本文選題：深海立管　切入點(diǎn)：固有振動(dòng)　出處：《天津大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：隨著油氣資源需求量日益增大，海洋油氣資源的開采漸漸由淺海向深海領(lǐng)域發(fā)展。立管作為連接海面與海底的一種通道，進(jìn)行勘探、鉆井、輸液等工作，是深海開發(fā)中必不可少的關(guān)鍵裝備。立管長期在水面以下工作，除了時(shí)刻承受風(fēng)、浪、流等載荷作用，內(nèi)部還有高壓的油或氣通過，此外立管頂端上部浮體的運(yùn)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)與流體之間的相互耦合都會(huì)對(duì)立管產(chǎn)生重要的影響。因此，研究深海立管在復(fù)雜海洋環(huán)境下的動(dòng)力特性具有重要的理論與工程意義。 由于平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)引起立管軸向力隨浮體運(yùn)動(dòng)而發(fā)生時(shí)變，從而作為一個(gè)參數(shù)激勵(lì)對(duì)立管渦激振動(dòng)（VIV）產(chǎn)生重要影響。本文以Spar平臺(tái)頂張力立管（TTR）為研究對(duì)象，旨在通過深海立管參激-渦激聯(lián)合振動(dòng)與疲勞特性研究，為立管的動(dòng)力設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。本文的主要工作和結(jié)論如下： （1）根據(jù)立管組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及立管所受外載荷情況，建立了深海立管參激-渦激聯(lián)合振動(dòng)分析模型；分析深水立管長細(xì)比、自重及頂端受浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)立管固有振動(dòng)的影響，針對(duì)不同的分析模型，提出固有振動(dòng)特性計(jì)算方法。 （2）把單自由度參激振動(dòng)經(jīng)典Mathieu方程用于多自由度立管參激振動(dòng)穩(wěn)定性分析。通過Garlkin法將立管運(yùn)動(dòng)偏微分方程轉(zhuǎn)化為Mathieu方程，依據(jù)Mathieu不穩(wěn)定圖對(duì)立管每一階模態(tài)進(jìn)行獨(dú)立分析后疊加得到立管的不穩(wěn)定圖，并與數(shù)值算法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，立管各模態(tài)不穩(wěn)定區(qū)存在大量重疊區(qū)域，由于高階不穩(wěn)定區(qū)范圍狹窄且在阻尼作用下迅速減小，實(shí)際應(yīng)用中，可只考慮立管一階不穩(wěn)定區(qū)。 （3）考慮立管自重，基于Floquet理論研究了軸向變張力下深海立管參激穩(wěn)定性特點(diǎn)。與恒張力模型相比，主要有2點(diǎn)不同：一是立管固有頻率顯著減小，各階頻率更加接近，在一定的頻率范圍內(nèi)，有更多的模態(tài)被激發(fā)，參激不穩(wěn)定區(qū)域顯著增大，立管更易發(fā)生參激失穩(wěn)；二是立管模態(tài)振型不正交，帶來模態(tài)耦合效應(yīng)，立管發(fā)生多模態(tài)振動(dòng)，立管參激共振除滿足主共振條件外，，還發(fā)生組合共振，組合共振的對(duì)立管的危害更大。 （4）基于Van der Pol尾流振子模型，采用有限差分法計(jì)算立管的振動(dòng)響應(yīng)，研究了流速、頂張力和參數(shù)激勵(lì)對(duì)立管渦激振動(dòng)的影響。結(jié)果表明，參數(shù)激勵(lì)加劇了立管的渦激振動(dòng)，特別對(duì)于低流速下深海立管渦激振動(dòng)影響更大；當(dāng)流速較低而平臺(tái)升沉幅值和頻率較高時(shí)，立管橫向振動(dòng)頻率約是參激頻率的0.5倍；參數(shù)激勵(lì)作用下，立管底部振動(dòng)位移和彎曲應(yīng)力明顯增大。 （5）提出了參激-渦激聯(lián)合振動(dòng)試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了參激加載方法和裝置，制作了合理的試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，研究了流速、頂張力、參�?shù)激勵(lì)對(duì)立管渦激振動(dòng)的影響，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。 （6）基于參激-渦激聯(lián)合振動(dòng)模型和Miner疲勞累積損傷理論，研究了立管參激-渦激聯(lián)合振動(dòng)疲勞損傷，揭示了立管振動(dòng)疲勞損傷機(jī)理，提出了參激-渦激聯(lián)合振動(dòng)疲勞損傷預(yù)報(bào)方法，分析了參數(shù)激勵(lì)對(duì)立管渦激振動(dòng)疲勞損傷的影響。結(jié)果表明，立管疲勞損傷隨水深增加而增大，最大疲勞損傷在立管底部。參數(shù)激勵(lì)對(duì)立管底部疲勞損傷有較大影響。
[Abstract]:With the increasing demand of oil and gas resources , the exploitation of offshore oil and gas resources is gradually developed from the shallow sea to the deep sea .

The axial force of riser due to the heave motion of the platform is time - varying with the movement of the floating body , which plays an important role as a parameter to excite the vortex - induced vibration ( VIV ) of the opposing tube . In this paper , the Spar platform top tension riser ( TTR ) is used as the research object , which aims to provide theoretical basis and technical support for the dynamic design and optimization of the riser . The main work and conclusion of this paper are as follows :

( 1 ) Based on the composition and structural characteristics of riser and the external load of riser , a combined vibration analysis model of deep sea riser - vortex - excitation is established .
In this paper , the influence of the slender ratio , the dead weight and the top end of the deep water riser on the inherent vibration of the counter tube are analyzed , and the inherent vibration characteristic calculation method is proposed for different analytical models .

( 2 ) A single - degree - of - freedom parametric oscillation classic is used for the analysis of the stability of a multi - degree - of - freedom vertical tube reference vibration . By means of the Garlkin method , the vertical tube motion partial differential equation is converted into a vertical tube instability map , and compared with the numerical algorithm results .

( 3 ) Considering the self - weight of riser , the stability of deep sea riser under axial variable tension is studied based on the Floquet theory . Compared with the constant tension model , there are two different points : firstly , the natural frequency of the vertical tube is obviously reduced , the frequency of each step is more close , and more modes are excited in a certain frequency range ;
secondly , the mode vibration mode of the vertical pipe is not orthogonal , the mode coupling effect is brought , the vertical pipe generates multi - mode vibration , the vertical pipe parametric excitation resonance does not meet the main resonance condition , the combination resonance is also generated , and the harm of the combined resonance is greater .

( 4 ) Using finite difference method to calculate the vibration response of riser , the influence of velocity , top tension and parameters on the vortex - induced vibration of riser is studied .
When the flow velocity is low and the platform heave amplitude and frequency are high , the vertical tube transverse vibration frequency is about 0.5 times of the reference frequency ;
Under the action of parameters , the vibration displacement and bending stress of the bottom of the vertical pipe are obviously increased .

( 5 ) In this paper , a method of parametric excitation - vortex combined vibration test is put forward , and a reasonable experimental model is designed . The influence of flow velocity , top tension and parameters on the vortex - induced vibration of opposing tube is studied , and the reliability of numerical simulation results is verified .

( 6 ) Based on the theory of parametric excitation - vortex combined vibration model and Miner fatigue cumulative damage theory , the mechanism of vertical tube vibration fatigue damage is studied . The influence of parameters on the fatigue damage of vortex - induced vibration is analyzed . The results show that the fatigue damage of riser increases with the increase of water depth , and the maximum fatigue damage is at the bottom of riser .

【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P756.2

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本文編號(hào)：1730481