本文關鍵詞：考慮大變形的含缺陷海洋管道非線性渦激振動研究　出處：《浙江大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 海洋管道 非線性渦激振動 幾何非線性 斷裂力學 狀態(tài)空間法

【摘要】：隨著海洋油氣資源的開發(fā),海洋管道作為海洋油氣資源最主要的運輸方式,其安全性問題日益受到重視。海洋管道懸跨段在海流、波浪等海洋環(huán)境荷載的作用下容易發(fā)生渦激振動,引起管線的疲勞破壞。同時,由于長期處于惡劣的服役環(huán)境中,海洋管道普遍處于帶缺陷工作狀態(tài),但現(xiàn)有海洋管道的渦激振動分析中未曾考慮到這一現(xiàn)狀。因此,開展含缺陷管道的全壽命安全分析具有十分重要的理論和實際意義。本文主要研究內(nèi)容包括:(1)基于梁理論,采用考慮結(jié)構(gòu)大變形的非線性有限元方法,考慮管道軸向初張力及管內(nèi)熱油溫度場引起的軸力對結(jié)構(gòu)幾何剛度的貢獻,建立了海洋管道的結(jié)構(gòu)模型;采用非線性渦激振動時域荷載模型來模擬作用在管道上的渦激力,用于同時考慮流場與管道在順流和橫流向的耦合作用;采用增量形式的時域積分法求解該非線性振動模型,通過算例,驗證了該計算方法的準確性,并分析了頂張式海洋立管及海底管道懸跨段的渦激振動響應,為后續(xù)缺陷管道渦激振動響應研究提供了準確的理論方法。(2)采用非線性流固耦合振動計算方法,計算了含腐蝕缺陷管道的渦激振動響應,并與完整管的響應對比,并分析了不同腐蝕深度和位置對響應的影響,給出了含腐蝕缺陷管道渦激振動響應的預測方法,為含缺陷管道的疲勞壽命評估提供參考理論。(3)基于應變能釋放理論和線性斷裂力學理論,推導了管類結(jié)構(gòu)在軸力、剪力、扭矩和彎矩作用下由非貫穿直裂紋所引入的附加局部柔度矩陣方程,建立了非貫穿直裂紋三維有限元模型,通過算例驗證了模型的正確性。結(jié)合非線性渦激振動計算方法,對含裂紋缺陷管道的非線性渦激振動響應進行了分析,并給出了預測含裂紋管道渦激振動響應的方法。(4)基于彈性力學基本理論,采用狀態(tài)空間法建立了考慮層間弱界面的三維管道模型,計算了不同程度弱界面對管道結(jié)構(gòu)自振特性的影響,為含缺陷管道的渦激振動分析提供了新的思路。
[Abstract]:With the development of offshore oil and gas resources, offshore pipeline as the most important mode of transportation of offshore oil and gas resources, its safety has been paid more and more attention. Under the action of wave and other marine environmental loads, vortex-induced vibration is easy to occur, which leads to the fatigue damage of pipeline. Meanwhile, because of the long time in the bad service environment, the offshore pipeline is generally in the working state with defects. However, this situation has not been taken into account in the analysis of vortex-induced vibration of existing offshore pipelines. It is of great theoretical and practical significance to carry out life safety analysis of pipeline with defects. The main research contents in this paper include: 1) based on beam theory, nonlinear finite element method considering large deformation of structure is adopted. Considering the contribution of the axial initial tension and the axial force caused by the thermal oil temperature field to the geometric stiffness of the structure, the structural model of the offshore pipeline is established. The nonlinear vortex-induced vibration time-domain load model is used to simulate the vortex-induced forces acting on the pipeline, which is used to consider the coupling effect of the flow field and the pipeline in the downstream and the transverse direction at the same time. An incremental time domain integral method is used to solve the nonlinear vibration model. An example is given to verify the accuracy of the method. The vortex-induced vibration response of the top tensioned riser and submarine pipeline is analyzed. This paper provides an accurate theoretical method for the subsequent study of the vortex-induced vibration response of the pipeline with corrosion. The nonlinear fluid-structure coupled vibration calculation method is used to calculate the vortex-induced vibration response of the pipeline with corrosion defects. The effect of different corrosion depth and location on the response is analyzed, and the prediction method of the vortex-induced vibration response of the pipeline with corrosion defects is given. Based on the theory of strain energy release and linear fracture mechanics, the axial force and shear force of pipe structure are derived. Under the action of torque and bending moment, the additional local flexibility matrix equation introduced by the non-penetrating straight crack is introduced, and the three-dimensional finite element model of the non-penetrating straight crack is established. A numerical example is given to verify the correctness of the model, and the nonlinear vortex-induced vibration response of a cracked pipe is analyzed in combination with the nonlinear vortex-induced vibration calculation method. The method of predicting the vortex-induced vibration response of cracked pipes is presented. Based on the basic theory of elasticity, a three-dimensional pipeline model considering the weak interface between layers is established by using the state space method. The influence of weak interface on the natural vibration characteristics of pipeline structure is calculated, which provides a new idea for the analysis of vortex-induced vibration of pipeline with defects.
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P756.2

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