ｔ）］↑［２］ｃｏｓ２ω′↓［ｓ］ｔ　和７　（ｍ＋ｍ↓［ａ］）＊↑［２］ｙ（ｚ，ｔ）／＊ｔ↑［２］＋（ｃ＋ｃ↓［ａ］）＊ｙ（ｚ，ｔ）／＊ｔ＋ＥＩ＊↑［４］ｙ（ｚ，ｔ）／＊ｚ↑［４］－Ｔ＊↑［２］ｙ（ｚ，ｔ）／＊ｚ↑［２］＝１／２Ｃ↓［Ｌ］ρＤ［Ｕ（ｚ）－＊（ｚ，ｔ）］↑［２］ｃｏｓω′↓［ｓ］ｔ　中；　步骤３，采用有限元方法求解式６、７，计算结果包括位移、速度、加速度和应力时程；　步骤４，根据所述计算结果采用雨流计数法统计出一段时间内，某个幅值的应力循环次数ｎ↓［ｉ］，将ｎ↓［ｉ］代入疲劳损伤计算公式８　Ｄ＝＊ｎ↓［ｉ］／Ｎ↓［ｉ］　中，计算出疲劳损伤。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄维平，唐世振，上官丽红，于卫红，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]